Wissen aus dem Bereich der mechanischen Kalibrierung
Die Wissensseite Messgrösse Mechanik bietet Ihnen Informationen rund um die mechanischen Messgrössen. Sie erhalten Antworten auf Fragen zu den Themen Druckmessgeräten, -sensoren, -arten und -kalibrierungen.
Hier finden Sie Antworten auf die folgenden Fragen:
- Auf welchen Druckmessverfahren basieren Druckmessgeräte?
- Welche mittelbaren Druckmessgeräte gibt es?
- Welche Drucksensoren gibt es?
- Übersicht über die Druckarten
- Wie wird die Kalibrierung von Druckmessgeräten durchgeführt?
- Möglichkeiten der Druckkalibrierung?
- Wie funktioniert ein Rohrfedermanometer?
- Wie funktioniert das Prinzip eines Differenzdruck-Messgerätes mit Plattenfeder?
- Welche Referenzarten werden für die Druckkalibrierung unterschieden?
- Wie erfolgt die Kalibrierung von Drehmomentschlüsseln und Drehmomentaufnehmern?
- Wie erfolgt die Kalibrierung des Drehwinkels?
- Wie erfolgt die Kalibrierung im Bereich Kraft?
Auf welchen Druckmessverfahren basieren Druckmessgeräte?
Die Verfahren zur Messung von Druck sind nach den zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien unterscheidbar. Hierbei wird zwischen unmittelbar und mittelbaren Druckmessgeräten unterschieden. Ein unmittelbares Druckmessgerät bezieht sich direkt auf die Definition der physikalischen Grösse Druck, hierzu zählen z.B. Kolbenmanometer und Flüssigkeitsmanometer. Mittelbare Druckmessgeräte machen sich sekundäre physikalische Effekte zunutze und leiten den Druck hierdurch ab, d.h. sie messen Grössen, wie z.B. mechanische oder elektrische, die in einem eindeutigen Zusammenhang zum Druck stehen. Hierzu zählen z.B. Druckmessgeräte mit federelastischen Messgliedern (Rohrfeder-Manometer, Plattenfeder-Manometer, usw.) und Drucksensoren.
Welche mittelbaren Druckmessgeräte gibt es?
Grundlegend unterscheidet man zwischen federelastischen und elektronischen Druckmessgeräten. Druckmesser mit federelastischen Messgliedern verbinden eine hohe messtechnische Güte, einfache Bedienbarkeit, Robustheit und Anpassungsfähigkeit mit den Vorteilen einer industriellen und kostengünstigen Herstellung. Bei federelastischen Messgliedern entfallen aufwendige elektrische oder pneumatische Versorgungen. Unter elektronischen Druckmessgeräten oder auch Druckaufnehmern versteht man eine weitverbreitete Form von Drucksensorelementen. Ein Drucksensor ist ein Messelement, welches die physikalische Messgrösse Druck in eine elektrische Größe umwandelt.
Welche Drucksensoren gibt es?
Häufig verwendete Sensor-Methoden sind folgende:
- Dünnfilm-Dehnungsmess-Streifen
- Keramischer Dickschichtsensor
- Piezoresistives Sensorelement
- Piezoelektrisches Sensorelement
- Kapazitive Sensoren
Werfen Sie einen Blick in die themenspezifische Fibel:
Übersicht über die Druckarten
Druckmessungen vergleichen einen aktuellen Druck mit einem Referenzdruck. In der Druckmesstechnik werden vier Druckarten unterschieden, die eine Aussage über die Beziehung vom Messdruck zum Referenzdruck zulassen.
Absolutdruck (p abs)
- gemessener Druck über absolut Null
- Referenz: ideales Vakuum
- Messdruck immer grösser als Referenzdruck
Relativdruck (p rel)
- Bei der Relativdruckmessung wird die Differenz zum herrschenden Umgebungsdruck gemessen.
- Dieser ist abhängig von diversen Parametern (z.B. Abstand zum Meeresspiegel)
- Relativ zu diesem wird von positivem und negativem Überdruck gesprochen
positiver Überdruck (gauge)
- gemessener Druck über dem barometrischen Tages-Luftdruck
- Referenz: Umgebungsdruck
- Messdruck immer grösser als Referenzdruck
negativer Überdruck (Vakuum)
- gemessener Druck unter dem barometrischen Tages-Luftdruck
- Referenz: Umgebungsdruck
- Messdruck immer kleiner als Referenzdruck
Differenzdruck (Δ p)
- gemessener Druck über oder unter einem beliebigen Referenzdruck
- Messdruck kleiner oder grösser als Referenzdruck
Wie wird die Kalibrierung von Druckmessgeräten durchgeführt?
Die Kalibrierung von Druckmessgeräten kann nach verschiedenen Abläufen durchgeführt werden. Welcher Ablauf durchgeführt wird, hängt hierbei von der Klassengenauigkeit des zu kalibrierenden Messgerätes ab. Vor der Messung einer Messreihe ist eine Vorbelastung durchzuführen, um sicherzustellen, dass das komplette Leitungssystem dicht ist. Hierbei wird Druck auf den Messbereichsendwert des Gerätes beaufschlagt, nach einer Haltezeit von ca. 30 Sekunden kann der Druck wieder vollständig abgelassen werden. Bei instabilem Druck ist zuerst die Dichtigkeit des Leitungssystem zu gewährleisten, ist der Druck stabil kann mit der Kalibrierung begonnen werden. Dazu werden mehrere Messpunkte (die gleichmässig über den Messbereich verteilt sind) zuerst von unten nach oben (im Aufwärtsgang) und danach auch von oben nach unten (im Abwärtsgang) angefahren. Die Haltezeiten, Messpunkte und die Anzahl der Vorbelastungen hängt hierbei vom gewählten Kalibrierablauf (A / B / C) ab.
Möglichkeiten der Druckkalibrierung?
Möglichkeiten der Druckkalibrierung: Zur Kalibrierung von Druckmessgeräten werden vorzugsweise folgende Messsysteme verwendet:
- Druckwaagen (Kolbenmanometer)
- Quarzwendelmanometer
- Druckkalibratoren und -controller
Wie funktioniert ein Rohrfedermanometer?
Rohrfedermanometer sind eine der am häufigsten eingesetzten mechanischen Druckmessgeräte. Das Prinzip beruht auf einer elastischen Feder (welche auch Bourdonfeder genannt wird) und einem kreisförmig gebogenen Rohr mit ovalem Querschnitt. Wird auf den Innenraum der Rohrfeder Druck beaufschlagt, verändert sich der Querschnitt und es entsteht eine Ringspannung, welche den Radius der kreisförmigen Feder vergrössert. Diese Auslenkung ist das Mass für den Druck. Um den relativ kleinen Weg am Ende einer solchen Feder sichtbar zu machen, benutzt man ein Zeigerwerk. Dieses vergrössert den Weg und wandelt ihn in eine Drehbewegung um.
Wie funktioniert das Prinzip eines Differenzdruck-Messgerätes mit Plattenfeder?
Ein Differenzdruck-Messgerät besitzt zwei Mess-Stoffräume (Plus und Minus) welche durch die Plattenfeder getrennt sind. Die Metall-Faltenbälge dichten die Druckräume gegenüber der Atmosphäre ab. Die Druckdifferenz zwischen Plus- und Minus-Mess-Stoffraum ruft eine axiale Messgliedauslenkung (Messweg) hervor. Dieser Messweg wird über die Schubstange auf das Zeigwerk übertragen und wandelt so den Messweg in eine Zeigerbewegung um.
Diese Messgeräte werden vorwiegend eingesetzt zur:
- Überwachung von Filteranlagen durch Anzeige des Druckverlustes
- Füllstandsanzeige an offenen und geschlossenen Behältern
- Durchflussmessung für Fluide (Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe)
Welche Referenzarten werden für die Druckkalibrierung unterschieden?
In unserem Drucklabor unterscheiden wir die Kalibrierung nach zwei Referenzen: Druckwaagen und Druckregler. Druckregler verfügen über eine hohe Genauigkeit, sind automatisierbar, regeln selbständig die geforderten Drücke und eignen sich somit hervorragend für die Kalibrierung Ihrer Gebrauchsnormale. Für Ihre Bezugsnormale greifen wir auf das aufwändigere Verfahren, der Kalibrierung mittels Druckwaagen, zurück. Eine Druckwaage macht sich die physikalische Eigenschaft von Druck zu nutze. Hierbei wird mit Hilfe einer Massescheibe und eines Kolben-Zylindersystems der notwendige Druck erzeugt. Mit diesem bewährten Verfahren können die notwendigen Genauigkeiten zur Kalibrierung von Bezugsnormalen erreicht werden.
Wie erfolgt die Kalibrierung von Drehmomentschlüsseln und Drehmomentaufnehmern?
Für die Kalibrierung von Drehmomentschlüssel kommen grösstenteils Automatische und Handbetriebene Messplätze zum Einsatz. Hierbei rotiert der Drehmomentaufnehmer und leitet somit die gewünschten Momente in das Schraubwerkzeug ein. Normative Vorgabe ist hierbei, dass dies, je nach Prüfmittel, an drei unterschiedlichen Stufen durchzuführen ist und jeweils fünf Mal wiederholt werden muss. Die aktuell gültige Norm DIN EN ISO6789:2017 definiert die Prüfstufen klar und deckt den kompletten Messbereich des Prüfmittels ab. Das Vorgehen zur Kalibrierung von Drehmomentaufnehmern weicht hiervon ab. Drehmomentaufnehmer werden kontinuierlich kalibriert, um z. B. Einflüsse durch Kurzzeitkriechen auszuschliessen.
Wie erfolgt die Kalibrierung des Drehwinkels?
Bei der Kalibrierung von Drehwinkel wird zwischen direkt und indirekt messenden Systemen unterschieden. Direkt messende Systeme messen den Drehwinkel über z. B. einen Glasmassstab. Diese Sensoren werden möglichst Querkraft- und spannungsfrei in der Kalibriereinrichtung verbaut und stufenweise die einzelnen Messreihen abgefahren. Indirekt messende Systeme sind meist in Form eines Gyroskops in Drehmomentschlüsseln verbaut. Zur Kalibrierung muss zusätzlich zum Drehwinkel auch ein Drehmoment anliegen und während der Messung aufrecht erhalten bleiben.
Wie erfolgt die Kalibrierung im Bereich Kraft?
Die Kraftmessung findet in einer für Kalibrierung optimierten Materialprüfmaschine statt, welche die nötige Steifigkeit und auch Rechtwinkligkeit vorweist. Zug- sowie Druckkräfte können stufenweise über Spindeln steigend und fallend angefahren und gehalten werden. Eine hohe Flexibilität bei der Auswahl der Messpunkte zeichnet diese Kalibrierung aus.