Messtechnik
Wieso Kalibrieren ?
Messungen spielen eine entscheidende Rolle in Wissenschaft und Technik. Ohne die Durchführung präziser Messungen können Geräte und Maschinen nicht entwickelt und hergestellt, wissenschaftliche Theorien nicht überprüft und beispielsweise in Nachrichtenübermittlungen Fehler auftreten.
In den letzten Jahren sind die Forderungen an die Genauigkeit der Meßeinrichtungen erheblich gestiegen. Die ursprünglichen Eigenschaften der Meßgeräte unterliegen infolge Alterung der verwendeten Bauelemente und Abnutzung mechanischer Bauteile einer natürlichen Änderung. Diese Vorgänge führen zu einer Minderung der Genauigkeit und zwingen zu einem regelmäßigen Nachprüfen (Kalibrieren) beziehungsweise einem eventuellen Nachstellen (Justieren) der Meßgeräte. Auch im Sinne einer Prüfmittelüberwachung und Rückführung auf nationale Normale nach DIN EN ISO-9001, ist eine Kalibrierung dringend erforderlich.
Wer kalibriert denn ?
Hersteller moderner Nachrichtengeräte oder reine Kalibrierdienstleister messen der Instandhaltung der Betriebsmittel, dazu zählen Wartung, Kalibrierung und Reparatur, höchste Bedeutung zu. In ihren Kalibrier- und Instandhaltungszentren bieten sie Dienstleistungen für interne und externen Kunden an.
Alle Präzisionsmessungen erfolgen in klimatisierten Räumen (Temperatur und relative Luftfeuchte), deren Umgebungsbedingungen ständig aufgezeichnet und dokumentiert werden.
DKD ?
Ein DKD Kalibrierlaboratorium ist Mitglied des Deutschen Kalibrierdienstes (DKD) und dort akkreditiert. Es ist damit von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) anerkannt und unterliegt deren strenger Überwachung und regelmäßigen Kontrollen. Der DKD wurde 1977 in Deutschland als gemeinsames Projekt von Industrie und Staat gegründete und arbeitet heute eng mit anderen Kalibriervereinigungen in Europa zusammen. Der DKD stellt durch Verträge zwischen der PTB und der Kalibrierstelle die Rückführbarkeit von Normalen und Meßeinrichtungen auf nationale Normale durch Akkreditierung sicher. Mit der Einbindung des DKD in die European cooperation for Accreditation of Laboratories (EAL) ist eine europaweite Anerkennung der DKD-Kalibrierscheine gewährleistet. Dies ist auch im Sinne der Produkthaftung und ISO-9000 Zertifizierung von hohem Wert.
DAKKS ?
Neue Akkreditierungen werden nicht mehr vom DKD, sondern vom DAKKS durchgeführt. Darüber wird später hier mehr stehen.
Allgemeine Bemerkungen zur Messtechnik
Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Institut für Metrologie (Meßwesen). Sie ist die Akkreditierungsstelle für den Deutschen Kalibrierdienst (DKD).
Die Bezugsnormale der Kalibrierstelle werden bei der PTB oder auch einer anderen DKD-Stelle kalibriert. Dadurch ist die Rückführung der Messgröße an das internationale Einheitensystem sichergestellt.
DKD
Der Deutsche Kalibrierdienst (DKD) stellt die Rückführbarkeit von Meß- und Prüfeinrichtungen auf nationale Normale durch Akkreditierung und laufende Überwachung von Kalibrierlaboratorien sicher. Er wurde im Jahre 1977 vom Bundesministerium für Wirtschaft, dem BDI und der PTB als gemeinsames Projekt von Staat und Wirtschaft gegründet. Der DKD ist nicht nur bei elektrischen Meßgrößen tätig, aber hier sind die größten Aktivitäten gefolgt von der Mechanik.
Beim Kalibrieren eines Meßgerätes wird die Abweichung der Anzeige von zugehörigen richtigen Werten festgestellt und im Kalibrierschein mit der dazu berechneten Meßunsicherheit dokumentiert.
Ob die geforderten Eigenschaften eines Prüfobjekts eingehalten werden, wird als Prüfen bezeichnet.
Das Eichen ist eine Prüfung nach dem Eichgesetz und bleibt deswegen den staatlichen Eichstellen vorbehalten.
Akkreditierung im DKD
Die Hauptarbeit bei der Akkreditierung im DKD ist die Erstellung des Antrags.
Außer einem kurzen Antragsformblatt ist ein Qualitätssicherungshandbuch nach DKD-6 zu erstellen. Hierbei geht es um formelle Dinge wie Management, Dokumentation, Ablagesystem, Personal und auch Räumlichkeiten.
Einen erheblichen Umfang haben die Meßplatzbeschreibungen mit folgenden Punkten:
* Beschreibung des Meßverfahrens
* Aufstellung der Normale und Meßgeräte
* Modellgleichung für das Verfahren
* Meßunsicherheitsbudgets
Die Berechnung von Messunsicherheiten mit der Erstellung von Messunsicherheitbudgets ist in der DKD-3 Schrift verbindlich festgelegt.
Ermittlung von Meßunsicherheiten
Die in dem Kalibrierschein angegebene Unsicherheit gilt für eine Überdeckungswahrscheinlichkeit von 95% bei Normalverteilung. Aus der erweiterten Meßunsicherheit UKal läßt sich die Standardmeßunsicherheit uKal bestimmen wobei mit dem Erweiterungsfaktor k=2 zu rechnen ist.
Meßunsicherheitsanteile
Um die Gesamtmeßunsicherheit für eine Messung zu ermitteln, muß man die Fehlereinflüsse, die bei der Messung auftreten, kennen oder bestimmen. Erst dann kann man die Modellgleichung für die Meßunsicherheits- berechung aufstellen. Die Einflüsse können in vier Blöcke eingeteilt werden.
Meßgeräte
Hierzu gehören Normal und Prüfling. Beim Normal ist die eigene Meßunsicherheit, die auch der Spezifikation des Gerätes entsprechen kann, aber auch die Rekalibrierungsfristen zu beachten. Bei beiden ist die Standardabweichung durch Mittelung, die Auflösung (z.B. Anzeige [Digit]) und Rauscheinflüsse von Bedeutung.
Umgebungsbedingungen
Zu den Umgebungsbedingungen gehören Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte aber auch Netzstörungen/EMV. Der Haupteinfluss auf Normale ist in unserer Praxis die Temperatur. Gelegentlich lassen sich die Wirkungen der Einflüsse (z.B. Temperaturkoeffizient) bestimmen um so die Meßwerte zu korrigieren.
Meßaufbau
Dem Meßaufbau wird zu Unrecht oft zu wenig Beachtung geschenkt.
So ist Schutzschirmtechnik (Guard-Technik) geeignet den Einfluß von Gleichtaktspannungen herabzusetzen.
Ein- und Ausgangsimpedanzen sind häufig Quellen von unbekannten Abweichungen. Das können belastete Teiler, Reflexionsfaktoren bei HF-Messungen (sehr starker Einfluß) und frequenzabhängige Impedanzen sein.
Leitungs- und Kontaktwiderstände wirken sich grundsätzlich auf Messungen aus. Allerdings ist der Einfluß unterschiedlich groß. So müssen aus diesem Grund Widerstände unter 1MOhm bei Präzisionsmessungen immer vierpolig angeschlossen werden. Für Strommessungen sind dicke Kabel zu verwenden. Bei HF-Messungen sind den Steckern und Buchsen, sowohl mechanisch wie elektrisch eine großer Beachtung zu schenken. Daß die Dämpfung bei HF-Kabel mit zunehmender Frequenz und Länge stark ansteigt sollte bekannt sein.
Isolationswiderstände wirken sich negativ bei der Messung hoher Widerstände und kleiner Stromstärken aus. Sie liegen parallel zu dem zu kalibrierenden Widerstand oder speisen Leckstöme ein. Speziell isolierte Kabel sowie Schutzschirme mindern die störenden Einflüsse. So ist bei Messungen über 10 kOhm unbedingt eine Berührung unserer Standardmesskabel zu verhindern.
Auch die Leitungsführung (möglichst kurze Meßkabel, keine Schleifen, nicht über Netzleitungen führen), die Schirmung (abgeschirmte Leitungen für störempfindliche Signale verwenden) und die Erdung (nur an einer Stelle erden, stern- oder baumförmig, um Erdschleifen zu vermeiden) sind Maßnahmen zur Verringerung der äußeren Störeinflüsse. So sind auch die Nullkapaziäten bei LCR-Meßbrücken stark von den Anschlussleitungen und deren Lageveränderung abhängig.
Thermospannungen entstehen bei Temperaturgradienten oder bei Paarungen unterschiedlicher Materialien (z.B Kabelstecker-Anschlussbuchsen) auf. Sie können unter Umständen durch eine "Nullmessung" ermittelt und korrigiert werden. Fast ganz vermeiden lassen sie sich durch reine Kupferverbindungen.
Beobachter
Dem Beobachter (Kalibrierer) können Ablesefehler oder Übertragungsfehler passieren. Hier sind die digitalen Meßgeräte weniger betroffen als die Analogen.
Auch der Rechner, der Meßwerte ausliest und bearbeitet, ist ein Beobachter. Jedoch lassen sich Fehler in rechnergesteuerten Meßplätzen durch vorheriges aufwendiges Testen leichter vermeiden. Dabei sollte jedoch auf die gute Bedienbarkeit Wert gelegt werden, damit sich nicht doch unnötige Fehler einschleichen. Der Bediener des Programms sollte trotzdem die Ergebnisse auf Plausibilität überprüfen, als zusätzliche Kontrolle.
Auch die Person selbst übt unbewust gelegentlich Einfluss auf die Messergebnisse aus. So erzeugt das Anfassen von Kontakten und Thermistoren Thermospannungen, die nicht zu unterschätzen sind. Auch elektrische Ladungs- änderungen durch Bewegung bei hochohmigen Messungen lassen beliebige Ergebnisse zu.
Auch die Temperaturstrahlung des Menschen ist zu beachten.
und nun ?
Wenn man sich über die relevanten Fehlereinflüsse klar ist, muss man sie an Hand von Unterlagen oder der Erfahrung als Zahlenwert bestimmen.
Was sind Erfahrungen?
Das ist, wenn man weiß was man tut und was so alles dabei passieren kann. Diese "Passieren" ist durch Probemessungen z.B. durch Änderung der Anschlußtechnik zu verifizieren.
Rückführbarkeit (Traceability)
Das minimale Meßunsicherheitsverhältnis zwischen Prüfling und Normal sollte bei den Messungen möglichst eingehalten werden. Da die Meßunsicherheit moderner Meßgeräte immer geringer werden, sind die folgenden Forderungen gelegentlich nicht einhaltbar. Dies erfordert dann aufwendigere Meßunsicherheitsberechnungen.
Es gilt: Für mechanische Anwendungen: 10:1;Für elektrischen Anwendungen (HF): zwischen 4:1 und 1:1 Für elektrischen Anwendungen (NF): 4:1 (MIL-STD 45662A)
Auflösung - Meßunsicherheit
Die Auflösung gibt den kleinsten darstellbaren Wert eines Meßinstumentes an.
Die Meßunsicherheit gibt den Fehler an, mit dem ein Meßinstrument einen Meßwert anzeigt. Sie ist in der Regel schlechter als die Auflösung.
Relative Meßunsicherheitsangaben
Relative Meßunsicherheitsangaben sind dimensionslos und werden teils in Prozent oder ppm (parts-per-million) angegeben.
1*10-2 1% 10 000ppm
1*10-3 0,1% 1 000ppm
1*10-4 0,01% 100ppm
1*10-5 0,001% 10ppm
1*10-6 0,0001% 1ppm
Angaben der Einheiten und Meßunsicherheiten im Kalibrierschein:
In der Überschrift (z.B.): Leistung in W
Formelzeichen und Einheiten sind genormt!
Direkt beim Meßwert (z.B.): 100 (1 ± 1%) Ohm
oder 100 (1 ± 1*10-2) Ohm
oder (100 ± 1) Ohm
oder 100 Ohm ± 1 Ohm
Das bedeutet das der Meßwert zwischen 99 Ohm und 101 Ohm liegen kann.