Labormesstechnik Dezentral und fehlerfrei messen

Besondere Messumgebungen in starken elektromagnetischen Störungen meistern
Besondere Messumgebungen in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Störungen meistern.

Prüfingenieure sehen sich mit ganz besonderen Herausforderungen konfrontiert, wenn es darum geht, z.B. Temperatur, Dehnung, Druck oder Durchfluss eines – eventuell weit entfernten – Prüflings zu messen, der starken elektromagnetischen Störungen ausgesetzt ist oder sich in einer Gefahrenzone befindet

In solchen Messumgebungen setzt man oft auf ein zentralisiertes Konzept, das die Datenerfassung (Analog/Digital-Wandler, Computer) in einem Kontrollraum, der sich in einiger Entfernung vom Prüfling befindet, auslagert. Von dort sind zum Sensor bzw. Messwertaufnehmer am Prüfling lange Kabel nötig, die zusätzliche Messfehler hervorrufen können, wie z.B. durch Störeinkopplung oder durch die evtl. nicht impedanzgerecht angepassten Kabel bzw. durch Unsicherheiten bei der Kalibrierung oder Speisung der Sensoren bzw. Messbrücken. Hinzu kommen bei derartigen Messaufbauten zwangsläufig erhebliche Mehrkosten für die Kabel, für deren Verlegung, Fehlerbehebung und Instandhaltung.

Dezentrale oder zentrale Messwertaufbereitung?

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit sollte man jedoch besser auf eine verteilte, dezentrale Mess-Architektur zurückgreifen, bei der die Messinstrumente möglichst nahe am Prüfling angeordnet sind und die Zusammenfassung der Daten und Ergebnisse über ein robustes Netzwerk erfolgt. Für jeden Kanal getrennte Messwandler mit programmierbarer interner Signalaufbereitung vermeiden dann auch die Nachteile einer langen Sensorik-Verkabelung. Eine dezentrale Topologie schützt aber auch vor Nachbarkanal-Übersprechen durch hohe Spannungen und elektromagnetische Interferenzen, die entstehen, wenn die Signale vieler räumlich verteilter Messkanäle über miteinander verbundene Messfilter (vielleicht in einem Gehäuse untergebracht) laufen und abwechselnd an ein Digitalmultimeter durchgeschaltet werden (via Multiplexer).

Beispiele für solche dezentralen Mess-Architekturen sind die Datenerfassungssysteme von VTI Instruments (CompuMess Elektronik GmbH); sie bieten als Option sogar IP67-Gehäuse zur Anordnung aller Messwandler (z.B. unter PXIe) am Messort, z.B. an Außenseiten eines Flugzeugs während des Flugs, und besonders robuste Koffer oder Racks nach MIL-Standard, die mobile und dezentrale Messdatenerfassung unter rauen Einsatzbedingungen wie z.B. an Deck von Schiffen ermöglichen. Dezentrale Messsysteme müssen komfortable Schaltungen zur autonomen Eigenkalibrierung vor Ort besitzen und gleichzeitig eine DAkkS-/NIST-rückführbare Kalibrierung (Deutsche Akkreditierungsstelle GmbH in Deutschland bzw. National Institute of Standards and Technology in den USA) erlauben. Eine selbstständige Eigenkalibrierung über die gesamte Messkette vom Sensor bis zur Datenaufnahme erzielt verglichen mit anderen Messmethoden einen erheblichen Genauigkeitsgewinn. Sie kompensiert alle Drift-Fehler im Messkreis, die seit der letzten vollständigen Kalibrierung aufgetreten sein können, und lässt sich zudem leicht durchführen. Die Vorteile von vereinfachtem Aufbau und verbesserter Leistungsfähigkeit der dezentralen Messverfahren bedeuten jedoch neue Herausforderungen hinsichtlich Synchronisierung und Erfassung zeitlicher Abfolgen sowie bei der Datenverarbeitung.

Das Prinzip der dezentralen Datenerfassung

Die Methode, Messgeräte zur Datenerfassung am Prüfling oder in seiner Nähe zu platzieren, kann entscheidende Vorteile mit sich bringen, zum Beispiel

  • Schnellerer Aufbau
  • Einfachere Kalibrierung und Instandhaltung
  • Geringere Distanz zwischen Stromversorgung und Sensor
  • Reduzierte Verkabelungskosten und weniger Rauschen
  • Geringerer Aufwand bei der Fehlersuche
  • Mobilität

Die genannten Vorteile gelten für die gesamte Nutzungsdauer eines Projekts von der Installation über die Instandhaltung und den Support bis zur Kali­brierung. Einsparen lässt sich bereits in der Aufbauphase, da für die Kabel und deren Installation sowie für Fehlersuche und Testen wesentlich niedrigere Kosten anfallen. Eine vereinfachte Kalibrierung und Sensorversorgung verbessert zudem die Handhabung. Darüber hinaus wird das Rauschen in den Signalleitungen zum Messwandler reduziert und eine häufigere Kalibrierung möglich, was die Grundgenauigkeit erhöht.

Betrifft die Messgenauigkeit: die Systemkalibrierung

Prüfingenieure müssen sich auf fehlerfreie Ergebnisse ihrer Messgeräte verlassen können. Dieses Vertrauen wird vor allem durch die Kalibrierung der Instrumente und deren Rückführbarkeit geschaffen. Um die Kalibrierung eines Messgeräts nach diesen Grundsätzen zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen, stehen (inter-)national rückführbare Normale bereit, die sich ihrerseits in ununterbrochener Kalibrationskette letztlich auf die Definitionen von zugrundeliegenden SI-Einheiten zurückführen lassen. Die Kalibrierung gilt häufig als ein ebenso unangenehmer wie unvermeidbarer Arbeitsgang, der ein Zerlegen der Anlagen und Stillstandszeiten mit sich bringt.

Meist müssen die Prüfingenieure die Prüfstände auseinander bauen und jedes einzelne Instrument zur Kalibrierung an das jeweilige Herstellerwerk senden. Kostenintensive Alternativen sind das Vorhalten von Austauschinstrumenten, die Beauftragung eines externen Kalibrierdienstes oder die Einrichtung eines hauseigenen Kalibrierlabors. Können für den Arbeitsschritt „Kalibrierung“ die Kosten und die Stillstandszeiten reduziert werden, kommt dies letztendlich allen Prüf- und Messanwendungen zugute.

Führende Messinstrumentehersteller haben erhebliche Entwicklungskapazitäten in die Vereinfachung des Kalibriervorgangs investiert. Gleichzeitig wurde die Funktion erweitert, um konstant hohe Messgenauigkeit zu garantieren. Neben den Vorteilen einer dezentralen Messung über Ethernet mit LXI (LAN eXtentions for Instrumentation, erweiterter Befehlssatz für Geräte in lokalen Netzwerken) ermöglichen jetzt auch in die Messgeräte integrierte Präzisions-Spannungsreferenzen eine komfortable und zuverlässige Kalibrierung. Besonders der LXI-Standard erlaubt Herstellern, einen komplexen, aber anwenderfreundlichen Kalibrierprozess direkt in der Firmware des In­struments abzulegen, so dass eine vollständige Neukalibrierung auf Knopfdruck und in Minutenschnelle möglich ist. Eine ergänzend integrierte Präzisions-Spannungsreferenz lässt eine autarke Eigenkalibrierung zu, die der Endanwender jederzeit anstoßen kann. Auf diese Weise lassen sich Messungen mit höchster Präzision unabhängig von Änderungen der Umgebungsbedingungen ausführen.

Eine im LXI-Standard definierte Web-Oberfläche fügt sich nahtlos in den Kalibrierprozess und rationalisiert ihn weiter – er wird zudem komfortabler und kosteneffektiver. Für eine DAkkS/NIST-rückführbare, komplette Neukalibrierung werden ein Steuerrechner und ein Präzisionsvoltmeter benötigt. Nachdem das Voltmeter mit Hilfe von Bananensteckern an das zu kalibrierende Gerät angeschlossen wurde, wird mit einem gängigen Internet-Browser die Web-Oberfläche aufgerufen. Nun muss nur noch der Menüpunkt zur Durchführung einer automatischen, vollständigen Neukalibrierung angeklickt werden.

Die Firmware des Geräts kann zum Messen der eingebauten Präzisions-Spannungsquelle auf Kompatibilität mit verschiedenen Voltmetern ausgelegt werden, so dass herstellerübergreifend eine Erkennung und Kommunikation möglich ist. Das Gerät kann den kalibrierten Spannungsmesswert abspeichern und seine interne Präzisionsquelle dann jeweils über seine Messsignaleingänge einspeisen, um mit hoher Wiederholgenauigkeit eine interne Kalibrierung vorzunehmen. Verglichen mit anderen Verfahren erfordert dieses nur sehr geringe Anwendereingriffe und kommt ohne die Entwicklung von Kalibrier-Software aus. Dank der vereinfachten Einrichtung der Messgeräte kann dieser Vorgang nahezu überall ausgeführt werden. Anstatt also das Gerät in ein Kalibrierlabor zu bringen, können Prüfingenieure das Kalibrierlabor zum Gerät bringen. Vor jedem Zyklus einer Datenerfassung kann das betreffende Gerät entweder per Software-Befehl oder über die Web-Oberfläche zur Selbstkalibrierung angestoßen werden. Vor jeder Messung können die Anwender auf Wunsch diesen Selbstkalibriervorgang starten, für den die Präzisionsquelle intern an den gerade verwendeten Signaleingang geschaltet wird. Sobald sich die thermischen Umgebungsbedingungen des Geräts ändern, lässt sich der Vorgang erneut starten, um stets die größtmögliche Messgenauigkeit zu gewährleisten.