So ermitteln Sie die Messunsicherheit von Manometern

Jedes Messgerät weist eine gewisse Ungenauigkeit auf. Ein Lineal kann messen, ob zwei Bleistifte gleich lang sind, aber diese Schlussfolgerung ist nur im Rahmen der kleinsten mit dem Lineal möglichen Messung gültig. Die Bleistifte können bis auf den Zentimeter oder Millimeter übereinstimmen, aber es gibt keine Garantie, dass sie nicht doch unterschiedlich lang sind, wenn man Mikrometer oder Nanometer betrachten würde.

Unabhängig vom verwendeten Gerät gibt es immer eine Genauigkeitsgrenze für die Fähigkeit, damit den tatsächlichen Messwert der Messgröße (d. h. des Objekts, das gemessen wird) zu erfassen. Es wird immer einen Wertebereich geben, innerhalb dessen der tatsächliche Messwert der Messgröße liegen kann. Dieses Phänomen wird Messunsicherheit genannt. Genau wie jedes andere Messgerät sind auch Manometer anfällig für Messunsicherheiten. Daher ist es wichtig zu wissen, wie sich verschiedene Variablen auf die Unsicherheit eines Geräts auswirken.

In diesem Artikel befassen wir uns mit den allgemeinen Überlegungen zur Unsicherheit bei der Druckmessung, mit den verschiedenen Arten von Unsicherheiten, die dabei eine Rolle spielen, und gehen kurz darauf ein, wie diese Unsicherheit berechnet wird.

Allgemeine Überlegungen zur Messunsicherheit bei Druckmessungen

Es gibt zwei Hauptarten von Unsicherheit: Messunsicherheit vom Typ A und vom Typ B Wir werden später in diesem Artikel näher auf diese beiden Typen eingehen, aber einfach ausgedrückt basiert die Messunsicherheit vom Typ A auf statistischer Analyse, während die Messunsicherheit vom Typ B nicht darauf basiert. (Und gemeinsam bilden sie die Gesamtunsicherheit der Messung.)

Typ A und Typ B sind jedoch sehr weit gefasste Klassifizierungen. Bei Manometern gehören zu den spezifischeren potenziellen Quellen der Messunsicherheit:

• Typ des Messgeräts
• Betriebsart des Messgeräts
• Fluidmedium
• Umgebungsbedingungen
• Ausrichtung des Geräts
• Referenzunsicherheit
• Kalibrierungshäufigkeit
• Verweildauer am Sollwert
• Nullabgleich 

Sehen wir uns diese Faktoren einmal genauer an.

Typ des Messgeräts

Dies ist der einfachste Ansatz zur Messunsicherheit von Manometern: Welchen Gerätetyp verwenden Sie? Verschiedene Manometer arbeiten anders, haben unterschiedliche Kalibrierungsverfahren und können unterschiedlich reagieren. Das hängt von den übrigen zuvor erwähnten Faktoren wie Fluidmedium, Betriebsart und Umgebung, in der das Messgerät eingesetzt wird, ab. Manometer haben auch unterschiedliche Genauigkeits- und Auflösungsstufen. Viele Marken und Modelle von Messgeräten liefern eine Übersicht über die Messunsicherheiten und Informationen darüber, wie verschiedene Situationen und Einflussgrößen sich auf das Endergebnis auswirken.

Betriebsart des Messgeräts

Die genaue Betriebsart des Manometers beeinflusst in gewissem Maße dessen Messunsicherheit. Einige Betriebsarten umfassen Absolutdruck und Manometerdruck. Die Betriebsart hat in der Regel keinen besonders großen Einfluss auf die Messunsicherheit wie einige andere Variablen, aber sie ist dennoch ein Faktor, den Sie berücksichtigen müssen.

Fluidmedium

Das Fluid im Messgerät, das den Druck der Messgröße überträgt, kann ebenfalls Unsicherheiten verursachen, da sich Art und Dichte des Fluids verändern können. In vielen Manometern kommt flüssiges Glyzerin oder Silikonöl zum Einsatz, in anderen wiederum befindet sich ein Gas – entweder Luft oder Stickstoff. Die größeren Unterschiede zwischen diesen Medien werden in der Regel bei der Messung berücksichtigt, kleinere Unterschiede der Dichte zwischen den Messungen können dagegen jedoch zu Unsicherheiten führen.

Umgebungsbedingungen

Die Umgebung, in der Sie die Messung durchführen, ist einer der wichtigsten Aspekte, den Sie bei der Bestimmung der Gültigkeit Ihrer Ergebnisse berücksichtigen müssen. In der Tat gehört die Umgebung zu den wichtigsten Einflüssen, die Sie bei der Bestimmung der Gültigkeit Ihrer Ergebnisse berücksichtigen müssen. Umweltfaktoren wirken sich nicht nur auf den Druck des zu messenden Objekts aus, sondern auch auf das Messgerät, das Sie verwenden.

Temperaturschwankungen können zum Beispiel die physikalischen Eigenschaften des Manometers auf geringfügige, aber bedeutsame Weise verändern, etwa das Verhalten des Fluids im Messgerät, was sich wiederum auf die Messwerte auswirkt. Auch die verschiedenen Komponenten eines Manometers, wie ein Kolbenzylinder, können durch thermische Ausdehnung oder Kontraktion leicht verändert werden, was zu Messunsicherheit führt. Darüber hinaus können adiabatische Effekte, die sich auf die Temperatur des Mediums in einem System auswirken, die Druckmesswerte beeinflussen. Dies gilt insbesondere bei gasbasierten Systemen oder bei Systemen, bei denen schnelle Druckänderungen auftreten. 

Die meisten modernen Manometer verfügen über eine gewisse Temperaturkompensation, aber es gibt immer ein gewisses Maß an Unsicherheit, unabhängig davon, wie gut die Bedingungen kontrolliert werden. 

Ein weiterer Umweltaspekt ist der barometrische Druck oder der Atmosphärendruck. Der Luftdruck ändert sich in erster Linie in Abhängigkeit von der Höhenlage: Eine höhere Lage führt zu einem niedrigeren barometrischen Druck, eine niedrigere Lage zu einem höheren barometrischen Druck. Da dieser Atmosphärendruck weitgehend von der Höhe des Standorts abhängt, müssen Sie ihn bei der Druckmessung berücksichtigen. 

Die lokale Schwerkraft ist ein weiterer Umgebungsfaktor, den Sie bei der Bestimmung der Unsicherheit für die Druckmessungen berücksichtigen müssen. Die lokale Schwerkraft hängt von mehreren Faktoren ab, darunter dem Breitengrad, nahegelegenen topografischen Merkmalen wie Bergen und der Höhe über dem Meeresspiegel. Während kleine Unterschiede in der lokalen Schwerkraft für einen Menschen nicht wirklich spürbar sind, müssen sie bei extrem präzisen Messungen unbedingt berücksichtigt werden. Diese kleinen Änderungen der Schwerkraft können zu großen Unterschieden bei der genauen Druckmessung und somit zu einer gewissen Unsicherheit führen. Insbesondere bei Druckwaagen, die Manometer kalibrieren und einen bekannten Druckpunkt basierend auf Masse, Schwerkraft und Fläche reproduzieren müssen, ist die lokale Schwerkraft ein entscheidender Faktor. 

Ein weiterer, vielleicht weniger offensichtlicher Umgebungsfaktor, der berücksichtigt werden muss, ist das Vorhandensein von Vibrationen. Vibrationen aus der Umgebung können einen Druckmesser beeinflussen und zu möglichen Fehlern führen. Die Vibrationen können einen natürlichen Ursprung haben, aber sie stammen häufiger von Maschinen oder Geräten, die in der Nähe betrieben werden. Vibrationen treten häufig nicht gleichmäßig auf. Werden sie also in einer Unsicherheitsanalyse nicht berücksichtigt, können die Druckmessdaten unvorhersehbar sein. Um die Unsicherheit durch Vibrationen zu verringern, stellen Sie sicher, dass die Manometer ordnungsgemäß und sicher an der für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Oberfläche angebracht sind. 

Ausrichtung des Messgeräts

Einige Drucksensoren funktionieren in bestimmten Ausrichtungen oder Montagepositionen besser und könnten möglicherweise empfindlich darauf reagieren, wie sie vor der Messung eingerichtet wurden. (Bei Druckwaagen kommt es nicht nur auf die Orientierung an: Anwender müssen die Differenz der Fluidsäulenhöhe zwischen dem Referenzgerät und dem Prüfling (DUT) berücksichtigen. Wenn dieser Unterschied nicht berücksichtigt wird, kann sich dies erheblich auf die Ergebnisse auswirken, insbesondere bei geringen Druckwerten.) Die Einhaltung der Herstellerempfehlungen zur Ausrichtung des Messgeräts trägt zur Minimierung der Ausrichtungsempfindlichkeit bei.

Unsicherheit des Referenzgeräts für die Kalibrierung

Die Unsicherheit wirkt sich nicht nur auf das Manometer aus, das Sie für Messungen in Ihrem Arbeitsalltag verwenden, sondern auch auf andere Aspekte Ihres Arbeitsprozesses. Auch die von Messtechniker zur Kalibrierung des Manometers verwendeten Referenznormale unterliegen Messunsicherheiten. Wenn das Manometer in einem nach ISO/IEC 17025 akkreditierten Labor kalibriert wurde, sollte die Unsicherheit des Referenzgeräts im Kalibrierzertifikat des Manometers aufgeführt werden. Da auch das Referenznormal einer Unsicherheit unterliegt, kann dies die Kalibrierung und damit die Messleistung sowie die Messunsicherheit des Manometers beeinflussen.

Häufigkeit der Kalibrierung

Im Laufe der Zeit ändern sich bei Messgeräten die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse normalerweise leicht. Aus diesem Grund ist es wichtig, Messgeräte regelmäßig zu kalibrieren. (Früher orientierten sich Organisationen und Kalibrierlaboratorien bei den Kalibrierintervallen an der OIML D10 der Internationalen Organisation für das gesetzliche Messwesen (OIML), doch diese Richtlinie wurde zurückgezogen. Heute können sich Organisationen für Hinweise zu Kalibrierintervallen an der ILAC G24 der International Laboratory Accreditation Cooperation (ILAC) oder an der EURAMET cg-19 der European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) orientieren.)

Die meisten Unsicherheitsanalysen gehen davon aus, dass ein Gerät einmal im Jahr nachkalibriert wird, aber die tatsächliche Kalibrierhäufigkeit des Messgeräts selbst wirkt sich auf die Unsicherheit aus. Längere Zeiträume ohne Kalibrierung führen logischerweise zu größeren Bereichen potenzieller Unsicherheit, während häufigere Nachkalibrierungen die Unsicherheit verringern.

Verweildauer

Alle Manometersysteme benötigen Zeit, um sich zu stabilisieren und ein Gleichgewicht zu erreichen. Sie müssen an einem bestimmten Punkt verharren, bevor Sie eine genaue Messung vornehmen können. Diese Stabilisationszeit kann bisweilen 30 Sekunden oder länger betragen, während derer die Messwerte schwanken, bis das Gerät seine Verweildauer erreicht hat. Wenn Sie versuchen, eine Messung durchzuführen, bevor sich das Manometer stabilisiert hat, besteht die Gefahr, dass die Messung eine größere Unsicherheit aufweist. Schwankungen in diesem Zeitraum können zu einer gewissen Unsicherheit bei der Messung führen. Daher ist es wichtig, die Verweilzeit des Manometers zu kennen und bei der Berechnung der Unsicherheit zu berücksichtigen.

Nullabgleich

So wie die Fähigkeit eines Messgeräts, genaue Messungen vorzunehmen, im Laufe der Zeit abweichen kann, so kann auch sein Nullpunkt abweichen. Diese Nullpunktdrift kann durch mechanische Hysterese, Restspannungen, fehlende regelmäßige Kalibrierung, Umgebungsfaktoren oder schlicht durch Alterung des Geräts verursacht werden. Unabhängig von der Ursache führt die Nullpunktdrift zu einer leichten Unsicherheit bei exakten Messungen. Bei digitalen Manometern ist der Nullpunktabgleich relativ einfach und kann durch Drücken einer Taste oder durch Auswahl der Funktion für den Nullpunktabgleich im entsprechenden Menü erfolgen. Bei analogen Messgeräten kann der Nullpunktabgleich schwieriger sein und erfordert in der Regel, physisch Druck abzulassen. Die Entlüftungsmethode hängt vom Manometer und seiner Bauart ab.

Da Sie nun mit einigen spezifischen Faktoren vertraut sind, die zur Unsicherheit bei der Druckmessung beitragen können, sehen wir uns die umfassenderen Klassifizierungen der Unsicherheit von Typ A und Typ B an.

Bestimmung von Unsicherheitsquellen vom Typ A

Unsicherheiten vom Typ A sind Unsicherheiten, die sich quantitativen Messungen und statistischen Analysen zuordnen lassen, die aus einer Reihe wiederholbarer Beobachtungen stammen. Alles, wofür man Mittelwerte, Standardabweichungen oder Freiheitsgrade berechnen kann, fällt unter Messunsicherheit vom Typ A. Aufgrund dieser strikten Klassifizierungskriterien gibt es in einer Unsicherheitsanalyse in der Regel weniger Messunsicherheiten vom Typ A.

Bestimmung von Unsicherheitsquellen vom Typ B

Die Unsicherheit vom Typ B ist dagegen jede Unsicherheit, die nicht als Unsicherheit vom Typ A klassifiziert werden kann. Es kann sich dabei beispielsweise um qualitative Unsicherheiten handeln, wie etwa die Verlässlichkeit Ihres Urteilsvermögens als Experte in Ihrem Bereich, um bestimmte Annahmen über die Leistung oder Eigenschaften eines Manometers zu treffen. Es gibt jedoch auch quantitative Messunsicherheiten vom Typ B, zum Beispiel Datenpunkte aus den Herstellerangaben des Messgeräts oder aus Kalibrierzertifikaten.

Viele der bereits besprochenen Faktoren zählen zu den Messunsicherheiten vom Typ B. Drift, Kalibrierhäufigkeit, Referenzunsicherheit und das Modell des Messgeräts zählen alle zu den Messunsicherheiten vom Typ B.

Berechnung der Unsicherheiten

Wenn Sie die Messunsicherheiten vom Typ A und vom Typ B für das Manometer bestimmt haben, können Sie die Gesamtunsicherheit der Druckmessung berechnen.

Beachten Sie, dass es bei der Beurteilung der Unsicherheit keine allgemeingültige Lösung gibt. Alle oben genannten Überlegungen wirken sich unterschiedlich auf verschiedene Manometer aus. Und jedes Manometer weist etwas anders gelagerte Unsicherheiten auf, die zu beachten sind. Dies gilt insbesondere für Unsicherheiten vom Typ B. Für jedes Gerät finden Sie viele der benötigten Informationen in den Handbüchern und Kalibrierberichten des Herstellers.

Natürlich kann die Berechnung der Messunsicherheit komplex und zeitaufwendig sein. Aus diesem Grund gibt es auch ganze Kurse und Webinare, die sich ausschließlich mit der Berechnung der Messunsicherheit befassen. Nichtsdestotrotz lässt sich die Berechnung der Unsicherheit im Allgemeinen in die folgenden Schritte unterteilen: 

1. Identifizierung und Beseitigung externer Unsicherheitsquellen
2. Schätzung und Bestätigung von Standardunsicherheiten (Typ A und Typ B)
3. Ermittlung der Wahrscheinlichkeitsverteilung von Standardunsicherheiten
4. Umrechnung von Standardunsicherheiten in Standardabweichungen
5. Kombination der Unsicherheiten
6. Berechnung der erweiterten Unsicherheit 

Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich unseren Leitfaden zur Berechnung der Messunsicherheit an.

Verringerung von Unsicherheiten bei der Druckmessung mit den richtigen Mitteln

Aufgrund der Genauigkeit von Druckmessungen gibt es immer ein gewisses Maß an Unsicherheit. Sie können jedoch Maßnahmen ergreifen, um dies zu berücksichtigen und zu reduzieren. Ein guter Ausgangspunkt ist die Investition in hochwertige Manometer und Drucknormale wie die von Fluke Calibration mit einem hohen Maß an Präzision und Zuverlässigkeit, die auf nationale und internationale Normen rückführbar sind und eine klar dokumentierte Unsicherheit aufweisen. Denken Sie immer daran, dass selbst die besten Geräte niemals unfehlbar sind und regelmäßig kalibriert werden müssen, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu wahren. Unsicherheiten können jede Messung beeinflussen, aber solange wir uns dessen bewusst sind und entsprechende Vorkehrungen treffen, fallen die Messungen stets präzise und verlässlich aus.