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. Ein praktisch
erreichbarer Wert für die Kalibrierunsicherheit ist ± 2%.
Für die Bewertung der Messergebnisse ist es außerordentlich wichtig,
die 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 %
Die quadratische Addition der Einzelfehler ergibt für dieses
Beispiel eine Messunsicherheit u = 9%.
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.
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