Kalibrierung
Kalibrierung (in Anlehnung an das englische Wort calibration auch Kalibration) in der Messtechnik ist ein Messprozess zur Feststellung und Dokumentation der Abweichung eines Messgerätes oder einer Maßverkörperung gegenüber einem anderen Gerät oder einer anderen Maßverkörperung, die in diesem Fall als Normal bezeichnet werden. In der Definition des VIM von JCGM 2008 gehört zur Kalibrierung ein zweiter Schritt, nämlich die Berücksichtigung der ermittelten Abweichung bei der anschließenden Benutzung des Messgerätes zur Korrektur der abgelesenen Werte. Nach DIN1319-1 beinhaltet die Kalibrierung keinen Eingriff, der das Messgerät verändert; eine Anpassung des Messgerätes auf Basis der Ergebnisse aus der Kalibrierung wird als Justierung definiert. ⓘ
Der Begriff Kalibrierung wird häufig mit den nicht synonymen Wörtern Eichung, Konformitätsaussage, Spezifikationsprüfung, Abgleich, Justierung oder Zertifizierung verwechselt, zur Abgrenzung siehe unten. ⓘ
In der Mess- und Prüftechnik ist die Kalibrierung der Vergleich der Messwerte eines zu prüfenden Geräts mit denen eines Kalibriernormals bekannter Genauigkeit. Ein solches Normal kann ein anderes Messgerät bekannter Genauigkeit sein, ein Gerät, das die zu messende Größe erzeugt, wie z. B. eine Spannung, ein Ton oder ein physikalisches Artefakt, wie z. B. ein Messlineal. ⓘ
Das Ergebnis des Vergleichs kann zu einem der folgenden Ergebnisse führen:
- es wird kein signifikanter Fehler am zu prüfenden Gerät festgestellt
- es wird ein signifikanter Fehler festgestellt, aber keine Korrektur vorgenommen
- eine Korrektur, die den Fehler auf ein akzeptables Niveau bringt ⓘ
Streng genommen bedeutet der Begriff "Kalibrierung" nur den Akt des Vergleichs und schließt keine anschließende Justierung ein. ⓘ
Das Kalibrierungsnormal ist normalerweise auf ein nationales oder internationales Normal rückführbar, das von einer Metrologieorganisation verwaltet wird. ⓘ
BIPM-Definition
Die formale Definition der Kalibrierung durch das Internationale Büro für Maße und Gewichte (BIPM) lautet wie folgt: "Vorgang, bei dem unter festgelegten Bedingungen in einem ersten Schritt eine Beziehung zwischen den von Messnormalen gelieferten Größenwerten mit Messunsicherheiten und entsprechenden Anzeigen mit zugehörigen Messunsicherheiten (des kalibrierten Geräts oder des Sekundärnormals) hergestellt wird und in einem zweiten Schritt diese Informationen verwendet werden, um eine Beziehung herzustellen, um ein Messergebnis aus einer Anzeige zu erhalten." ⓘ
Diese Definition besagt, dass der Kalibrierungsprozess ein reiner Vergleich ist, führt aber das Konzept der Messunsicherheit ein, indem es die Genauigkeiten des zu prüfenden Geräts und des Normals in Beziehung setzt. ⓘ
Bei einer metrologisch rückführbaren Kalibrierung wird ein Normal eingesetzt, dessen Wert ebenfalls rückführbar bestimmt ist: Solch ein Normal besitzt selbst eine Kalibrierung, die durch eine ununterbrochene Kette von Kalibrierungen eine Beziehung zu den Definitionen der SI-Einheiten hat. Diese Beziehung wird ausgedrückt durch die beiden Parameter Abweichung und Kalibrierunsicherheit. Wird das Ergebnis der Kalibrierung nun wiederum mit Abweichung und Unsicherheit ausgedrückt, so ist auch dieses Kalibrierergebnis rückführbar. Rückführbarkeit ist also die Eigenschaft eines Ergebnisses und nicht eines Gerätes. ⓘ
Moderne Kalibrierverfahren
Der zunehmende Bedarf an bekannten Genauigkeiten und Unsicherheiten und die Notwendigkeit, international einheitliche und vergleichbare Standards zu haben, hat zur Einrichtung nationaler Laboratorien geführt. In vielen Ländern gibt es ein nationales Metrologieinstitut (NMI), das primäre Messnormale (die wichtigsten SI-Einheiten sowie eine Reihe abgeleiteter Einheiten) unterhält, die zur Rückverfolgbarkeit von Kundengeräten durch Kalibrierung verwendet werden. ⓘ
Das NMI unterstützt die metrologische Infrastruktur in diesem Land (und oft auch in anderen), indem es eine ununterbrochene Kette von der obersten Ebene der Normale bis zum Messgerät herstellt. Beispiele für nationale Metrologieinstitute sind das NPL im Vereinigten Königreich, das NIST in den Vereinigten Staaten, die PTB in Deutschland und viele andere. Seit der Unterzeichnung des Abkommens über die gegenseitige Anerkennung ist es nun problemlos möglich, die Rückverfolgbarkeit von jedem teilnehmenden NMI zu erhalten, und es ist nicht mehr erforderlich, dass ein Unternehmen die Rückverfolgbarkeit für Messungen vom NMI des Landes erhält, in dem es ansässig ist, wie z. B. dem National Physical Laboratory im Vereinigten Königreich. ⓘ
Qualität
Um die Qualität der Kalibrierung zu verbessern und die Ergebnisse von externen Organisationen anerkennen zu lassen, ist es wünschenswert, dass die Kalibrierung und die nachfolgenden Messungen auf die international definierten Maßeinheiten "rückführbar" sind. Die Rückführbarkeit wird durch einen formalen Vergleich mit einem Standard erreicht, der direkt oder indirekt mit nationalen Standards (wie dem NIST in den USA), internationalen Standards oder zertifizierten Referenzmaterialien verbunden ist. Dies kann von nationalen Normallaboratorien, die von der Regierung betrieben werden, oder von privaten Unternehmen, die Messdienstleistungen anbieten, durchgeführt werden. ⓘ
Qualitätsmanagementsysteme erfordern ein wirksames Messsystem, das eine formelle, regelmäßige und dokumentierte Kalibrierung aller Messgeräte umfasst. Die Normen ISO 9000 und ISO 17025 verlangen, dass diese rückverfolgbaren Maßnahmen ein hohes Niveau haben und legen fest, wie sie quantifiziert werden können. ⓘ
Um die Qualität einer Kalibrierung zu kommunizieren, wird der Kalibrierwert oft von einer rückführbaren Unsicherheitsangabe auf ein angegebenes Vertrauensniveau begleitet. Dies wird durch eine sorgfältige Unsicherheitsanalyse bewertet. Manchmal ist eine DFS (Departure From Spec) erforderlich, um Maschinen in einem gestörten Zustand zu betreiben. Wann immer dies geschieht, muss es schriftlich erfolgen und von einem Manager mit der technischen Unterstützung eines Kalibrierungstechnikers genehmigt werden. ⓘ
Messgeräte und -instrumente werden nach den physikalischen Größen eingeteilt, die sie messen sollen. Diese sind international unterschiedlich, z. B. NIST 150-2G in den USA und NABL-141 in Indien. Zusammen decken diese Normen Instrumente ab, die verschiedene physikalische Größen wie elektromagnetische Strahlung (HF-Sonden), Schall (Schallpegelmesser oder Lärmdosimeter), Zeit und Frequenz (Intervallmesser), ionisierende Strahlung (Geigerzähler), Licht (Lichtmessgerät), mechanische Größen (Grenzwertschalter, Druckmesser, Druckschalter) und thermodynamische oder thermische Eigenschaften (Thermometer, Temperaturregler) messen. Das Standardinstrument für jedes Prüfgerät ist entsprechend unterschiedlich, z. B. ein Totgewichtsprüfgerät für die Kalibrierung von Druckmessgeräten und ein Trockenblock-Temperaturprüfgerät für die Kalibrierung von Temperaturmessgeräten. ⓘ
Aufforderungen zur Gerätekalibrierung
Eine Kalibrierung kann aus den folgenden Gründen erforderlich sein:
- bei einem neuen Gerät
- nachdem ein Gerät repariert oder modifiziert worden ist
- Umzug von einem Standort zu einem anderen Standort
- wenn eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist
- wenn eine bestimmte Nutzungsdauer (Betriebsstunden) abgelaufen ist
- vor und/oder nach einer kritischen Messung
- nach einem Ereignis, zum Beispiel
- nachdem ein Messgerät einem Schock, einer Vibration oder einer physischen Beschädigung ausgesetzt war, die möglicherweise die Integrität seiner Kalibrierung beeinträchtigt haben könnte
- bei plötzlichen Wetterveränderungen
- wenn Beobachtungen fragwürdig erscheinen oder die Anzeigen des Instruments nicht mit den Ergebnissen von Ersatzinstrumenten übereinstimmen
- gemäß einer Anforderung, z. B. einer Kundenspezifikation oder einer Empfehlung des Geräteherstellers. ⓘ
Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter Kalibrierung oft der Vorgang verstanden, bei dem das Ergebnis oder die Anzeige eines Messinstruments so eingestellt wird, dass es mit dem Wert des verwendeten Standards innerhalb einer bestimmten Genauigkeit übereinstimmt. Ein Thermometer könnte beispielsweise so kalibriert werden, dass der Anzeigefehler oder die Korrektur bestimmt und (z. B. über Kalibrierungskonstanten) so eingestellt wird, dass es die wahre Temperatur in Celsius an bestimmten Punkten der Skala anzeigt. Dies ist die Wahrnehmung des Endbenutzers des Instruments. Allerdings können nur sehr wenige Instrumente so justiert werden, dass sie genau den Standards entsprechen, mit denen sie verglichen werden. Bei der überwiegenden Mehrheit der Kalibrierungen besteht der Kalibrierungsprozess in der Tat aus dem Vergleich eines unbekannten mit einem bekannten Gerät und der Aufzeichnung der Ergebnisse. ⓘ
Grundlegendes Kalibrierverfahren
Zweck und Umfang
Der Kalibrierungsprozess beginnt mit der Konstruktion des Messgeräts, das kalibriert werden muss. Die Konstruktion muss in der Lage sein, eine Kalibrierung während des gesamten Kalibrierungsintervalls zu "halten". Mit anderen Worten, die Konstruktion muss in der Lage sein, Messungen durchzuführen, die innerhalb der technischen Toleranz" liegen, wenn sie unter den angegebenen Umgebungsbedingungen über einen angemessenen Zeitraum verwendet wird. Eine Konstruktion mit diesen Merkmalen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass die tatsächlichen Messgeräte die erwartete Leistung erbringen. Grundsätzlich dient die Kalibrierung dazu, die Qualität der Messungen zu erhalten und den ordnungsgemäßen Betrieb des jeweiligen Geräts sicherzustellen. ⓘ
Frequenz
Der genaue Mechanismus für die Zuweisung von Toleranzwerten variiert von Land zu Land und je nach Industriezweig. Der Hersteller des Messgeräts legt im Allgemeinen die Messtoleranz fest, schlägt ein Kalibrierungsintervall (CI) vor und gibt den Umgebungsbereich für die Verwendung und Lagerung an. Das tatsächliche Kalibrierungsintervall wird in der Regel von der verwendenden Organisation festgelegt und hängt von der voraussichtlichen Nutzung des Messgeräts ab. Die Zuweisung von Kalibrierintervallen kann ein formaler Prozess sein, der auf den Ergebnissen früherer Kalibrierungen basiert. Die Normen selbst enthalten keine klaren Angaben zu den empfohlenen CI-Werten:
- ISO 17025
- "Ein Kalibrierschein (oder ein Kalibrieretikett) darf keine Empfehlung für das Kalibrierintervall enthalten, es sei denn, dies wurde mit dem Kunden vereinbart. Diese Anforderung kann durch gesetzliche Vorschriften ersetzt werden."
- ANSI/NCSL Z540
- "...müssen in regelmäßigen Abständen kalibriert oder verifiziert werden, die so festgelegt und eingehalten werden, dass eine akzeptable Zuverlässigkeit gewährleistet ist..."
- ISO-9001
- "Wo es zur Sicherstellung gültiger Ergebnisse erforderlich ist, müssen Messgeräte...in festgelegten Intervallen oder vor der Verwendung kalibriert oder verifiziert werden..."
- MIL-STD-45662A
- "...sind in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren, die so festgelegt und eingehalten werden, dass eine annehmbare Genauigkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet ist...Die Intervalle sind zu verkürzen oder können vom Auftragnehmer verlängert werden, wenn die Ergebnisse früherer Kalibrierungen darauf hindeuten, dass eine solche Maßnahme zur Aufrechterhaltung einer annehmbaren Zuverlässigkeit angemessen ist." ⓘ
Erforderliche Standards und Genauigkeit
Der nächste Schritt ist die Festlegung des Kalibrierungsprozesses. Die Auswahl eines oder mehrerer Normale ist der sichtbarste Teil des Kalibrierungsprozesses. Im Idealfall hat das Normal weniger als 1/4 der Messunsicherheit des zu kalibrierenden Geräts. Wenn dieses Ziel erreicht ist, wird die kumulierte Messunsicherheit aller beteiligten Normale als unbedeutend angesehen, wenn die endgültige Messung ebenfalls mit dem Verhältnis 4:1 durchgeführt wird. Dieses Verhältnis wurde wahrscheinlich erstmals im Handbuch 52 zum MIL-STD-45662A, einer frühen Spezifikation des US-Verteidigungsministeriums für das Metrologieprogramm, formuliert. Von den Anfängen in den 1950er Jahren bis in die 1970er Jahre, als der technische Fortschritt 10:1 für die meisten elektronischen Messungen unmöglich machte, betrug es 10:1. ⓘ
Die Einhaltung eines Genauigkeitsverhältnisses von 4:1 mit modernen Geräten ist schwierig. Das zu kalibrierende Prüfgerät kann genauso genau sein wie das Gebrauchsnormal. Wenn das Genauigkeitsverhältnis weniger als 4:1 beträgt, kann die Kalibriertoleranz zum Ausgleich verringert werden. Bei einem Verhältnis von 1:1 ist nur eine exakte Übereinstimmung zwischen dem Normal und dem zu kalibrierenden Gerät eine völlig korrekte Kalibrierung. Eine weitere gängige Methode zur Behebung dieser Fehlanpassung besteht darin, die Genauigkeit des zu kalibrierenden Geräts zu verringern. ⓘ
So kann beispielsweise ein Messgerät mit einer vom Hersteller angegebenen Genauigkeit von 3 % auf 4 % geändert werden, so dass ein Normal mit einer Genauigkeit von 1 % bei 4:1 verwendet werden kann. Wenn das Messgerät in einer Anwendung eingesetzt wird, die eine Genauigkeit von 16 % erfordert, hat die Reduzierung der Genauigkeit des Messgeräts auf 4 % keinen Einfluss auf die Genauigkeit der endgültigen Messungen. Dies nennt man eine begrenzte Kalibrierung. Erfordert die endgültige Messung jedoch eine Genauigkeit von 10 %, dann können die 3 % des Messgeräts niemals besser als 3,3:1 sein. Dann wäre eine Anpassung der Kalibriertoleranz für das Messgerät vielleicht die bessere Lösung. Wenn die Kalibrierung bei 100 Einheiten durchgeführt wird, würde der 1%-Standard irgendwo zwischen 99 und 101 Einheiten liegen. Die akzeptablen Werte von Kalibrierungen, bei denen das Prüfmittel im Verhältnis 4:1 steht, wären 96 bis 104 Einheiten. Eine Änderung des zulässigen Bereichs auf 97 bis 103 Einheiten würde den potenziellen Beitrag aller Standards beseitigen und ein Verhältnis von 3,3:1 erhalten. Eine weitere Änderung der zulässigen Spanne auf 98 bis 102 Einheiten würde zu einem endgültigen Verhältnis von mehr als 4:1 führen. ⓘ
Dies ist ein vereinfachtes Beispiel. Die Mathematik des Beispiels kann in Frage gestellt werden. Es ist wichtig, dass die Überlegungen, die diesen Prozess bei einer tatsächlichen Kalibrierung geleitet haben, aufgezeichnet und zugänglich gemacht werden. Informalität trägt zu Toleranzstapeln und anderen schwer zu diagnostizierenden Problemen nach der Kalibrierung bei. ⓘ
Auch im obigen Beispiel wäre der Kalibrierwert von 100 Einheiten idealerweise der beste Punkt im Messbereich des Messgeräts, um eine Ein-Punkt-Kalibrierung durchzuführen. Dies kann die Empfehlung des Herstellers sein oder die Art und Weise, wie ähnliche Geräte bereits kalibriert werden. Es werden auch Mehrpunktkalibrierungen verwendet. Je nach Gerät kann auch der Zustand der Nulleinheit, also das Fehlen des zu messenden Phänomens, ein Kalibrierpunkt sein. Oder der Nullpunkt kann vom Benutzer zurückgesetzt werden - es sind mehrere Varianten möglich. Auch hier sollten die bei der Kalibrierung zu verwendenden Punkte aufgezeichnet werden. ⓘ
Es kann spezifische Verbindungstechniken zwischen dem Normal und dem zu kalibrierenden Gerät geben, die die Kalibrierung beeinflussen können. Bei elektronischen Kalibrierungen, die analoge Phänomene beinhalten, kann zum Beispiel die Impedanz der Kabelverbindungen das Ergebnis direkt beeinflussen. ⓘ
Manuelle und automatische Kalibrierungen
Die Kalibrierungsmethoden für moderne Geräte können manuell oder automatisch sein. ⓘ
Für die Kalibrierung eines Druckmessers kann beispielsweise ein manuelles Verfahren verwendet werden. Das Verfahren erfordert mehrere Schritte, nämlich den Anschluss des zu prüfenden Druckmessgeräts an ein Haupt-Referenzmessgerät und eine einstellbare Druckquelle, die Beaufschlagung des Referenz- und des Prüfmessgeräts mit Flüssigkeitsdruck an bestimmten Punkten über die Messspanne des Messgeräts und den Vergleich der Messwerte der beiden Geräte. Das zu prüfende Messgerät kann justiert werden, um sicherzustellen, dass sein Nullpunkt und sein Ansprechen auf den Druck so genau wie möglich der vorgesehenen Genauigkeit entsprechen. Jeder Schritt des Prozesses erfordert manuelle Aufzeichnungen. ⓘ
Ein automatischer Druckkalibrator ist ein Gerät, das eine elektronische Steuereinheit, einen Druckübersetzer zur Komprimierung eines Gases (z. B. Stickstoff), einen Druckwandler zur Erfassung der gewünschten Füllstände in einem Hydraulikspeicher sowie Zubehörteile wie Flüssigkeitsabscheider und Manometeranschlüsse umfasst. Ein automatisches System kann auch Datenerfassungseinrichtungen umfassen, um die Erfassung von Daten für die Aufzeichnung zu automatisieren. ⓘ
Prozessbeschreibung und -dokumentation
Alle oben genannten Informationen werden in einem Kalibrierverfahren gesammelt, das eine spezifische Prüfmethode darstellt. Diese Verfahren erfassen alle Schritte, die für eine erfolgreiche Kalibrierung erforderlich sind. Der Hersteller kann ein solches Verfahren zur Verfügung stellen oder die Organisation kann ein solches Verfahren erstellen, das auch alle anderen Anforderungen der Organisation erfasst. Es gibt Clearingstellen für Kalibrierverfahren wie das Government-Industry Data Exchange Program (GIDEP) in den Vereinigten Staaten. ⓘ
Dieser genaue Prozess wird für jedes der verwendeten Normale wiederholt, bis Transferstandards, zertifizierte Referenzmaterialien und/oder natürliche physikalische Konstanten, die Messstandards mit der geringsten Unsicherheit im Labor, erreicht sind. Damit ist die Rückführbarkeit der Kalibrierung gegeben. ⓘ
Weitere Faktoren, die bei der Entwicklung von Kalibrierverfahren berücksichtigt werden, finden Sie unter Metrologie. ⓘ
Nach all diesen Schritten können die einzelnen Instrumente des oben beschriebenen Typs schließlich kalibriert werden. Der Prozess beginnt im Allgemeinen mit einer grundlegenden Schadensprüfung. Einige Organisationen, wie z. B. Kernkraftwerke, erheben Kalibrierungsdaten im Ist-Zustand, bevor eine Routinewartung durchgeführt wird. Nach der routinemäßigen Wartung und der Behebung der bei der Kalibrierung festgestellten Mängel wird eine "as-left"-Kalibrierung durchgeführt. ⓘ
In der Regel wird ein Kalibriertechniker mit dem gesamten Prozess betraut und unterschreibt den Kalibrierschein, der den Abschluss einer erfolgreichen Kalibrierung dokumentiert. Der oben skizzierte grundlegende Prozess ist eine schwierige und teure Herausforderung. Als allgemein anerkannte Faustregel gilt, dass sich die Kosten für eine normale Gerätebetreuung jährlich auf etwa 10 % des ursprünglichen Kaufpreises belaufen. Exotische Geräte wie Rasterelektronenmikroskope, Gaschromatographensysteme und Laserinterferometer können in der Wartung sogar noch teurer sein. ⓘ
Das in der obigen Beschreibung des grundlegenden Kalibrierungsprozesses verwendete "Einzelmessgerät" gibt es tatsächlich. Aber je nach Organisation können die meisten Geräte, die kalibriert werden müssen, mehrere Bereiche und viele Funktionen in einem einzigen Gerät haben. Ein gutes Beispiel ist ein modernes Oszilloskop. Es gibt leicht 200.000 Einstellungskombinationen, die vollständig kalibriert werden müssen, und es gibt Grenzen dafür, wie weit eine umfassende Kalibrierung automatisiert werden kann. ⓘ
Um den unbefugten Zugriff auf ein Instrument zu verhindern, werden nach der Kalibrierung in der Regel manipulationssichere Siegel angebracht. Das Bild des Oszilloskopgestells zeigt diese Plomben und beweist, dass das Gerät seit der letzten Kalibrierung nicht entfernt wurde, da sie möglicherweise Unbefugten den Zugang zu den Einstellelementen des Geräts verwehren. Es gibt auch Aufkleber, die das Datum der letzten Kalibrierung anzeigen und das Kalibrierungsintervall, das vorschreibt, wann die nächste Kalibrierung erforderlich ist. Einige Organisationen weisen auch jedem Instrument eine eindeutige Kennzeichnung zu, um die Aufzeichnungen zu standardisieren und Zubehörteile, die zu einem bestimmten Kalibrierungszustand gehören, im Auge zu behalten. ⓘ
Wenn die zu kalibrierenden Geräte mit Computern integriert sind, werden auch die integrierten Computerprogramme und alle Kalibrierungskorrekturen kontrolliert. ⓘ
Historische Entwicklung
Ursprünge
Die Wörter "calibrate" und "calibration" tauchten erst im amerikanischen Bürgerkrieg in Beschreibungen der Artillerie auf, wobei man davon ausging, dass sie von der Messung des Kalibers eines Geschützes abgeleitet waren. ⓘ
Einige der frühesten bekannten Mess- und Kalibrierungssysteme scheinen zwischen den antiken Zivilisationen Ägyptens, Mesopotamiens und des Indus-Tals entstanden zu sein, wobei Ausgrabungen die Verwendung von Winkelabstufungen für Konstruktionen belegen. Der Begriff "Kalibrierung" wurde wahrscheinlich zuerst mit der präzisen Unterteilung von linearen Entfernungen und Winkeln mit Hilfe einer Teilungsmaschine und der Messung der Schwerkraftmasse mit Hilfe einer Waage in Verbindung gebracht. Allein diese beiden Formen des Messens und ihre direkten Ableitungen ermöglichten fast die gesamte Entwicklung von Handel und Technik von den frühesten Zivilisationen bis etwa 1800 n. Chr. ⓘ
Kalibrierung von Gewichten und Entfernungen (ca. 1100 n. Chr.)
Frühe Messgeräte waren direkt, d. h. sie hatten die gleichen Einheiten wie die zu messende Größe. Beispiele hierfür sind die Messung der Länge mit einem Meterstab und die Messung der Masse mit einer Waage. Zu Beginn des zwölften Jahrhunderts, während der Herrschaft Heinrichs I. (1100-1135), wurde festgelegt, dass ein Yard "die Entfernung von der Nasenspitze des Königs bis zum Ende seines ausgestreckten Daumens" ist. Doch erst unter der Herrschaft von Richard I. (1197) finden wir dokumentierte Belege.
- Das Maßband
- "Im ganzen Reich soll es das gleiche Maß geben, und es soll aus Eisen sein." 1100_CE) ⓘ
Es folgten weitere Normierungsversuche, wie die Magna Carta (1225) für Flüssigkeitsmaße, bis zum Mètre des Archives aus Frankreich und der Etablierung des metrischen Systems. 1100_CE) ⓘ
Die frühe Kalibrierung von Druckmessgeräten
Eines der ersten Geräte zur Druckmessung war das Quecksilberbarometer, das Torricelli (1643) zugeschrieben wird und mit dem der atmosphärische Druck mit Hilfe von Quecksilber gemessen wurde. Bald darauf wurden wassergefüllte Manometer entwickelt. Alle diese Geräte wurden nach dem gravimetrischen Prinzip linear geeicht, wobei der Höhenunterschied proportional zum Druck war. Die normale Maßeinheit war der bequeme Zoll Quecksilber oder Wasser. ⓘ
Beim direkt ablesbaren hydrostatischen Manometer (siehe rechts) drückt der Druck Pa die Flüssigkeit auf der rechten Seite des Manometer-U-Rohrs nach unten, während eine Längenskala neben dem Rohr den Höhenunterschied misst. Die sich daraus ergebende Höhendifferenz "H" ist ein direktes Maß für den Druck oder das Vakuum im Verhältnis zum atmosphärischen Druck. Bei fehlendem Differenzdruck wären beide Pegel gleich, und dies würde als Nullpunkt verwendet werden. ⓘ
Mit der industriellen Revolution wurden "indirekte" Druckmessgeräte eingeführt, die praktischer waren als das Manometer. Ein Beispiel hierfür sind die Hochdruck-Dampfmaschinen (bis zu 50 psi), bei denen Quecksilber verwendet wurde, um die Skalenlänge auf etwa 60 Zoll zu reduzieren, aber ein solches Manometer war teuer und anfällig für Schäden. Dies förderte die Entwicklung von indirekt ablesbaren Instrumenten, von denen die von Eugène Bourdon erfundene Bourdon-Röhre ein bemerkenswertes Beispiel ist.
In der Vorder- und Rückansicht eines Rohrfedermanometers (rechts) wird durch den Druck, der auf das untere Anschlussstück ausgeübt wird, die Krümmung des abgeflachten Rohrs proportional zum Druck verringert. Dadurch bewegt sich das freie Ende des Rohrs, das mit dem Zeiger verbunden ist. Das Gerät wird gegen ein Manometer geeicht, das als Kalibrierungsstandard dient. Bei der Messung indirekter Druckgrößen pro Flächeneinheit hängt die Kalibrierungsunsicherheit von der Dichte der Manometerflüssigkeit und den Mitteln zur Messung des Höhenunterschieds ab. Daraus könnten andere Einheiten wie Pfund pro Quadratzoll abgeleitet und auf der Skala markiert werden. ⓘ
Zunahme der Unsicherheit bei einer Kalibrierung
Mit jeder Kalibrierung entlang der Rückführbarkeitskette nimmt die Unsicherheit zu. Die kalibrierten Gegenstände sind somit immer niederwertiger (von niederer Ordnung) als die Normale, mit denen sie kalibriert wurden. ⓘ
Kalibrierung ist eine Momentaufnahme
Aussagen über das zeitliche Verhalten (Drift, engl. shift) eines Messgerätes können erst nach einigen erfolgten Kalibrierungen gemacht werden. Erst durch diese Betrachtungen und entsprechende zusätzliche Unsicherheitsbeiträge behalten Messergebnisse auch für die Dauer zwischen zwei Kalibrierintervallen die Rückführbarkeit. ⓘ
Vorgehensweise bei einer Kalibrierung
Zu einer Kalibrierung gehört
- die Definition des Messprozesses
- Umgebungsbedingungen
- erforderliche Normale
- Vorgehensweise
- Erstellung eines mathematischen Modells zur Auswertung der Kalibrierung inklusive ihrer Unsicherheit
- Durchführung der Kalibrierung
- Erstellung eines Ergebnisberichts, auch Kalibrierschein oder Kalibrierzertifikat genannt, mit Angabe eines vollständigen Ergebnisses, also Abweichung und Kalibrierunsicherheit. ⓘ
Akkreditierung
Staatliche Akkreditierungsstellen akkreditieren Kalibrierlabore und bestätigen dadurch deren Kompetenz für im Akkreditierungsumfang durchgeführte Kalibrierungen. ⓘ
Abgrenzung gegen andere Begriffe
- Eine Eichung ist die Bestätigung der Konformität eines dem Gesetz nach eichpflichtigen Messgerätes mit einer gesetzlichen nationalen Vorschrift.
- Eine Konformitätserklärung oder Spezifikationsprüfung kann im Anschluss an eine Kalibrierung erfolgen, ist aber nicht zwingender Bestandteil.
- Nach jeder Justierung muss eine Kalibrierung stattfinden, weil durch die Änderung am Messgerät eine vorher durchgeführte Kalibrierung ungültig wird.
- Eine Zertifizierung ist die Bestätigung einer unabhängigen Zertifizierungsstelle, dass eine Sache (Produkt, Person, System) alle Anforderungen einer Anforderungsliste erfüllt. ⓘ
Beispiel
Ein anschauliches Beispiel ist das Kalibrieren einer selbstanzeigenden Waage durch Auflegen von Gewichtsstücken als Normale. Unter Berücksichtigung systematischer Einflüsse (zuvor durch Kalibrierung ermittelte Messabweichungen der Gewichtsstücke; Luftdruck, Temperatur, Auftriebskräfte) und zufälliger Einflüsse wird die Anzeige der Waage mit der aufgelegten Masse verglichen und die Unsicherheit dieser Abweichung geschätzt. Ein einfaches Kalibrierergebnis lautet also: Die Waagenanzeige hat bei einer Belastung von 200 g eine Abweichung von +0,12 g; dieses Ergebnis hat eine Unsicherheit von 0,20 g mit einem Vertrauensbereich von 95 %. ⓘ
Richtlinien und Normen
DIN EN ISO 9001:2015: In diesem Regelwerk für die Zertifizierung von Qualitätsmanagementsystemen wird gefordert, dass für das hergestellte Produkt qualitätsrelevante Kenndaten mit kalibrierten Messgeräten gemessen werden. ⓘ
Neben den Auflagen und technischen Maßnahmen der Qualitätssicherung und Qualitätsmanagement, wie beispielsweise die Prüfmittelüberwachung und rückführbare Kalibrierung von Messmitteln beinhaltet die Kalibrierrichtlinie 2622 von VDI, VDE, DGQ und DKD bzw. DAkkS allgemeine Kalibrieranweisungen Modelle für die Messunsicherheitsberechnung und die Rückführung von Messgrößen für die meisten elektrischen und elektronischen Messgeräte. ⓘ