Manfred Weber
Metra Mess- und Frequenztechnik in Radebeul e.K.
Seit 1954

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Kalibrierung und Messfehler

Bei Einsatz unter Normalbedingungen sind piezoelektrische Sensoren äußerst stabil. Ihre Kalibrierwerte ändern sich kaum über die Zeit. Oft werden Sensoren jedoch unter extremen Bedingungen eingesetzt, z.B. Stoßbelastung, hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit. Daher ist ein regelmäßiger Kalibrierzyklus zu empfehlen. Bei Gebrauch unter Normalbedingungen empfehlen wir eine Nachkalibrierung alle 2 Jahre und bei Einsatz unter Extrembedingungen im Anschluss an jede Messung.

Für eine Werkskalbrierung senden Sie den Aufnehmer bitte an Metra. Unser Kalibrierlabor arbeitet mit einer erstabgeleiteten Referenz der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB).

Viele Firmen ziehen es vor, eigene Kalibrierausrüstungen anzuschaffen. Das kann kosten- und zeitsparend sein, sobald eine größere Anzahl von Aufnehmern im Einsatz ist. Oft ist es auch wünschenswert, den Sensor in einer ganzen Messkette oder Anlage zu kalibrieren, die sich nicht zum Einschicken eignet.

Zu diesem Zweck bietet Metra die batteriebetriebenen Schwingungskalibratoren der Serie VC2x an. Diese liefern ein geregeltes, quarzstabiles Schwingsignal von 10 m/s² (Schwingbeschleunigung), 10 mm/s (Schwinggeschwindigkeit) oder 10 µm (Schwingweg) bei einer Frequenz von 159,2 Hz.

Das Schwingungskalibriersystem VC110 hat eine einstellbare Schwingfrequenz von 70 bis 10 000 Hz. Es liefert 1 m/s² Schwingpegel. Auch Frequenzgänge können mit dem VC110 gemessen werden. Die Bedienung und die Anzeige der gemessenen Empfindlichkeit kann über ein LC-Display oder per PC-Software erfolgen.

Wenn kein Schwingungskalibrator verfügbar ist, kann die Messkette elektrisch kalibriert werden, indem

  • Die Verstärkung des Messverstärkers auf die Empfindlichkeit des Aufnehmers abgeglichen wird. Einige Messverstärker bieten hierzu eine numerische Einstellmöglichkeit.
  • Eingabe der Aufnehmerempfindlichkeit als Korrekturfaktor bei PC-Messsystemen.
  • Ersatz des Aufnehmers durch ein Generatorsignal und Einspeisung der entsprechenden Spannung.

Bitte berücksichtigen Sie, dass der Kalibriergenauigkeit bei Schwingungsaufnehmern technische Grenzen gesetzt sind.
In ISO 16063-21 werden typischerweise erreichbare Kalibrierfehler angegeben:

Parameter
Kalibrierung mit hohen Genauigkeitsanforderungen
(Labor-Kalibrierausrüstung unter kontrollierten Umgebungsbedingungen)
Kalibrierung mit reduzierten Anforderungen
(z.B. mit transportablen Kalibratoren)
Amplitude (0,1 - 1000 m/s²)


Beschleunigungsaufnehmer 0,4 - 1000 Hz
1 %
3 %
Beschleunigungsaufnehmer  1- 2 kHz 2 %
5 %
Beschleunigungsaufnehmer  2 - 10 kHz 3 %
10 %
Geschwindigkeits- und Wegaufnehmer (20 - 1000 Hz)
4 %
6 %
Phasenverschiebung


bei kalibrierter Frequenz und Amplitude des Referenzaufnehmers
1 °

außerhalb der kalibrierten Werte
2,5 °
5 °

Empfohlene Referenzfrequenzen nach ISO 16063-21 sind 8, 16, 40, 80 und 160 Hz bei 1, 2, 5, 10, 20, 50 und 100 m/s² (eff.).

Für die Bewertung der Messergebnisse ist es außerordentlich wichtig, alle Messfehler abzuschätzen. Bei Anwendung von piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern treten drei Fehlergruppen auf:

  • Fehler des Übertragungsfaktors: Kalibrierfehler, Linearitätsfehler, Frequenz- und Phasenfehler, Alterung, Temperatureinfluss durch Temperaturkoeffizienten.
  • Fehler durch Ankopplung an das Messobjekt: Einflüsse der Aufnehmermasse, der Koppelfläche, der Koppelelemente, der Schwingungsrichtung durch den Querrichtungsfaktor
  • Fehler durch Störsignale: Rauschen, Dehnungsbeeinflussung, magnetische Felder (z.B. an elektrischen Maschinen), Temperaturschwankungen, Druckschwankungen (z.B. starker Schall), Verformung durch Kabelbewegung bei nicht festgelegtem Kabel, elektrische und magnetische Einwirkung insbesondere auf lange Kabel, Eigenstörspannung des Kabels bei Bewegung


Systematische Fehler sind rechnerisch korrigierbar, wenn ihr Wirkungsmechanismus bekannt ist. Ihre Auswirkung wird durch uns als Hersteller weitgehend ausgeschlossen oder beschrieben z.B. beim Einfluss der Frequenzabhängigkeit.

Werden die Ergebnisse von Messungen mit sehr ähnlichen Messbedingungen verglichen, z.B. durch Beziehen auf eine Anfangsmessung, so entfallen die meisten systematischen Fehlereinflüsse. Das ist besonders wichtig bei nicht bekannten systematischen Fehlern.

Die meisten Fehler treten zufällig auf bzw. sie lassen sich nicht mit einem berechenbaren systematischen Einfluss korrigieren, da Wirkungsweise und Größe der Ursache nicht bekannt sind.

Bei praktischen Messungen sind die zufälligen Fehler, bekannte, aber schwer korrigierbare systematische Fehler und nicht erfassbare, abzuschätzende systematische Fehler zu einer Kenngröße, der Messunsicherheit, zusammenzufassen.

Das folgende Beispiel soll verdeutlichen, wie die Messunsicherheit sich zusammensetzen kann und welche Größenordnung bei durchschnittlichem Aufwand erreicht wird.

Aufnehmer:

  • Grundfehler 2 %
  • Frequenzfehler (Bandgrenze bei 5% Toleranz) 5 %
  • Linearitätsfehler 2 %
  • Äußere Störeinflüsse 5 %

Nachfolgeelektronik mit Effektivwertbildung:

  • Grundfehler 1 %
  • Frequenzfehler (Bandgrenze bei 5% Toleranz) 5 %
  • Linearitätsfehler 1 %
  • Kurvenformfehler 1 %

Bei der praktischen Schwingungsmessung ist eine Messunsicherheit unter 10% nur erreichbar, wenn die wichtigsten Fehlereinflüsse bekannt sind und die verwendete Messapparatur eine hohe Qualität aufweist.