Wie kalibriert man Manometer korrekt? – 20 Punkte, die Sie berücksichtigen sollten

Manometer bzw. Druckmesser sind äußerst gängige Instrumente in der Prozessindustrie. Wie jedes andere Messinstrument müssen auch Manometer in regelmäßigen Intervallen kalibriert werden, um deren Messgenauigkeit zu gewährleisten. Bei der Kalibrierung von Manometern müssen eine Vielzahl von Aspekten berücksichtigt werden. In diesem Artikel stellen wir Ihnen eine Liste mit 20 Punkten vor, die Sie beim Kalibrieren von Manometern berücksichtigen sollten.

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Inhalt - Die 20-Punkte-Liste

In diesem Artikel werden wir uns folgenden 20 Punkten widmen:

1. Genauigkeitsklassen
2. Druckmedien
3. Kontamination
4. Höhenunterschied
5. Dichtigkeitsprüfung der Rohrleitungen
6. Adiabatischer Effekt
7. Anzugsmoment
8. Kalibrierung / Einbauposition
9. Druckquelle
10. Druckbeaufschlagung / Testläufe
11. Ablesen des Druckwerts (Auflösung)
12. Anzahl der Kalibrierpunkte
13. Hysterese (Richtung der Kalibrierpunkte)
14. „klopfen“
15. Anzahl der Kalibrierzyklen (Wiederholbarkeit)
16. justieren / korrigieren
17. Dokumentation ‒ Kalibrierzertifikat
18. Umgebungsbedingungen
19. messtechnische Rückführbarkeit
20. Kalibrierunsicherheit (TUR/TAR)

Was ist Druck?

Bevor wir uns mit den einzelnen Punkten beschäftigen, die bei der Kalibrierung von Manometern berücksichtigt werden müssen, möchte ich gerne einen kurzen Blick auf ein paar grundlegendere Konzepte werfen.

Unter Druck versteht man die Kraft, die senkrecht auf eine Oberfläche einwirkt, geteilt durch die betroffene Fläche. Dementsprechend ist Druck gleich Kraft pro Fläche bzw. p = F / A.

Weltweit werden eine Vielzahl unterschiedlicher Maßeinheiten für Druck benutzt, was an und ab ziemlich verwirrend sein kann. Die technische Maßeinheit für Druck ist laut SI-System Pascal (Pa), was einer Kraft von einem Newton auf einer Fläche von einem Quadratmeter entspricht: 1 Pa = 1 N/m². Da Pascal jedoch eine sehr kleine Maßeinheit ist, kommt diese häufig mit Präfixen wie Hekto, Kilo oder
Mega zur Anwendung.

Ausführlichere Informationen über Druck und die verschiedenen Druckeinheiten und deren Hintergrund finden Sie in unserem Blog-Post Druckeinheiten und Umrechnung von Druckeinheiten.

Eine Umrechnungstabelle für Druckeinheiten finden Sie im Internet auf der Seite Druckeinheitenrechner.

Unterschiedliche Druckarten

Es gibt eine Reihe von unterschiedlichen Druckarten wie Relativdruck, Absolutdruck, Vakuumdruck, Differenzdruck und Luftdruck. Der Hauptunterschied zwischen diesen Druckarten ist der Referenzdruck, mit welchem der jeweilige Messwert verglichen wird. Für die unterschiedlichen Druckarten sind auch entsprechende Manometer erhältlich. Außerdem gibt es Kombi-Manometer, die über eine kombinierte Skala für positive und negative (Unterdruck) Messwerte verfügen.

Ausführlichere Informationen über die unterschiedlichen Druckarten finden Sie in unserem Post Grundlagen der Druckkalibrierung – Druckarten.

Manometer / Druckmesser

Wenn man über Manometer spricht, meint man in der Regel analoge Druckmesser mit Skala und Anzeigenadel. Diese werden in der Regel nach der Norm EN 837 oder ASME B40.100 hergestellt. Häufig sind diese Art von Manometern mit einer Rohrfeder, einer Membran oder einer Kapsel ausgestattet. Die innenliegende Mechanik sorgt dafür, dass sich die Nadel entlang der Skala bewegt und mit zunehmendem Druck weiter ausschlägt.

Manometer werden in unterschiedliche Genauigkeitsklassen unterteilt, die zur Angabe der Genauigkeit sowie anderer Eigenschaften des Manometers dienen. Die verfügbaren Druckbereiche sind üblicherweise in Schritte unterteilt, mit den Schrittgrößen 1 - 1,6 - 2,5 - 4 - 6 und dann weiter zu den nächstgrößten Zehnerbereichen (10 - 16 - 25 - 40 - 60) und so weiter. Die gängigsten Durchmessergrößen (Manometerskala) sind 40, 50, 63, 80, 100, 115, 160 und 250 mm (1 ½, 2, 2 ½, 4,
4 ½ und 6 Zoll). Je präziser das Manometer, desto größer normalerweise der Durchmesser.

Die Druckanschlüsse sind in der Regel zylindrische Rohrgewinde (G) nach ISO 228-1 oder kegelige Rohrgewinde (NPT) nach ANSI/ASME B1.20.1.

Des Weiteren gibt es Digitalmanometer, die anstelle der analogen Anzeigenadel über eine numerische Druckanzeige verfügen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf analoge Manometer, auch wenn die meisten Regeln für beide gleichermaßen gültig sind. Manometer kommen weitläufig in allen Industriebranchen zum Einsatz und gehören zu den gängigsten Instrumenten, wenn es um das Thema Kalibrieren geht.

Wie jedes andere Prozessmessinstrument müssen auch Manometer in regelmäßigen Intervallen kalibriert werden, um sicherzustellen, dass sie richtig messen.

Aufgrund der Tatsache, dass Manometer mechanische Instrumente sind, kommt die Gefahr hinzu, dass es zu Abweichungen durch mechanische Belastung kommt.

Ausführlichere Informationen dazu, warum man Instrumente kalibrieren sollte, finden Sie in unserem Blog-Post Wozu kalibrieren?

Ausführlichere Informationen dazu, wie häufig man Instrumente kalibrieren sollte, finden Sie in unserem Post Wie häufig sollten Instrumente kalibriert werden?

Das Grundprinzip der Kalibrierung

Wenn wir das Prinzip der Manometerkalibrierung auf ein Minimum vereinfachen, könnte man sagen, dass man beim Kalibrieren eines Manometers das Manometer mit einem bekannten präzisen Druckwert beaufschlagt, den Messwert auf dem Manometer abliest, diesen vermerkt und dann mit
dem Ausgangswert vergleicht. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten ist die Abweichung, wobei die Abweichung kleiner sein muss als die für das Manometer erforderliche Genauigkeit.

20 Punkte, die Sie beim Kalibrieren von Manometern berücksichtigen sollten

1 - Genauigkeitsklassen

Manometer sind in vielen unterschiedlichen Genauigkeitsklassen erhältlich. Die Genauigkeitsklassen sind in den Normen ASME B40.100 (Genauigkeitsklassen im Bereich von 0,1 bis 5%) und EN 837 (Genauigkeitsklassen im Bereich von 0,1 bis 4%) angegeben. Die Angabe der Genauigkeitsklasse erfolgt in den meisten Fällen als “% des Messbereichs”, d. h. bei einer Genauigkeitsklasse von 1% und einem Skalabereich von Null bis 100 psi beträgt die Genauigkeit ± 1 psi. Vergewissern Sie sich stets, dass Sie die Genauigkeitsklasse des Manometers kennen, das Sie kalibrieren werden, da Sie so automatisch das Akzeptanzniveau für die Genauigkeit erhalten, obwohl dies auch andere Auswirkungen auf den Kalibriervorgang hat.

2 - Druckmedien

Die gängigsten Medien bei der Kalibrierung von Manometern sind Gase und Flüssigkeiten. Unter den Gasen finden wir meistens normale Luft, bei manchen Anwendungen können wir jedoch auch andere Gase wie etwa Stickstoff antreffen. Die gängigsten Flüssigkeiten sind Wasser und Öle. Das Druckmedium für die Kalibrierung hängt von den Medien ab, die im Prozess zur Anwendung kommen, in den das Manometer eingebunden ist. Das jeweilige Medium ist auch vom Druckbereich abhängig. Niederdruckmanometer sind praktisch zu kalibrieren mit Luft oder Gas, mit steigendem Druckbereich ist es jedoch praktischer und auch sicherer eine Flüssigkeit als Medium zu benutzen.

3 - Kontamination

In eingebautem Zustand arbeitet das Manometer mit einem bestimmten prozessbezogenen Druckmedium. Diese Tatsache sollte bei der Auswahl des Mediums für die Kalibrierung berücksichtigt werden. In diesem Sinne sollten Sie für die Kalibrierung kein Medium benutzen, dass Probleme verursachen könnte, wenn das Manometer wieder in den Prozess integriert wird. Dies gilt auch umgekehrt, da es vorkommen kann, dass das Prozessmedium schädlich für Ihre Kalibrierausrüstung ist. So können sich beispielsweise Schmutzpartikel im Manometer befinden, die in die Kalibrierausrüstung gelangen und diese beschädigen können. Für Manometer, die mit Gas arbeiten, können Schmutz bzw. Feuchtigkeitsfilter benutzt werden, Manometer, die mit Flüssigkeiten arbeiten, sollten jedoch vor der Kalibrierung gereinigt werden.

Eine der extremsten Prozesssituationen trifft man an, wenn das Manometer für die Messung des Sauerstoffdrucks zuständig ist.

Wenn auch nur die geringste Menge Fett bei der Manometerkalibrierung in ein Hochdrucksauerstoffsystem gelangt, kann dies äußerst gefährlich werden und sogar zu Explosionen führen.

4 - Höhenunterschied

Wenn sich die Kalibrierausrüstung und das zu kalibrierende Manometer auf unterschiedlicher Höhe befinden, kann der auf das Druckmedium in den Rohrleitungen einwirkende Gravitationsdruck Messfehler verursachen. Dies ist in der Regel kein Problem, wenn das Druckmedium gasförmig ist, da Gase im Vergleich zu Flüssigkeiten leichter sind. Wenn das Druckmedium jedoch flüssig ist, hat die Flüssigkeit in den Rohrleitungen aufgrund des Gravitationsdrucks ein Eigengewicht, das zu Messfehlern führen kann. Wie groß diese Abweichung ist, hängt von der Dichte der Flüssigkeit und dem Höhenunterschied ab, da die Flüssigkeit in den Rohrleitungen durch die Schwerkraft nach unten gezogen wird. Wenn der Kalibrator nicht auf die gleiche Höhe wie das Manometer gebracht werden kann, muss die Auswirkung des Höhenunterschieds berechnet und bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.

Beispiel für die Auswirkung von Gravitationsdruck:

Gravitationsdruck wird wie folgt berechnet:
P_h = ρ × g × h

Wobei:

P_h = Gravitationsdruck
ρ = Flüssigkeitsdichte (kg/m³)
g = örtliche Schwerkraft (m/s²)
h = Höhenunterschied (m)

Beispiel: Wenn das Medium Wasser ist (Dichte 997,56 kg/m³), die örtliche Schwerkraft 9,8 m/s² beträgt und ein Höhenunterschied von 1 Meter zwischen dem Prüfling (DUT) und dem Referenzgerät vorliegt, wird dies eine Abweichung von 9,8 kPa (98 mbar bzw. 1,42 psi) verursachen.

Bitte beachten Sie, dass je nach zu messendem Druck die durch den Höhenunterschied verursachte Abweichung ein beträchtliches Ausmaß annehmen kann.

5 - Dichtigkeitsprüfung der Rohrleitungen

Wenn während der Kalibrierung Leckagen in den Rohrleitungen vorliegen, kann es zu unvorhersagbaren Fehlern kommen. Deshalb sollte vor der Kalibrierung eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt werden. Die einfachste Art der Dichtigkeitsprüfung ist das System mit Druck zu beaufschlagen, dann zu warten, bis sich der Druck stabilisiert hat, und anschließend zu überwachen, dass der Druck nicht zu stark abfällt. Manche Kalibriersysteme (Druckwächter) sind eventuell in der Lage, den Druck auch bei Vorliegen von Leckagen zu halten, sofern sie mit einem Regler ausgestattet
sind, der den Druck fortwährend nachjustiert. In solchen Fällen ist es schwierig Leckagen zu erkennen, deshalb sollte der Regler vom System getrennt werden, damit die Dichtigkeitsprüfung im geschlossenen Kreislauf stattfindet. Außerdem sollte in einem geschlossenen Kreislauf stets der adiabatische Effekt berücksichtigt werden, insbesondere mit gasförmigen Medien, wie im nachfolgenden Kapitel erläutert wird.

6 - Adiabatischer Effekt

In geschlossenen Kreisläufen mit einem Gas als Druckmedium, wirkt sich die Gastemperatur auf das Gasvolumen aus, was wiederum den Druck beeinflusst.

Wenn der Druck schnell ansteigt, steigt auch die Gastemperatur und durch diesen Temperaturanstieg dehnt sich das Gas aus, wodurch sich wiederum das Volumen und auch der Druck erhöht. Kühlt das Gas ab, verringert sich das Gasvolumen und folglich fällt der Druck. Dieser Druckabfall könnte den Anschein einer Leckage im System erwecken, er wird jedoch tatsächlich durch den adiabatischen Effekt infolge der Gastemperaturveränderung ausgelöst. Je schneller sich der Druck verändert, desto größer der Effekt. Sobald sich die Temperatur stabilisiert, wird die durch diesen Effekt bewirkte Druckveränderung immer kleiner. Vergewissern Sie sich also in diesem Sinne, wenn Sie eine schnelle Druckveränderung vornehmen, dass Sie anschließend eine Weile warten, bis sich der Druck wieder stabilisiert hat, bevor Sie ermitteln, ob eine Leckage im System vorliegt.

7 - Anzugsmoment

Achten Sie insbesondere bei anzugsmomentempfindlichen Manometern darauf, die Druckanschlüsse nicht allzu fest am Manometer anzuziehen, da Sie so das Manometer beschädigen könnten. Befolgen Sie stets die Herstelleranweisungen in Bezug auf das höchstzulässige Anzugsmoment. Nehmen Sie sich die Zeit, um das richtige Werkzeug sowie passende Adapter und Dichtungen auszuwählen.

8 - Kalibrierung / Einbauposition

Aufgrund der Tatsache, dass Manometer mechanische Instrumente sind, hat die Position Auswirkungen auf das Messergebnis. Deshalb wird empfohlen, Manometer in der gleichen Position zu kalibrieren, wie diese im Prozess zur Anwendung kommen. Außerdem sollten die Herstelleranweisungen zur Betriebs-/Einbauposition beachtet werden. Eine gängige Einbaupositionsangabe lautet, dass sich die Manometeranzeige bei einer Veränderung der Position um 5 Grad um nicht mehr als die Hälfte (0,5 mal) der Genauigkeitsklasse verändern sollte.

9 - Druckquelle

Zur Kalibrierung eines Manometers benötigen Sie eine Druckquelle für die Druckbeaufschlagung des Manometers. Hierzu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Sie können eine Handpumpe verwenden, eine Flasche mit Druckregler oder sogar ein Kolbenmanometer. Kolbenmanometer liefern einen sehr präzisen Druck und man benötigt keinen separaten Kalibrator für die Druckmessung. Leider sind Kolbenmanometer jedoch teuer, nicht sehr mobil, äußerst aufmerksamkeitsintensiv im Gebrauch und schmutzempfindlich. Gebräuchlicher sind Druckkalibrierhandpumpen als Druckquelle in Kombination mit einem präzisen Druckmessgerät (Kalibrator) für die Messung des Druckwerts. Für die Druckbeaufschlagung kann auch ein Druckregler benutzt werden.

10 - Druckbeaufschlagung / Testläufe

Aufgrund seines mechanischen Aufbaus sind bei Manometerbewegungen immer Reibungskräfte im Spiel und das Verhalten des Instruments kann sich mit der Zeit verändern. Deshalb sollten Sie vor der Kalibrierung eine Reihe von Testläufen durchführen. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Manometer bereits eine Weile lang nicht mit Druck beaufschlagt wurde. Führen Sie für die Testläufe eine Druckbeaufschlagung mit dem maximalen Nenndruck durch und halten Sie den Druck eine Minute lang. Lassen Sie den Druck anschließend ab und warten Sie wieder eine Minute. Dieser Vorgang sollte 2‒3 mal wiederholt werden, bevor der eigentliche Kalibriervorgang eingeleitet wird.

11 - Ablesen des Druckwerts (Auflösung)

 Manometerskalen haben eine beschränkte Ablesbarkeit. Es gibt grobe und feine Skalaeinteilungen, der genaue Druckwert kann jedoch nur schwer abgelesen werden, wenn sich die Anzeigenadel zwischen zwei Skalamarkierungen befindet. Viel einfacher ist es, wenn die Nadel genau auf
einer Markierung zum Stehen kommt. Deshalb wird empfohlen, den Eingangsdruck so zu justieren, dass die Nadel genau auf einer Markierung zum Stehen kommt, und diesen Druckwert anschließend zu vermerken. Wenn man das Manometer einfach nur mit einem präzisen Druckwert beaufschlagt und dann versucht, den Wert abzulesen, ist die Fehlerwahrscheinlichkeit aufgrund der begrenzten Ablesegenauigkeit hoch.

Außerdem ist es wichtig, den Wert im 90-Grad-Winkel zur Manometerskala abzulesen. Die Skalen vieler Präzisionsmanometer sind hierfür extra hinter der Anzeigenadel verspiegelt. Diese Verspiegelung erleichtert das Ablesen. Beim Ablesen sollten Sie darauf achten, dass sich die Widerspiegelung der Nadel genau hinter der physischen Nadel befindet. Dann wissen Sie, dass Ihr Blick gerade bzw. im 90-Grad-Winkel auf das Manometer gerichtet ist.

Manometer mit Digitalanzeige bieten eine komplett andere Auflösung (Ablesegenauigkeit). Die Ablesegenauigkeit von Digitalanzeigen ist im kompletten Anzeigebereich immer gleichbleibend.

Die linke Anzeigenadel auf dem linken Bild ist schwer abzulesen, da sich die Nadel zwischen zwei Markierungen befindet. Die rechte hingegen ist leicht abzulesen, da der beaufschlagte Druck so justiert wurde, dass die Nadel genau auf einer Skalamarkierung zum Stehen kommt:

Für eine größtmögliche Genauigkeit ist es wichtig, den Wert gerade bzw. im 90-Grad-Winkel abzulesen.

Verbleibende Themen

Wir möchten vermeiden, dass dieser Blog Post zu lang wird. Bitte laden Sie das White Paper herunter; dort sind alle 20 Themen aufgeführt.

Die verbleibenden Themen, die hier nicht aufgeführt werden, sind:

13 - Hysterese (Richtung der Kalibrierpunkte)

14 - „Klopfen“

15 - Anzahl der Kalibrierzyklen (Wiederholbarkeit)

16 - Justieren / korrigieren

17 - Dokumentation - Kalibrierzertifikat

18 - Umgebungsbedingungen

19 - Messtechnische Rückführbarkeit

20 - Kalibrierunsicherheit (TUR/TAR)

Verwandte Resourcen

Beamex-Produkte, die für Druckkalibrierungen -einschließlich der Kalibrierung von Manometern- geeignet sind: https://www.beamex.com/de/kalibratoren/druckkalibratoren/

Online-Tool für die Umrechnung von Druckeinheiten finden Sie auf der Beamex-Internetseite:  Einheitenrechner für Druckeinheiten

Originaler Blog Post:  How to calibrate pressure gauges - 20 things you should consider
Veröffentlich: 5.4.2017
Verfasst durch Heikki Laurila.