10 Dinge, die Sie noch nicht über die Kalibrierung von Messgeräten wussten

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1 10 Dinge, die Sie noch nicht über die Kalibrierung von Messgeräten wussten oder: Welche Messgeräte kann ich selbst kalibrieren? Von Florian Kraftschik Februar 2017 Messstellen bzw. Messgeräte in einer Anlage müssen in gewissen Intervallen kalibriert werden, um die Einhaltung der geforderten Messwertungenauigkeiten nachzuweisen und zu dokumentieren. Dies gilt für alle Messparameter in der Verfahrenstechnik wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Füllstand oder Analyse. In diesem Whitepaper erhalten Sie nützliche Tipps rund um das Thema Kalibrierung von Messgeräten, von denen garantiert einige neu für Sie sein werden. Wetten? 1. Temperaturmessgeräte können bei vertretbarem Aufwand selbst kalibriert werden Verglichen mit anderen Parametern lassen sich Temperatur-Messstellen relativ leicht selbst kalibrieren. Damit erübrigt sich ein externer Kalibrierdienst. Das heißt jedoch nicht, dass die Arbeit trivial ist. Auch hier lauern einige Fallstricke. Am Anfang steht die Anschaffung eines Temperaturofens bzw. Klimaschranks und eines rückführbar kalibrierten Referenzgeräts. Das zu kalibrierende Messgerät wird aus der Anlage ausgebaut, der Ofen auf Temperatur gebracht. Beide Geräte werden in den Ofen eingeführt und schon können die Messwerte verglichen werden. Während der Kalibrierung muss unbedingt die Mindesteintauchtiefe eingehalten werden. Ansonsten kann Wärme nach außen abgeleitet und das Messergebnis verfälscht werden. Die beiden Temperaturfühler, d. h. Referenzgerät und zu kalibrierendes Gerät, sollten räumlich nahe beieinander liegen, damit sie möglichst die gleiche Umgebung messen. Sie dürfen sich dabei jedoch nicht berühren, um sich nicht gegenseitig zu beeinflussen. 1/5

2 2. Durchflussmessgeräte nicht! Die Kalibrierung von Durchflussmessgeräten ist sehr viel aufwendiger als von Temperaturmessgeräten. Da die Geräte in größeren Anlagen in der Regel in verschiedensten Nennweiten verbaut werden, muss die Kalibrieranlage ebenfalls mit verschiedenen Rohrdurchmessern ausgestattet sein. In professionellen Kalibrierlaboren wird dies durch Rohr-Einspann-Messstrecken mit einer Vielzahl an verschiedenen Nennweiten gelöst. Diese Anlagen sind jedoch sehr groß und entsprechend teuer in der Anschaffung. Eine Eigenkalibrierung erfordert außerdem die Anschaffung eines oder mehrerer teurer Durchflussreferenzgeräte, die ebenfalls regelmäßig rückführbar kalibriert werden müssen. Letztlich ist auch das Know-how der Mitarbeiter ausschlaggebend für den Erfolg von Kalibrierprojekten: Hier stellt die Kalibrierung von Durchfluss- Messgeräten sehr hohe Anforderungen an Mitarbeiter und Technik, sodass es sich in der Regel nicht rechnet, Durchflussgeräte in Eigenregie zu kalibrieren. 3. Ein Messwert sagt nichts aus ohne die Angabe von Messungenauigkeiten Messgeräte sind in der Lage, verschiedenste Parameter aus dem Prozess zu erheben und aufzuzeichnen. Aus physikalischen Gründen stimmt der gemessene Wert jedoch nie exakt mit dem tatsächlichen Wert überein. Es kommt stets zu Messungenauigkeiten. Eine wichtige Eigenschaft für die Beschreibung der Genauigkeit deshalb immer auch die nach oben oder nach unten mögliche Abweichung, genannt Messungenauigkeit. Ist diese vergleichsweise gering, ist dies ein Qualitätskriterium für ein Messgerät. Eine geringe Abweichung macht es möglich, Prozesse genauer zu steuern und sie in vielerlei Hinsicht zu optimieren. So kann die Qualität eines Produktes gesteigert werden, wenn beispielsweise zwei Chemikalien unter idealen Bedingungen miteinander reagieren anstatt unter lediglich näherungsweise idealen Bedingungen. Eine genauere Prozesssteuerung kann auch in Energieeinsparungen resultieren, wenn der Prozess näher am Prozesslimit gefahren werden kann. Dies heißt jedoch nicht, dass nun für jede Messstelle eine möglichst geringe Messungenauigkeit angestrebt werden muss. Es gibt durchaus Messstellen, bei denen nicht maximale Genauigkeit erforderlich ist beispielsweise bei der Füllstandmessung in einem Agrarsilo, bei der der Messwert nicht abrechnungsrelevant ist. 4. Messgeräte zur Kalibrierung in ein Labor zu schicken, ist in vielen Fällen teurer als eine Kalibrierung direkt vor Ort Zur Kalibrierung werden Messgeräte oft aus Anlagen ausgebaut und in ein Kalibrierlabor geschickt. Nur unter Laborbedingungen, so die landläufige Meinung, kann die erforderliche Kalibriergenauigkeit sichergestellt werden. Dies ist jedoch nur bedingt richtig. Viele Messgeräte können auch direkt vor Ort kalibriert werden. Dies bringt einige Vorteile mit sich: So lassen sich lange Anlagenstillstände vermeiden, wenn ein Feldgerät ausgebaut, kalibriert und direkt wieder eingebaut wird. Vor Ort können außerdem Fehlerquellen erkannt und beseitigt werden, was bei einer Laborkalibrierung nur begrenzt möglich ist. Der Kalibriertechniker kann Fehler beim Einbau, Verstopfungen oder Verunreinigungen der Rohrleitungen direkt in der Anlage erkennen verbunden mit der Möglichkeit, die Fehlerursache sofort zu beseitigen. Die schnelle Erledigung der Arbeit, der Entfall der Lagerhaltung von eventuellen Ersatzgeräten 2/5

3 und der verringerte Anlagenstillstand sparen bares Geld. Ob Laborkalibrierung oder Kalibrierung vor Ort: Hier gilt es abzuwägen, welche Methode die spezifischen Anforderungen am besten erfüllt. 5. Die Technik der 3-Punkt-Kalibrierung bietet das beste Aufwand-Nutzen-Verhältnis Jedes Messgerät deckt einen bestimmten Messbereich ab, z.b. von -50 C bis 150 C bei einem Temperaturmessgerät oder von 0 kg/h bis 200 kg/h bei einem Durchflussmessgerät. In der Praxis wird jedoch oft nicht der gesamte Dynamikbereich voll ausgenutzt, sondern die Nutzung spielt sich typischerweise in einem Teilbereich des Gesamtmessbereichs ab. Bei dem oben genannten Durchflussmessgerät würde dies bedeuten, dass, obwohl es in der Lage ist, den Bereich von kg/h zu messen, es üblicherweise in einem Arbeitsbereich von kg/h betrieben wird. Für unser Beispiel nehmen wir eine mittlere Durchflussmenge von 80 kg/h an. Anstatt bei der Kalibrierung nun den gesamten Messbereich zu testen, reduziert die 3-Punkte- Kalibrierung die erforderlichen Messungen auf die praxisrelevanten Werte von 70 kg/h (Min.), 80 kg/h (Mittel) und 100 kg/h (Max.). Somit wird sowohl der Minimum- als auch der Maximumwert des Messbereichs überprüft, sowie über den Mittelwert die Linearität der Messkurve getestet. Optional kann als redundante Erweiterung dieser Methode zusätzlich noch ein weiterer Punkt geprüft werden üblicherweise der Nullpunkt des Messgeräts. Die 3-Punkte-Kalibrierung hat sich in der Praxis faktisch weithin als Standard- Kalibriermethode etabliert, da sie den Aufwand geringhält, eine Aussage über Punktgenauigkeit sowie Linearität der Messkurve zulässt und somit ein sehr gutes Aufwand-Nutzen- Verhältnis realisiert. 6. Verlässliche Kalibrierung gelingt nur mit perfekt geschulten Mitarbeitern Bei manchen Messstellen ist die Kalibrierung in Eigenregie gut machbar, in anderen Fällen ist sie jedoch selbst für Experten eine nicht zu unterschätzende Herausforderung. Zunächst gilt es herauszufinden, in welche dieser Kategorien die zu prüfende Messstelle fällt. Mitarbeiter, die für Kalibrierungen oder gar ganze Kalibrierprojekte verantwortlich sind, sollten aus diesem Grund sehr gut geschult sein. Dies betrifft sowohl die Projektplanung inklusive der Minimierung eventuell nötiger Anlagenstillstände, den Aus- und Einbau der Geräte, technisches Kalibrierwissen sowie die Bedienung und das Handling von Werkzeugen und Hilfsmitteln. Darüber hinaus muss dieser Mitarbeiter stets über die aktuell gültigen Vorschriften informiert sein, damit er das korrekte Kalibrierintervall einhalten und die Dokumentation rechtssicher durchführen kann. Denn die Kalibrierung ist der Nachweis und die Dokumentation, dass die zulässigen Messungenauigkeiten eingehalten wurden und als solche relevant bei Audits oder Zertifizierungen. 3/5

4 7. Kalibrieren, verifizieren, justieren, eichen und Rückführbarkeit was ist was? Kalibrieren bezeichnet das Feststellen und Dokumentieren der Abweichung der Messdaten eines Messgeräts gegenüber denjenigen eines anderen (Referenz-)Messgeräts oder einer Maßverkörperung, genannt Normal. Rückführbarkeit bedeutet, dass Messergebnisse durch eine lückenlose Kette an Kalibrierungen auf nationale oder internationale Normale zurückzuführen sind. Hierbei wird ebenfalls bestätigt, dass ein Messgerät die maximal zulässigen Messabweichungen der Normale einhält. Die Sicherheit über die Rückführbarkeit der Kalibrierung kann normalerweise nur durch eine offizielle, von einer Behörde durchgeführte Akkreditierung erbracht werden. Beim Verifizieren wird der Nachweis erbracht, dass ein Messgerät spezifische Anforderungen erfüllt. Es handelt sich hierbei jedoch lediglich um die Frage ob die Prüfung bestanden oder nicht bestanden wurde. Etwaige Messunsicherheiten werden hingegen nicht angegeben. Welche Anforderungen ein Messgerät im jeweiligen Umfeld jedoch erfüllen muss, variiert. Während Kalibrieren und Verifizieren lediglich analytische Operationen sind, ist das Justieren ein Eingriff in das Messsystem. Stellt sich bei einer Kalibrierung die Abweichung eines Messgeräts von der Referenz als unzulässig groß heraus, erfolgt ein Eingriff in das Bezugssystem des Geräts, um das Gerät wieder auf den wahren Bezugswert der Referenz einzustellen. Eine spezielle Anforderung ist die Eichung, bei der eine Kalibrierung von abrechnungsrelevanten Messstellen durchgeführt wird. Eichpflichtige Messstellen können beispielsweise Durchflussmessstellen an Tankstellen (Preisabrechnung), Füllstände in großen Öl-Bunkeranlagen (Verrechnung und Bilanzierung) oder Waagen im Supermarkt (Preisberechnung) sein, die im Interesse der Öffentlichkeit genaueste Messergebnisse liefern müssen. Die Verantwortlichkeit bei der Durchführung von Eichungen liegt bei den Landeseichämtern sowie bei staatlich anerkannten Prüfstellen. Eichung ist somit eine behördliche Amtshandlung und darf nur von Eichbeamten vollzogen werden. 8. und was davon kann ich selbst durchführen? Kalibrierungen können - das Know-how und die technische Infrastruktur vorausgesetzt - in Eigenregie erledigt werden. Manche Messgeräteklassen sind verhältnismäßig leicht, andere nur mit sehr hohem Aufwand zu kalibrieren. Immer dann, wenn die Anzahl der zu kalibrierenden Messstellen hoch ist und teure Anlagenstillstände minimiert werden sollen, ist ein besonderes Augenmerk auf das Projektmanagement zu richten. Wie die Kalibrierung kann auch die Verifikation und die Justierung von Messgeräten selbst geleistet werden. Anders verhält sich dies jedoch bei der Eichung sowie bei der Gewährleistung der Rückführbarkeit. Da erstere eine behördliche Amtshandlung ist, darf sie nur von Landeseichämtern und staatlich anerkannten Prüfstellen von einem Eichbeamten vollzogen werden. Für die Rückführbarkeit wird zwar kein staatlicher Beamter benötigt, jedoch kann nur rückführbar kalibrieren, wer die zwingend notwendige ununterbrochene Kette an Kalibrierungen einhält. Dies kann durch eine Akkreditierung vergeben von einer offiziellen unabhängigen Behörde bestätigt werden. 4/5

5 9. Kalibrierintervalle lassen sich optimieren Ein Anlagenbetreiber hat ein Interesse daran, Kalibrierungen weder zu früh noch zu spät vorzunehmen, sondern dann, wenn sie wirklich notwendig sind. Dadurch spart er Geld, ohne die Sicherheit der Anlage oder die Qualität der Produkte zu gefährden. Ein Faktor zur Festlegung des richtigen Kalibrierintervalls ist dabei die Antwort auf die Frage, wie kritisch eine Messstelle in Bezug auf Sicherheit und Qualität ist. Für die Bestimmung des Kalibrierzyklus gibt es verschiedene Modelle, die sowohl berücksichtigen, wie kritisch eine Messstelle ist, als auch eine statistische Betrachtung der Langzeitstabilität von Messstellen vornehmen. 10. Geräteinterne redundante Elektronikprüftechnologien verlängern das Kalibrierintervall in PLT-Schutzeinrichtungen Besonders streng wird die Prüfung von Feldgeräten in SIL-Umgebungen und in PLT- Schutzeinrichtungen gehandhabt. Verständlich schließlich sind sie die letzten Sicherheitsbarrieren, um schwerwiegende Gefahren abzuwenden. Entsprechend groß ist der Aufwand, der betrieben werden muss, um den Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden. Das Ausfallrisiko und die Ausfallwahrscheinlichkeit von sicherheitsrelevanten Geräten müssen stets unter den maximal zulässigen Grenzwerten bleiben. Ist ein Messgerät jedoch mit Prüftechnologie ausgestattet, die eine fortwährende Selbstüberprüfung mit möglichst hoher Prüftiefe gewährleistet, kann die Kalibrierfrequenz verlängert werden. Dies reduziert wiederum die Kosten, ohne dabei die Sicherheit zu gefährden. 5/5