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Ein hochauflösender Sensor, drei Genauigkeitsklassen
Wie Praxistests einem Kunden halfen, Messleistung und Beschaffungskosten in Einklang zu bringen.
Bei der Dichtheitsprüfung ist der Drucksensor kein austauschbares Standardbauteil. Er bestimmt, wie klein eine Druckänderung sein darf, die ein System noch auflösen kann – und damit auch, wie kleine Leckagen ein Prüfgerät zuverlässig erkennt. Dennoch ist es nur selten sinnvoll, für jedes Gerät immer die höchste verfügbare Genauigkeitsklasse zu wählen.
1. Die Herausforderung: Den richtigen Drucksensor für hochpräzise Dichtheitsprüfungen finden
Bei der Dichtheitsprüfung beeinflusst die Qualität der Druckmessung unmittelbar die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse. Sollen sehr kleine Druckänderungen erkannt werden, gewinnen Sensorpräzision und Signalstabilität besondere Bedeutung.
Für Hersteller von Dichtheitsprüfgeräten besteht die Aufgabe jedoch nicht einfach darin, den genauesten verfügbaren Sensor auszuwählen. Unterschiedliche Prüfgeräte können unterschiedliche Leistungsanforderungen haben. Ein unnötig hochgenauer Sensor kann die Kosten des Geräts erhöhen, ohne dem Endanwender einen entsprechenden Mehrwert zu bieten.
Vor genau dieser Aufgabe stand ein Kunde, den wir hier Maxim nennen. Der Name ist ein Pseudonym zum Schutz seiner Identität.
Maxim verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Druckmesstechnik und bei Dichtheitsprüfanwendungen. Sein Unternehmen verarbeitet jedes Jahr eine große Zahl von Drucksensoren und verfügt über eigene Software für Kalibrierung und Auswertung.
Für seine erste Bewertung suchte Maxim einen Druckmessumformer mit besonders stabilen und präzisen Messergebnissen. Er wählte zwei GP-6210-Muster mit Genauigkeitsklassen von 0,03 % FS und 0,05 % FS für die Prüfung aus.
Die Ergebnisse waren sehr ermutigend. Die Auswertung führte jedoch zu einer weiteren wichtigen Erkenntnis: Auch eine kostengünstigere 0,1-%-FS-Version konnte die Anforderungen bestimmter Dichtheitsprüfsysteme erfüllen.
2. Der GP-6210: drei Genauigkeitsklassen
Der GP-6210 ist ein hochpräziser Druckmessumformer für Anwendungen, die eine genaue und stabile Druckmessung erfordern.
Für einen Vollbereich von 0 bis 10 bar, entsprechend 0 bis 1 MPa, ist der GP-6210 in drei Genauigkeitsklassen verfügbar:
- 0,03 % FS, entsprechend 300 Pa bei Vollbereich
- 0,05 % FS, entsprechend 500 Pa bei Vollbereich
- 0,1 % FS, entsprechend 1.000 Pa bei Vollbereich
Diese Werte beschreiben die jeweilige Genauigkeitsspezifikation als Prozentsatz des Vollbereichs. Sie dürfen nicht mit den tatsächlich bei der Kalibrierung ermittelten Messabweichungen verwechselt werden.
Der GP-6210 ist nicht nur hochgenau, sondern auch hochauflösend. Seine Ausgangsauflösung beträgt 3,3 ppm des Messbereichs – bei 0 bis 10 bar etwa 3,3 Pa – und ist bei allen drei Genauigkeitsklassen identisch. Die Wahl einer niedrigeren Genauigkeitsklasse verringert daher nicht die Auflösung der Messwerte; sie erweitert lediglich das zulässige Toleranzband um den tatsächlichen Wert.
Durch die drei verfügbaren Genauigkeitsklassen können Gerätehersteller den Sensor nach den realen Anforderungen der jeweiligen Anwendung auswählen, anstatt für jedes System die höchste Spezifikation einzusetzen.
3. Kundenevaluierung: Genauigkeit und Signalstabilität im Test
Maxim wählte zunächst die 0,03-%-FS- und 0,05-%-FS-Versionen, weil seine Anwendung eine besonders hohe Messleistung erforderte.
Die Muster wurden im kundeninternen Kalibrier- und Messaufbau bewertet. Dabei wurde nicht nur die Abweichung von den Referenzdruckwerten betrachtet, sondern auch die Stabilität des Ausgangssignals.
Für die beiden Muster mit verfügbaren Kalibrierergebnissen erfolgten die Kalibriermessungen über den Druckbereich von 0 bis 10 bar nach DKD-R 6-1:2014, Verfahren A.
Als Referenzdruckgerät kam ein Additel ADT761A-500 zum Einsatz.
Die Kundenevaluierung umfasste damit zwei wichtige Perspektiven:
- Messabweichung: Wie nahe lagen die Sensorwerte am Referenzdruck?
- Signalrauschen: Wie stabil blieb das Ausgangssignal bei konstant anliegendem Druck?
Beide Merkmale hängen zusammen, sind aber nicht identisch. Genauigkeit beschreibt die Nähe eines Messwerts zum Referenzwert; Rauschen beschreibt kurzzeitige Schwankungen des Ausgangssignals.
4. Kalibrierergebnisse: 0,05 % FS und 0,1 % FS
Die Kalibrierergebnisse zeigten bei beiden geprüften Versionen sehr geringe Messabweichungen.
Beim 0,1-%-FS-Muster betrug die maximale gemessene Abweichung etwa 0,00147 bar, entsprechend 147 Pa.
Beim 0,05-%-FS-Muster betrug die maximale gemessene Abweichung etwa 0,00044 bar, entsprechend 44 Pa.
Das 0,05-%-FS-Muster zeigte damit eine maximale Messabweichung von etwa einem Drittel des Werts, der beim 0,1-%-FS-Muster beobachtet wurde.
Auch im Vergleich mit Sensoren eines bekannten Schweizer Herstellers fielen die Ergebnisse auf. In Maxims Bewertung erzielte das GP-6210-Muster mit 0,1 % FS bessere Ergebnisse als die geprüften Sensoren dieses Herstellers, obwohl beide eine nominale Genauigkeitsspezifikation von 0,1 % FS aufwiesen.
Dieser Vergleich war besonders ermutigend, weil er zeigte, dass die Leistung des GP-6210 nicht nur auf dem Papier wettbewerbsfähig war, sondern auch in der tatsächlichen Messumgebung des Kunden überzeugte.
Hinweis: Der Zahlenvergleich bezieht sich auf die Muster mit 0,05 % FS und 0,1 % FS, für die Kalibrierergebnisse vorlagen. Das 0,03-%-FS-Muster wurde ebenfalls vom Kunden bewertet und erzielte zu seiner Zufriedenheit sehr gute Ergebnisse; ein numerisches Ergebnis wird hier jedoch nicht angegeben.
5. Signalrauschen: ein entscheidender Faktor bei Dichtheitsprüfungen
Bei Dichtheitsprüfanwendungen erzählt die Genauigkeit allein nicht die ganze Geschichte.
Wenn ein Prüfsystem den Druck über einen bestimmten Zeitraum überwacht, können Schwankungen im Sensorausgangssignal es erschweren, eine tatsächliche Druckänderung vom Messrauschen zu unterscheiden.
Maxim widmete dem Ausgangsrauschen der beiden Muster daher besondere Aufmerksamkeit. Er berichtete:
„Beim Rauschen des 0,1-%-Sensors habe ich Werte im Bereich von ±5 Pa oder etwas besser festgestellt, während der 0,05-%-Sensor wirklich gut war und ±1 oder ±2 Pa zeigte.“
Diese Beobachtungen verdeutlichen die geringe Rauschneigung des GP-6210 unter den Testbedingungen des Kunden.
Ein niedriges Ausgangsrauschen bildet eine wichtige Grundlage, um sehr kleine Druckänderungen beobachten zu können. Die tatsächlich kleinste in einem vollständigen Dichtheitsprüfsystem erkennbare Druckänderung hängt jedoch auch von weiteren Faktoren ab, darunter Prüfvolumen, pneumatische Verbindungen, Temperatureinflüsse, Abtastrate und Signalverarbeitung.
Es ist daher wichtig, zwischen dem beobachteten Sensorrauschen und der garantierten Nachweisgrenze des vollständigen Prüfsystems zu unterscheiden.
6. Warum die 0,1-%-FS-Version einen Unterschied machte
Nach den ermutigenden Ergebnissen mit den 0,03-%-FS- und 0,05-%-FS-Mustern gewann Maxim Vertrauen in die GP-6210-Plattform.
Der nächste Schritt war die Bewertung der 0,1-%-FS-Version.
Da der Produktpreis mit der Genauigkeitsklasse zusammenhängt, bot die 0,1-%-FS-Version die Möglichkeit, die Beschaffungskosten für Sensoren zu senken.
Die Testergebnisse waren positiv: Auch die 0,1-%-FS-Version erfüllte die Anforderungen des Kunden für die betreffenden Dichtheitsprüfanwendungen.
Das war eine wichtige Erkenntnis.
Maxim musste nicht für jedes Dichtheitsprüfgerät den Sensor mit der höchsten Genauigkeitsklasse spezifizieren. Stattdessen konnte er die passende GP-6210-Version entsprechend den Leistungsanforderungen jeder Gerätestufe auswählen.
Beispielsweise:
- Hochleistungs-Dichtheitsprüfgeräte: Die Versionen mit 0,03 % FS oder 0,05 % FS können gewählt werden, wenn die Anwendung höchste Messleistung verlangt.
- Standard-Dichtheitsprüfgeräte: Die 0,1-%-FS-Version kann eingesetzt werden, wenn ihre im Test ermittelte Leistung für die vorgesehenen Prüfanforderungen ausreicht.
Das Ergebnis ist eine flexiblere Produktauswahlstrategie: Die Sensorleistung wird an die tatsächliche Anwendung angepasst, während unnötige Beschaffungskosten vermieden werden.
7. Die Kalibrierergebnisse richtig verstehen
Die Kalibrierzertifikate liefern zudem wichtige Hinweise für die richtige Interpretation der Messergebnisse.
Die maximale Messabweichung und die erweiterte Messunsicherheit sind nicht dasselbe.
So zeigte das 0,05-%-FS-Muster eine maximale Messabweichung von etwa 44 Pa. Im Kalibrierzertifikat wurde außerdem eine erweiterte Messunsicherheit von etwa 0,0201 % FS angegeben, entsprechend rund 201 Pa.
Die Messunsicherheit berücksichtigt Beiträge des Referenzgeräts und des Kalibrierprozesses. Sie darf nicht als zusätzlicher Sensorfehler oder als tatsächlich gemessene Sensorabweichung interpretiert werden.
Wie Maxim erklärte, leistete das Referenzgerät einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtunsicherheit:
„Mit einem ‚besseren‘ Kalibriergerät wäre das Ergebnis noch besser ausgefallen.“
Dies ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei hochgenauen Kalibrierungen: Die Qualität des Referenzgeräts und des Kalibrieraufbaus kann die Unsicherheit des Endergebnisses beeinflussen.
Die Zertifikate wurden nach DKD-R 6-1 erstellt. Sie dokumentieren Ergebnisse einer Werkskalibrierung und sind nicht mit einem DAkkS-akkreditierten Kalibrierschein gleichzusetzen.
8. Ein praxisnaher Ansatz zur Sensorauswahl
Die Bewertung des GP-6210 verdeutlicht ein wichtiges Prinzip für Hersteller von Dichtheitsprüfgeräten:
Der beste Sensor ist nicht zwangsläufig der mit der höchsten nominalen Genauigkeit. Entscheidend ist, dass seine tatsächliche Leistung die Anforderungen der Anwendung zu angemessenen Kosten erfüllt.
Mit drei Genauigkeitsklassen innerhalb derselben Produktplattform bietet der GP-6210 Geräteherstellern mehr Flexibilität bei Produktentwicklung und Beschaffungsentscheidungen.
Anstatt für unterschiedliche Leistungsstufen verschiedene Sensorplattformen vorzuhalten, können Hersteller mit einer Produktfamilie arbeiten und für jedes Gerätemodell die passende Genauigkeitsklasse auswählen.
Für Maxim schuf die Bewertung aller drei Varianten die Grundlage, diese Differenzierung mit Vertrauen vorzunehmen.
9. Fazit: Leistung durch Praxistests belegt
Die Bewertung des GP-6210 begann mit einer anspruchsvollen Anforderung an die hochpräzise Druckmessung. Die ersten Tests der Varianten mit 0,03 % FS und 0,05 % FS lieferten sehr positive Ergebnisse.
Die anschließende Bewertung der 0,1-%-FS-Version zeigte einen weiteren Vorteil: Auch sie konnte die Anforderungen bestimmter Dichtheitsprüfsysteme erfüllen und stellte zugleich eine wirtschaftlichere Beschaffungsoption dar.
Für Kümago liegt darin der Wert einer anwendungsorientierten Produktauswahl. Wir sind nicht der Ansicht, dass jede Anwendung die höchste Spezifikation benötigt. Entscheidend ist, die Messanforderungen zu verstehen und die geeignetste Lösung zu identifizieren.
Drei Genauigkeitsklassen. Eine Druckmessumformer-Plattform. Mehr Flexibilität bei der Entwicklung von Dichtheitsprüfgeräten.
Wenn Sie einen Drucksensor für ein Dichtheitsprüfsystem auswählen, unterstützen wir Sie gerne:
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