Kennlinie, Hysterese, Messfehler: Begriffe der Druckmesstechnik

STS Sensortechnik: Erste Informationsquelle für Anwender von Druckmesstechnik sind oft die von den Herstellern bereitgestellten Datenblätter. Von grossem Interesse sind dabei in der Regel die Genauigkeitsangaben. In diesem Zusammenhang tauchen eine Vielzahl Begriffe auf, deren Kenntnis bei der Einschätzung des jeweiligen Messinstruments von grosser Bedeutung ist.

Zum Thema Genauigkeit lässt sich grundlegend sagen, dass der Begriff keiner definierten Norm unterliegt. Anders ist dies bei den Begriffen, die im Zusammenhang mit Genauigkeitsangaben vorkommen, darunter Kennlinie, Hysterese, Nichtlineartität, Nichtwiederholbarkeit und Messfehler. Im Folgenden wollen wir diese Begriffe kurz erläutern.

Kennlinie

Die Kennlinie bezeichnet die Abhängigkeit des Ausgangssignals (Messwert) vom Eingangssignal (Druck). Im Idealfall ist die Kennlinie eine Gerade.

Nichtlinearität

Als Nichtlinearität wird die grösste Abweichung (positiv oder negativ) der Kennlinie von einer Referenzgeraden beschrieben. Die Referenzgerade kann mittels drei verschiedener Methoden bestimmt werden: Grenzpunkteinstellung, die Kleinstwerteinstellung (BFSL) und die Anfangspunkteinstellung. Jede dieser Methoden führt zu anderen Ergebnissen. Die Grenzpunkteinstellung ist die in Europa am häufigsten verwendete Methode. Dabei verläuft die Referenzgerade durch Anfangs- und Endpunkt der Kennlinie.

Messfehler

Der Messfehler oder auch die Messabweichung beschreibt die Abweichung des angezeigten Wertes vom „richtigen“ Wert. Dieser „richtige“ Wert ist ein Idealwert, den man in der Praxis nur mit einem hochgenauen Messgerät bei Referenzbedingungen, beispielsweise einem Primärnormal wie es zur Kalibrierung eingesetzt wird, ermitteln kann. Die Messabweichung wird als absoluter oder relativer Fehler angegeben. Der absolute Fehler hat dieselbe Einheit wie die Messgrösse. Der relative Fehler bezieht sich auf den richtigen Wert und ist einheitsfrei.

Nullpunkt- und Spanne-Fehler

Bei der Sensor-Produktion kommt es zu Abweichungen zum Referenzgerät (Normal). Messabweichungen am Messbereichsanfang und -ende werden als Nullpunkt- und Spannefehler bezeichnet. Letzterer bezieht sich auf die Differenz aus beiden Werten. Der Nullpunktfehler ist die Differenz zwischen dem idealen Nullpunkt der Soll-Kennlinie und dem tatsächlichen Ausgangswert der Ist-Kennlinie.

Der Nullpunktfehler kann vom Anwender einfach im drucklosen Zustand abgelesen werden. Um ihn zu eliminieren muss er diesen als Offset in die Auswerteeinheit eingeben. Das Eliminieren des Spannefehlers gestaltet sich etwas schwieriger, da hierfür der Druck am Messbereichsende exakt angefahren werden muss.

Hysterese

Der angezeigte Messwert hängt nicht nur von der Eingangsgrösse ab (hier: Druck), sondern auch von den Werten, die von der Eingangsgrösse zuvor gemessen wurden.

Wenn also die Kennlinie des Messgeräts bei kontinuierlich zunehmendem Druck aufgenommen und dann mit der Kennlinie bei kontinuierlich abnehmendem Druck verglichen wird, fällt auf, dass die Ausgangssignale trotz identischer Drücke nicht exakt gleich sind. Die maximale Abweichung zwischen beiden Kennlinien bezeichnet man als Hysterese. Sie wird in Prozent der Gesamtskala angegeben (% FS).

Nichtwiederholbarkeit

Auch wenn unter identischen Bedingungen gemessen wird unterliegen elektronische Drucktransmitter stochastischen Einflüssen, wegen derer das Ausgangssignal für gleiche Druckwerte bei aufeinanderfolgenden Messungen nicht identisch ist. Mit Nichtwiederholbarkeit wird daher die grösste Abweichung aus drei nacheinander in gleicher Richtung erfolgten Messungen angegeben. Ein zuverlässiges Druckmessinstrument erkennen Anwender an einer möglichst geringen Nichtwiederholbarkeit.

Wie die Hysterese kann die Nichtwiederholbarkeit nicht kompensiert werden.

Temperaturfehler

Temperaturänderungen beeinflussen die Eigenschaften des Drucksensors unmittelbar. Der elektrische Widerstand von Halbleitern, wie sie bei piezoresistiven Druckmessumformern genutzt werden, nimmt beispielsweise mit steigender Temperatur ab. Hersteller optimieren ihre Produkte daher hinsichtlich eines ausgeglichenen Temperaturverhaltens. Temperaturbedingte Fehler werden entweder direkt auf dem Sensor oder elektronisch kompensiert. Manche Geräte verfügen auch über einen Temperatursensor, der auftretende temperaturbedingte Fehler direkt kompensiert. Dennoch lassen sich solche Fehler nur minimieren und nicht völlig eliminieren. Dieser Rest-Temperaturfehler wird von manchen Herstellern als Temperaturkoeffizient angegeben.

Überlastdruck

Die angegebenen Fehlergrenzen werden im Überlastbereich überschritten. Der Druckmessumformer erleidet aber noch keine bleibenden Schäden.

Berstdruck

Der Berstdruck gibt den Druck an, bei dem es zu Verformungen des Druckmessumformers kommt und er mechanisch beschädigt wird.

Langzeitstabilität

Äussere Einflüsse wirken auf das Messinstrument. Darum bleibt die Kennlinie nicht über Jahre hinweg konstant. Die Langzeitstabilität (auch Langzeitdrift) wird von den Herstellern unter Laborbedingungen ermittelt und in den Datenblättern in Prozent von der Gesamtskala pro Jahr angegeben.

Die realen Einsatzbedingungen des Gerätes können sich signifikant von den Testbedingungen unterscheiden. Auch können die Testabläufe unter den Herstellern stark variieren, was die Vergleichbarkeit der Angaben erschwert. Generell empfiehlt es sich, den Druckumformer in regelmässigen Abständen zu kalibrieren und gegebenenfalls zu justieren.

Genauigkeit: Die Kennlinienabweichung

Wie eingangs erwähnt, ist „Genauigkeit“ keine feste Grösse. Ein anderer Begriff, der gelegentlich für Genauigkeit benutzt wird, ist die Kennlinienabweichung. Diese beschreibt den maximalen Gesamtfehler nach IEC 770 und besteht aus der Linearitätsabweichung, der Hysterese sowie der Nichtwiederholbarkeit. Es handelt sich demnach um die Abweichung des Messbereichsendwertes von der idealen Kennlinie in Prozent.