Wie genau ist Ihr Sensor?

Wie genau ist Ihr Sensor? Ein Wegweiser durch den Dschungel der Genauigkeitsangaben Michèle Beyer Der Begriff „Genauigkeit“ existiert lediglich igkeitsangabe die Nichtlinearität. Fälschli- im Sprachgebrauch der Anwender. Er ist in cherweise wird sie häufig als Linearität be- keiner Norm definiert. Dennoch ist er in zeichnet. Die Nichtlinearität beschreibt wie Genauigkeit kostet Geld. Je ge- vielen Datenblättern von Sensoren zu fin- „krumm“ oder wie „nicht-linear“ eine Kenn- nauer eine Messung sein soll, desto den. Leider gibt es kein gemeinsames Ver- linie ist. Sie beschreibt die größtmögliche ständnis darüber, was Genauigkeit bedeu- Abweichung der Kennlinie von einer Refe- teurer ist die Messtechnik. Anderer- tet. Es gibt nicht die Genauigkeit, sondern renzgeraden. Es gibt prinzipiell drei Metho- seits kann mangelnde Genauigkeit eine Vielzahl von genauigkeitsrelevanten den diese Referenzgerade zu ermitteln: die Angaben. Alle zusammen beschreiben die Grenzpunkteinstellung, die Kleinstwertein- noch viel mehr Geld kosten, wenn „Genauigkeit“ eines Gerätes. stellung (BFSL) und die Anfangspunktein- dadurch die Produktqualität leidet. Die genauigkeitsrelevanten Faktoren für stellung. Wobei letztere aber eher selten an- Drucksensoren sind normenübergreifend zutreffen ist. Bei der Nichtlinearität nach Die Genauigkeit sollte folglich bei einheitlich definiert. Dennoch lassen sich Grenzpunkteinstellung geht die Referenz- der Auswahl eines Sensors eine die Herstellerangaben kaum miteinander gerade durch den Kennlinienanfang und – entscheidende Rolle spielen. Die vergleichen, denn welche und wie Genauig- ende; während bei der BFSL-Methode (Best keitsangaben im Datenblatt spezifiziert wer- Fit Straight Line) Referenzgerade so gelegt richtige Wahl kann jedoch nur den ist Herstellersache. Selbst wenn zwei wird, dass die maximale positive und nega- derjenige treffen, der sich „im Hersteller die gleichen Begriffe verwenden, tive Abweichung gleich groß ist. Die Nichtli- so ist leider nicht sichergestellt, dass auch nearität nach Grenzpunkteinstellung liefert Dschungel“ der Genauigkeits- das Gleiche damit gemeint ist. Häufig wer- im Vergleich zur Kleinstwerteinstellung angaben zurechtfindet. den wichtige Zusätze, einfach weggelassen. deshalb den betragsmäßig größeren Fehler. In der Praxis bedeutet dies: Zwei Geräte, die Sie ist jedoch für den Anwender messtech- auf den ersten Blick die gleiche „Genauig- nisch am leichtesten nachvollziehbar. Die keit“ zu haben scheinen, können sich bei nä- Nichtlinearität nach Kleinstwerteinstellung herer Betrachtung drastisch unterscheiden. hingegen ist in vielen Fällen der aussage- Entsprechend gibt es natürlich auch den um- kräftigere Wert. Er beschreibt das Potential gekehrten Fall, wie folgendes Beispiel zeigt: der Kennlinie. Wie groß der Unterschied zwischen der Dipl.-Ing. (FH) Michèle Beyer ist Nichtlinearität nach Grenzpunkteinstellung Produktmanagerin bei der WIKA Nichtlinearität und nach der BFSL-Methode tatsächlich ist Alexander Wiegand GmbH & Co. KG Für viele Praktiker ist die aussagekräftigste hängt von der typischen Form der Kennli- in Klingenberg und daher am häufigsten genannte Genau- nie des jeweiligen Drucksensors ab. Die       MSR Magazin 5/2008 SENSOR+TEST 2008 Nichtlinearität nach Grenzpunkteinstellung Fehler des Nullpunktes und der Spanne ge- kann dabei bis zu Faktor zwei größer sein. trennt aufgeführt. Ein Gerät, das bei Raum- Leider ist vielen Datenblättern nicht ein- temperatur noch eine ausreichende Genau- deutig zu entnehmen, nach welcher Metho- igkeit bietet, kann bereits bei 10K Abwei- de die Nichtlinearität ermittelt wurde. Eine chung einen doppelt so großen Fehler ha- Vergleichbarkeit der Angaben ist deshalb ben. Was viele nicht wissen: Um den Fehler häufig nur nach Rücksprache mit dem Her- im Endwert zu berechnen, müssen die Tem- steller möglich. peraturkoeffizienten von Nullpunkt und Spanne aufaddiert werden. Typische Werte Stabilität Kein Gerät ist wie das andere. Das gilt auch Vergleich für die Genauigkeit von Drucksensoren. Die Genauigkeitsangaben in Datenblättern Tatsächlich wird bei einer Vielzahl von Ge- beschreiben üblicherweise den Zustand räten die Nichtlinearität deutlich besser des Gerätes am Ende des Produktionspro- sein, als der im Datenblatt spezifizierte max. zesses. Bereits beim Verlassen des Herstel- Wert. Nur so ist sichergestellt, dass die lers, seines Lagers, beim Transport usw. durch Toleranzen und Streuungen bedingte kann das Gerät Bedingungen ausgesetzt Abweichung einen bestimmten Maximal- werden, die seine Genauigkeit nachhaltig wert sicher nicht überschreitet. Diese (bes- beeinflussen. sere) Genauigkeit wird als typischer Wert Jedes auch noch so präzise und hochwer- bezeichnet. Entsprechende Genauigkeiten tige Gerät ändert im Laufe seines Lebens werden deshalb bei vielen Exemplaren mit seine Genauigkeit. Diese Veränderung be- „typ.“ gekennzeichnet. Wie viele Geräte die- zeichnet man als Langzeitdrift bzw. Lang- Nichtlinearität se „typische Genauigkeit“ tatsächlich ein- zeitstabilität. Die Größenordnung dieser halten wird von fast keinem Hersteller ein- Drift wird maßgeblich durch die Einsatzbe- deutig spezifiziert. Man kann aber üblicher- dingungen bestimmt. In vielen Fällen trägt weise davon ausgehen, dass eine „typische die Stabilität wesentlich mehr zum Gesamt- Genauigkeit“ dem 1-Sigma-Wert nach der fehler bei als z. B. die Nichtlinearität. Werte Gauß’schen Normalverteilung entspricht. die zwei- bis dreimal höher liegen sind nicht D.h. ca. 68,27% der Geräte halten den ty- unüblich. pischen Wert ein. Für den Anwender be- Angaben zur Stabilität in den Hersteller- deutet also die Angabe einer typischen Ge- datenblättern sind so gut wie nicht ver- nauigkeit, dass der Hersteller nicht garan- gleichbar. Die unterschiedlichen Normen Typische Werte tiert, dass 100% der ausgelieferten Geräte beschreiben zum Teil sehr unterschiedliche die angegebene Genauigkeit einhalten. Je Tests zur Ermittlung der Stabilität. Zudem nach Streuung der Messwerte kann der ist keiner dieser Tests ein wirkliches Abbild max. Wert um das zwei- bis dreifache grö- der reellen Einsatzbedingungen. Kann es ßer sein als der typische Wert. auch nicht sein, denn diese sind von An- wendung zu Anwendung viel zu unter- schiedlich. Die Stabilitätsangaben gelten Messabweichung folglich nur für den Einsatz unter Laborbe- Der wohl „ehrlichste“ Wert ist die Messab- dingungen bzw. Referenzbedingungen. weichung. Sie ist ohne Aufwand direkt aus der Kennlinie ablesbar und beinhaltet alle In der Praxis relevanten Fehler bei Raumtemperatur wie Nichtlinearität, Hysterese, Nichtwiederhol- Die Hysterese und die Nichtwiederholbar- Messabweichung und Hysterese barkeit und Messabweichung am Messbe- keit sind so ziemlich die einzigen Fehler mit reichanfang und –ende. Wenn der Anwen- denen man leben muss. Alle anderen Fehler der sein Gerät bei Raumtemperatur be- lassen sich mit entsprechendem Aufwand treibt, ist dies der Fehler mit dem er tatsäch- minimieren oder gar eliminieren. Am Ein- lich seinen Druck erfasst. fachsten und Anschaulichsten funktioniert Von Herstellerseite wird die Messabwei- dies beim Nullpunktfehler.