Industrielle Automation 4/2019

Matthias Bundschuh,

Matthias Bundschuh, Product Management Calibration Technology, bei der Wika Alexander Wiegand SE & Co. KG in Klingenberg Primärnormal erreicht die Produktion Digitale Druckwaage lässt sich in automatisierte Verfahren integrieren Digitale Druckwaage Typ CPD8500 Kolbenmanometer markieren das genaueste Ende der Druckmesskette. Auf ihrem Messprinzip baut die digitale Druckwaage auf. Deren Einsatz reicht mittlerweile über das Kalibrierlabor hinaus: Die Funktionalität der neuen Druckwaagen-Generation ermöglicht die Integration in die automatisierte Fertigung von Drucksensoren. Prüfprozesse können nun mit Genauigkeiten eines Primärnormals gefahren werden. Das Pitot-Statik-System eines Flugzeugs erfasst den statischen Druck und den Staudruck. Auf diesen Messwerten basiert die Anzeige von Fluggeschwindigkeit und -höhe sowie des Sink- und Steigverhaltens. Die im System verbauten Drucksensoren müssen in regelmäßigen Intervallen überprüft beziehungsweise kalibriert werden. Das kann mit Hilfe sogenannter Air-Data- Testsets ohne deren Ausbau direkt am Flugzeug geschehen. Der sichere Flugbetrieb hängt somit auch von der Messqualität des Prüfmittels entscheidend ab. Daraus erwächst eine hohe Anforderung an dessen Re-Kalibrierung. Bei der Messgröße Druck liefert ein Kolbenmanometer, auch Druckwaage genannt, die höchsten Genauigkeiten. Dieser Gerätetyp, der auch bei den nationalen metrolo gi schen Instituten als Referenzgerät ver wendet wird, funktioniert komplett mechanisch. Jeder Kalibriervorgang er fordert allerdings eine Reihe manu eller Arbeitsschritte, vom Auflegen der definierten Massescheiben für den Prüfdruck bis zum Anbringen einer Vakuum-Glocke bei Absolutdrücken. Hinzu kommt die Verrechnung der elektronisch erfassten Umgebungsparameter, via PC oder per Handeingabe. Kalibrierprozesse in der Luftfahrt optimieren Die Präzision eines Kolbenmanometers entsprach genau den qualitativen Vorgaben, die sich ein Luftfahrt-Kunde von Wika bei der Kalibrierung seiner Air-Data-Testsets gestellt hatte. Zugleich aber strebten die Verantwortlichen an, die Prüfabläufe zu verschlanken. Um diesen Spagat zu schaffen, entschieden sie sich für die Druckwaage CPD8500 von Wika, der digitalisierten Form eines Kolbenmanometers. Bei diesem Typ wird die Genauigkeit bis zu 35 ppm über eine Wägezelle erzielt, ein Massensatz ist daher verzichtbar. Die integrierte Sensorik steuert den anwendungsspezifischen Betrieb, sie ersetzt die sonst erforderlichen Handgriffe und Berechnungen. Sämtliche Parameter und Steuerungsbefehle lassen sich via Touchscreen eingegeben. Mit der digitalen Druckwaage als Basis automatisierte der Kunde die Kalibrierung seiner Air- Data-Prüfmittel und reduzierte den Zeitaufwand von einem Tag auf wenige Stunden. Einsatz in der automatisierten Fertigung von Drucksensoren Der Einsatzmöglichkeiten der digitalen Druckwaage reichen jedoch über Kalibriereinrichtungen hinaus, vor allem in der Industrie. Die neue Gerätegeneration lässt sich auch in die Prüfverfahren einer automatisierten Fertigung von Drucksensoren 30 INDUSTRIELLE AUTOMATION 4/2019

SENSORIK UND MESSTECHNIK integrieren. Der Bedarf an einer solchen Lösung, zum Beispiel für Temperaturkompensationsanlagen, hat zugenommen: Im Streben nach mehr Sicherheit und Effizienz definieren die Hersteller zunehmend strengere Standards für ihre Verfahren. So reicht manchen die branchenübergreifende Faustregel, die Genauigkeit des Kalibriergeräts müsse viermal so hoch sein wie die des Prüflings, längst nicht mehr in allen Fällen aus. Druckcontroller, die üblicherweise zu automatisierten Prüfabläufen herangezogen werden, stoßen bei dieser Maßgabe rasch an ihre Grenzen. Das gilt selbst für ein High-End- Gerät wie dem Typ CPC 8000 von Wika, der mit einer Genauigkeit von 0,008 % arbeitet. Wer höhere Genauigkeitswerte wünscht, muss die Technik eines Primärnormals einsetzen. Die digitale Druckwaage erfüllt diese Voraussetzung. Sie misst, wie erwähnt, mit einer Genauigkeit von 0,0035 % (oder eben 35 ppm). Zudem ist der Messfehler über einen Bereich zwischen 10 und 100 % des Messwerts definiert. Das Ergebnis fällt deutlich differenzierter aus als beim Druckcontroller mit einer Spanne von 33 bis 100 % des Messwerts. Der geprüfte und entsprechend korrigierte Sensor kann somit effizienter betrieben werden. CPC6050, zu einer synchronen Messeinheit zusammenfügt. Die Druckwaage ist per USB- Kabel mit dem Controller verbunden und fungiert dabei als dessen externer Sensor. Das bedeutet, dass der Regelalgorhythmus die CPD8500 zur Berechnung der Regelparameter verwendet. Der Messwert der Druckwaage wird auf dem Controller gespiegelt. Was eine digitale Druckwaage auszeichnet Die Druckwaage selbst setzt sich aus zwei Teilen zusammen: dem Grundgerät mit der Wägezelle in Relativdruck- oder Absolutdruck-Ausführung sowie dem Messkopf, ebenfalls entweder für Absolutdruck (bis 20 bar) oder Relativdruck (bis 500 bar). Der Messkopf enthält ein Kolben-Zylinder-System, das den Druck auf die Wägezelle überträgt. Diese misst kontinuierlich die Kraft, mit welcher der Kolben auf die Wägezelle drückt und wandelt sie im zweiten Schritt in Druck um. Die entscheidende Kenngröße eines Messkopfs ist der Kolbenquerschnitt. Je größer der aufzunehmende Druck, umso kleiner muss der Querschnitt ausfallen. Ein bürstenloser Motor dreht den Kolben, damit Reibungseffekte zwischen Kolben und Zylinderwand minimiert werden und der Kolben einfacher in seine Schwebeposition gelangt. Weitere für einen automatisierten Prüfverlauf wichtige Kontrollfunktionen sind in jeder Version der CDP8500 integriert. Ein Umgebungsmodul, das zwecks Sensorkalibrierung leicht ausgebaut werden kann, erfasst Druck, Temperatur und Feuchtigkeit zur Berechnung der Luftdichte. Ein Fühler für die Kolben-Zylinder-Temperatur und eine barometrische Referenz liefern weitere sensible Parameter, um die der Druckmesswert kompensiert wird. Die Genauigkeit der Druckwaage beruht auf dem optimalen Zusammenspiel aller verbauten Sensoren, die sich auf ihre jeweils beste Performance einstellen lassen. Bei den beiden wichtigsten Komponenten, Wägezelle und Kolben-Zylinder-System, geschieht dies mittels einer 11-Punkt-Linearisierung über den gesamten Messbereich. Die Messqualität der Wägezelle lässt sich darüber hinaus auf typische Kolbenmanometer- Weise überprüfen: mit einem Massesatz. Bilder: Aufmacher kalafoto-stock, sonstige Wika www.wika.de Messgerät und Druckcontroller als perfektes Team Wie bei ihrem mechanischen Pendant, handelt es sich bei der digitalen Druckwaage um ein reines Messgerät. Zur Integration in einen automatisierten Prozess benötigt sie daher einen Druckcontroller, der die notwendige Regeltechnik bereitstellt. Die CPD8500 verfügt aus diesem Grund über ein neues Feature („Closed Loop“), das sie und ihren Partner, den Druckcontroller Typ Druckmessung der neuen Generation Eine digitale Druckwaage ermöglicht die Genauigkeit eines Primärnormals in automatisierten Prüfverfahren. Sie lässt sich inzwischen auch in die Produktion von Drucksensoren integrieren. Voraussetzung dafür ist die Synchronisation des reinen Messgeräts Druckwaage mit einem geeigneten Druckcontroller, der die notwendige Regeltechnik bereitstellt. Die Anwendungen reichen von Kalibrierlaboren über Hersteller von Luft- und Raumfahrtgeräten bis hin zu Herstellern von Präzisionsdrucksensoren. Your Global Automation Partner Steuerparadies! HMI-Panels mit CODESYS-SPS Moderne Kompaktgeräte mit Mehrkern-Prozessoren und Linux zur einfachen Programmierung von Steuerungsund Visualisierungsfunktionen mit CODESYS 3 Flexibel einsetzbar als PROFINET Master, EtherNet/IP Scanner, Modbus TCP/RTU Master oder Modbus TCP/RTU Slave Brillante TFT-Glas-Displays mit kapazitivem Touchscreen und Gestensteuerung, verfügbar in Bildschirmdiagonalen von 5, 7, 10, 15 und 21 Zoll www.turck.de/tx700