Druckschalterkalibrierung

Druckschalter sind weit verbreitete Geräte in der Prozessindustrie und diese gibt es in verschiedenen Ausführungen. Wie bei vielen Geräten üblich, müssen Druckschalter kalibriert werden, um ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Schalter sind etwas schwieriger zu kalibrieren als Transmitter. Eine falsche Kalibrierung kann zu vielen Fehlern im Kalibrierergebnis führen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Druckschalter richtig kalibriert werden.

Bevor wir jedoch mit dem Kalibrierprozess beginnen, befassen wir uns mit einigen grundlegenden Eigenschaften und der Terminologie von Druckschaltern.

Inhaltsverzeichnis:

• Wie funktioniert ein Druckschalter?
• Terminologie zum Druckschalter
  • Schließer / Öffner
• Sicherheitsdruckschalter
• So werden Druckschalter kalibriert
  • Vorbereitungen & Sicherheit
  • Druckrampe
  • Messung des Schaltausgangs
  • Erfassen der Schaltpunkte
  • Verzögerte Ausgabe
• Schritte zur Druckschalterkalibrierung
• Dokumentation, messtechnische Rückführbarkeit, Kalibrierunsicherheit
• Beamex-Lösungen

Wie funktioniert ein Druckschalter?

Kurz gesagt handelt es sich bei einem Druckschalter um ein Gerät, mit dem Druck gemessen wird. Er verfügt über eine elektrische Schaltfunktion, die so programmiert ist, dass diese bei einem bestimmten Druck schaltet.

Dieser kann beispielsweise so eingestellt werden, dass wenn kein Druck angeschlossen ist (gegen die Atmosphäre offen) der Schalter geschlossen bleibt, wenn aber der Druck 1 bar überschreitet, sich der Schalter automatisch öffnet. Wenn der Druck erneut unter 1 bar fällt, schließt der Schalter wieder.

Terminologie zum Druckschalter

Wir gehen zunächst etwas näher auf die entsprechende Terminologie ein:

Schließer / Öffner

Bei einigen Schaltern sind die Schaltkontakte offen, wenn kein Druck angeschlossen ist, was als Schließer (normally open, NO) oder als Arbeitskontakt bezeichnet wird. Im umgekehrten Fall spricht man von einem Öffner (normally closed, NC) oder Ruhekontakt. Die Auswahl hängt davon ab, welche Art von Schaltkreis mit dem Schalter gesteuert werden soll.

Was bedeutet "normally" innerhalb „normally closed/open“? Gegenwärtig bestehen gewisse Unklarheiten in Bezug auf die Definition des „normally open/closed“-Schalters. Am häufigsten wird mit der Bezeichnung der Zustand definiert, in welchem sich der Druckschaltkontakt befindet, wenn er nicht mit Druck verbunden ist, d.h. keine physikalische Aktivität vorliegt.

Andere definieren den "normalen" Zustand als den Zustand, in dem sich der Schalter während des normalen Betriebs befindet (nicht ausgelöst).

Ein NO-Schalter, also Schließer, ist offen, wenn kein Druck angeschlossen ist. Bei genügend Druck schließt der Schalter:

Ein NC-Schalter, also Öffner, ist geschlossen, wenn kein Druck angeschlossen ist. Bei genügend Druck öffnet der Schalter:

Bei einem Schalter gibt es immer eine gewisse Hysterese, die sich aus der Differenz zwischen den beiden Schaltpunkten (Öffnungs- und Schließpunkt) ergibt. Würde ein Schalter am gleichen Punkt öffnen und schließen, könnte er anfangen zu oszillieren, wenn der Druck an dieser Grenze liegt. Aus diesem Grund ist eine Schalthysterese erforderlich. Außerdem könnte es den Schaltkreis mit einer hohen Frequenz ein- und ausschalten, wenn keine entsprechende Hysterese vorhanden wäre. Beispielsweise kann ein Schließer bei einem Druck von 1 bar schließen und bei einem Druck von 0,9 bar wieder öffnen, sodass es eine Hysterese von 100 mbar gibt.

Einige Schalter werden für Anwendungen bei steigendem Druck eingesetzt, andere bei fallendem. Sicherlich arbeiten die Geräte in beide Richtungen, aber die primär erwünschte Funktion betrifft nur eine Richtung.

Es gibt Druckschalter, die mit verschiedenen Druck-Typen arbeiten: Relativ-, Absolut-, Differenz- oder Unterdruck (Vakuum).

Einige ältere Schalter sind mechanisch (oder sogar pneumatisch), sodass im Inneren des Schalters der Druck direkt bewirkt, dass der Schalter seinen Zustand ändert. Die meisten neueren Schalter-Typen sind elektronisch oder digital, sodass der Druck gemessen und der Schaltausgang entsprechend gesteuert wird. Viele moderne Schalter sind programmierbar; die gewünschten Schaltpunkte können in dieser Form einfach eingestellt werden. Während mechanische Schalter keine Stromversorgung benötigen, müssen die elektronischen Schalter über eine solche verfügen.

Bei der Auswahl des Schalter-Typs sollte der Schaltzustand berücksichtigt werden, sodass bei Ausfall der Stromversorgung oder bei Lockerung des Kabels der Schaltzustand sicher bleibt. Und im Fall eines Sicherheitsschalters sollte dieser so konfiguriert sein, dass bei einem sich lösenden Anschluss, der Alarm ausgelöst wird. Bei beispielsweise einem Schließer (NO) bemerkt man nichts davon, wenn sich das Kabel löst. Der Schalter ist noch offen, führt jedoch beim Schließen des Schalters nicht die gewünschte Aktion aus. Sie sollten daher für die Ausfallsicherheit sorgen.

Erwähnenswert sind auch die potentialfreien und potentialbehafteten Schalter. Bei einem potentialfreien Schalter sind die Anschlüsse offen oder geschlossen, er funktioniert also wie ein mechanischer Schalter. Ein potentialbehafteter Schalter hat zwei unterschiedliche Spannungswerte, welche die beiden Ausgangszustände darstellen.

Der Ausgang eines potentialbehafteten Schalters kann ein Spannungssignal mit zwei Spannungspegeln, ein Stromsignal oder ein Signal eines „Open-Collectors (OC)“ also eines offenen Kollektors sein.

Manchmal kann die Schalterfunktion auch im Steuerungssystem, bspw. einer SPS ausgeführt werden, indem das Stromsignal von einem Transmitter erfasst wird und die schalterähnliche Funktion so programmiert wird, dass sie eine Steuerung auf der Grundlage des Signalpegels vornimmt.

In der Praxis haben Industrieschalter oft doppelte Schaltkontakte, die separat voneinander programmiert werden können.

Dies können die normalen "Lo" (Low) und "Hi" (High) Punkte, aber auch "Lo Lo" und "Hi Hi" Punkte sein. Während "Lo" und "Hi" die normalen unteren bzw. oberen Schaltpunkte darstellen, handelt es sich bei "Lo Lo" und "Hi Hi" um Alarmgrenzen, die schwerwiegendere Alarmaktivitäten steuern.

Sicherheitsdruckschalter

Sicherheitsschalter sind Schalter, die in den sicherheitsgerichteten Systemen (SIS) verwendet werden; es gibt für diese Schalter zudem bestimmte Sicherheitsklassifizierungen. Auch die Kalibrierung dieser Sicherheitsschalter ist reguliert.

Ein großer Unterschied bei diesen Schaltern besteht darin, dass sie die meiste Zeit statisch bleiben, den Schaltzustand also nicht verändern. Sie öffnen und schließen also im normalen Betrieb nicht, sondern warten lediglich bis die Sicherheitsalarmstufe erreicht ist, bei der sie dann zum Einsatz kommen.

Da diese Schalter nur selten betätigt werden, besteht das Risiko, dass sie festklemmen und nicht funktionieren, wenn sie es eigentlich sollten.
Bei einer Kalibrierung sollten Sie diese Sicherheitsschalter nicht betätigen bevor Sie mit der Dokumentation beginnen; erfassen Sie stattdessen den ersten Punkt, an dem der Schalter ausgelöst wird. Es kann vorkommen, dass die erste Auslösung mehr Druck erfordert als die nachfolgenden.

Normale Schalter werden meistens erst einige Male vor der Kalibrierung betätigt; dies sollte jedoch nicht bei den Sicherheitsschaltern durchgeführt werden.

Bei einem Sicherheitsschalter ist der Betriebspunkt kritisch, oft ist jedoch der Rückschaltpunkt nicht relevant und muss möglicherweise nicht einmal kalibriert werden.

So werden Druckschalter kalibriert

Lassen Sie uns nun erörtern, wie Druckschalter kalibriert werden.

Vorbereitungen & Sicherheit

Wenn der Schalter im Prozess installiert ist, sollte sichergestellt werden, dass dieser von der druckführenden Prozessleitung entkoppelt ist. Sie müssen zudem dafür sorgen, dass alle vom Schalter gesteuerten Stromkreise getrennt sind. Sie würden sicherlich weder wollen, dass sich große Ventile öffnen/schließen oder Pumpen in Betrieb gehen, noch dass ein Sicherheitsalarm ausgelöst wird.

Bei einigen Schaltern liegt beim Öffnen möglicherweise Netzspannung oder eine andere gefährliche Spannung an den Schalterklemmen an. Vergewissern Sie sich daher, dass die Klemmen isoliert sind.

Druckrampe

Um einen Druckschalter zu kalibrieren, sollte eine sich langsam verändernde Druckrampe erzeugt werden, die sich über die Schaltpunkte des Schalters bewegt. Je nach Schaltertyp muss zunächst ein geeigneter Druck eingestellt werden, um die Kalibrierung zu starten.

Oft können Sie vom atmosphärischen Druck ausgehen, in einigen Fällen müssen Sie jedoch einen hohen Druck pumpen und den Druck langsam zum Betriebspunkt hin senken. Möglicherweise müssen Sie aber ein Vakuum erzeugen, von dem aus begonnen werden kann. Dies hängt von dem zu kalibrierenden Schalter ab.

Es gibt verschiedene Formen, den Eingangsdruck herzustellen. Sie können eine Kalibrierhandpumpe mit einem Feineinstellregler verwenden, Sie können die Werkstattluftversorgung mit einem präzisen Druck-Controller oder auch einen automatischen Druck-Controller verwenden.

Es ist von entscheidender Bedeutung, eine langsame Druckrampe vorzugeben, damit man den genauen Druck erfassen kann, mit dem der Schalter betätigt wurde. Ändert sich der Druck zu schnell, können Sie den Punkt bei dem der Schalter betätigt wird, nicht genau ermitteln.

Einige Werkzeuge (wie der Beamex MC6) können den exakten Druck automatisch genau in dem Moment erfassen, in dem sich der Zustand des Schalters ändert.

Letztendlich, denken Sie daran, den Druck sehr langsam zu verändern, wenn Sie sich den Betriebspunkten des Schalters nähern! Sie können den Druck schneller anpassen, wenn Sie sich noch nicht in der Nähe der Schaltpunkte befinden.

Messung des Schaltausgangs

Zur Messung des Zustands an den Schalterklemmen benötigt man ein geeignetes Messgerät. Handelt es sich um einen potentialfreien Schaltkontakt mit einem offenen und geschlossenen Ausgang, können Sie ein Ohmmeter verwenden. Wenn es sich hingegen um einen elektrischen Ausgang handelt, benötigen Sie ein Messinstrument, welches das entsprechende Ausgangssignal erfassen kann. In einigen Fällen werden dazu Spannungs- oder Strommessgeräte benötigt. Bei elektrischen Ausgängen ist es teilweise nicht einfach, einen geeigneten Weg zu finden, um den Ausgang zu messen. In jedem Fall sollten Sie aber in der Lage sein, die beiden Ausgangszustände zu erkennen und festzustellen, wann sich der Zustand ändert.

Für einige Messgeräte können Sie einen zum jeweiligen Schalter passenden Triggerpegel programmieren, der es ermöglicht, die Zustandsänderung automatisch zu erfassen. Nach diesem Prinzip funktioniert auch der Beamex MC6.

Erfassen der Schaltpunkte

Bei der Kalibrierung von Schaltern müssen Sie den Eingangsdruck genau in dem Moment erfassen, in dem sich der Ausgangszustand ändert.

Sie können versuchen, den Eingangsdruck manuell zu erfassen. Wenn sich z.B. der Schaltzustand des Schalters ändert, stoppen Sie die Druckrampe und überprüfen, wie hoch der Eingangsdruck ist (auf dem Gerät/Kalibrator, womit der Eingangsdruck gemessen wird). Es kommt wahrscheinlich zu einer gewissen Verzögerung durch Ihre Reaktion, sodass der Druck vom Moment des eigentlichen Schaltvorgangs abweicht. Dies ist der Grund, weshalb ein sich sehr langsam verändernder Eingangsdruck voreingestellt sein sollte, damit dieser während der Verzögerung aufgrund Ihrer leicht verzögerten Reaktion nicht so stark abweicht.

Einige Geräte können den Eingangsdruck automatisch in dem Moment erfassen, in dem sich der Zustand des Schaltausgangs ändert. Man braucht wohl nicht zu erwähnen, dass die Kalibratoren der Beamex MC6-Familie dies können... :-)

Der MC6 kann zwischen den Druckmesswerten interpolieren. Lassen Sie mich dies näher erläutern; ein digitales Druckmessgerät misst den Druck einige Male pro Sekunde. Es kann vorkommen, dass der Schalter zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckmesswerten betätigt wird. In diesem Fall richtet sich der MC6 nach dem Zeitstempel des Schaltvorgangs und interpoliert zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Druckmessergebnissen, um den genauen Druckwert während des Schaltmoments zu erhalten.

Verzögerte Ausgabe

Bei einigen Industrieschaltern wird am Ausgang möglicherweise eine Verzögerung eingestellt, damit dieser nicht zu schnell schaltet. Sie sollten daher herausfinden, ob Ihr Schalter verzögert reagiert, da die Kalibrierung dann noch langsamer durchgeführt werden sollte, als dies normalerweise der Fall wäre.

Mit einer zusätzlichen Verzögerung ist der Eingangsdruck zum Zeitpunkt, an dem der Ausgang umschaltet, bereits weit von dem Punkt entfernt, der das Umschalten des Ausgangs tatsächlich ausgelöst hat.

Schritte zur Druckschalterkalibrierung:

Es folgt eine Kurzfassung der einzelnen Schritte für die Durchführung einer Druckschalterkalibrierung:

1. Den Druck ablassen & die Verbindung aus Sicherheitsgründen trennen.
2. Schließen Sie die Druckquelle und den Druckkalibrator an den Schalteingang an.
3. Schließen Sie das Gerät an, um den Status des Schaltausgangs zu erfassen.
4. Betätigen Sie den Schalter einige Male - geben Sie den vollen Druck und anschließend wieder auf Null. Bitte nicht bei Sicherheitsschaltern durchführen!
5. Erzeugen Sie einen Druck nahe des Schaltpunktes.
6. Passen Sie den Druck sehr langsam in Richtung des Schaltpunktes an, bis der Schaltausgang umschaltet. Notieren Sie den Schaltdruck.
7. Ändern Sie den Druck sehr langsam in Richtung des Rückschaltpunktes, bis der Schaltausgang umschaltet. Notieren Sie den Rückschaltdruck.
8. Führen Sie die erforderliche Anzahl von Wiederholungen durch - wiederholen Sie die beiden vorherigen Schritte.
9. Lassen Sie den Druck ab.
10. Trennen Sie die Testinstrumente.
11. Nehmen Sie den Schalter wieder in Betrieb.

Die Ergebnisse der Schalterkalibrierung müssen selbstverständlich dokumentiert werden.

Sie müssen zudem die in der Kalibrierung gefundenen Fehler berechnen und das Ergebnis mit der maximal zulässigen Toleranz für diesen Schalter vergleichen, um herauszufinden, ob die Kalibrierung bestanden oder nicht bestanden ist. Sollte die Kalibrierung des Schalters fehlschlagen, müssen Sie den Schalter entweder justieren oder ersetzen. Selbst wenn die Kalibrierung bestanden war, sollten Sie analysieren, wie groß der erfasste Fehler war. Lag der Fehler nahe an der Toleranzgrenze oder ist dieser seit der letzten Kalibrierung stark abgewichen, sollte der Schalter justiert werden, um bei der nächsten Kalibrierung ein „Nicht bestanden“-Ergebnis zu vermeiden.

Wie bei jeder Kalibrierung, sollten Sie basierend auf der Historie der Kalibrierergebnisse prüfen, ob der Kalibrierzeitraum angepasst werden sollte. Sicherlich wollen Sie Ressourcen nicht für zu oft durchgeführte Kalibrierungen verschwenden. Ebenso wenig wollen Sie, dass Kalibrierungen zu selten durchgeführt werden, wodurch Sie letztendendes eine nicht bestandene Kalibrierung erhalten. Die Auswirkungen einer nicht bestandenen Kalibrierung sollten in jedem Fall immer untersucht werden. Dies kann sich wiederum als teuer und arbeitsintensiv herausstellen.

Weitere Erläuterungen darüber, wie oft Messinstrumente kalibriert werden sollten, finden Sie in diesem Blogbeitrag:

• Wie häufig sollten Instrumente kalibriert werden?

In diesem White Paper finden Sie zudem weitere Erläuterungen über bestandene und nicht bestandene Kalibrierungen:

• Messunsicherheit für Nicht-Mathematiker

Dokumentation, messtechnische Rückführbarkeit, Kalibrierunsicherheit

Da die Dokumentation in der formalen Definition von Kalibrierung enthalten ist, stellt sie einen wesentlichen Bestandteil jeder Kalibrierung dar. Dies gilt auch für die Kalibrierung von Druckschaltern; typischerweise in Form eines Kalibrierzertifikats.

Die verwendete Kalibrierausrüstung sollte eine gültige messtechnische Rückführbarkeit zu den entsprechenden Standards haben, weil die Kalibrierung sonst keine Rückführbarkeit bei der Schalterkalibrierung ermöglicht.
Weitere Informationen zur messtechnischen Rückführbarkeit finden Sie hier:

• Messtechnische Rückführbarkeit in der Kalibrierung – Sind Ihre Messungen rückführbar?

Die Kalibrierunsicherheit ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Kalibrierung. Wenn die Kalibrierausrüstung (und das angewandte Kalibrierverfahren und der angewandte Kalibrierprozess) für die Druckschalterkalibrierung nicht genau genug ist, dann ist die Kalibrierung nicht wirklich sinnvoll. Was bringt es beispielsweise, einen Kalibrator mit 2% Genauigkeit zu verwenden, um ein Gerät mit 1% Genauigkeit zu kalibrieren.

Erfahren Sie hier mehr über die Kalibrierunsicherheit:

• Messunsicherheit für Nicht-Mathematiker

Unter einem älteren Blogbeitrag auf Englisch ist ein kurzes Video zur Druckschalterkalibrierung zu sehen:

• How to calibrate a pressure switch (video)

Kostenloses White Paper downloaden:

Hier können Sie diesen Artikel auch als kostenlose PDF-Datei herunterladen:

BEAMEX-LÖSUNGEN

Beamex bietet Lösungen für die Druckschalterkalibrierung.

Unsere Kalibratoren der MC6-Familie können eine dokumentierte Druckschalterkalibrierung durchführen, entweder halbautomatisch mit einer Kalibrierpumpe oder vollautomatisch mit einem Druck-Controller.

Sie können die Ergebnisse der Druckschalterkalibrierung zur papierlosen Dokumentation vom Kalibrator in eine Kalibrier-Management-Software hochladen.

Kontaktieren Sie uns bei weiteren Fragen.

Originaler Post: Pressure Switch Calibration
Veröffentlicht am: 30. März 2020