Dual Absolute®: die neue Grenze des Leak Testing
Im Bereich der Leckage-Messung sind derzeit zwei Arten von Druckabfall-Instrumentierungen bekannt und weit verbreitet: solche mit absolutem oder relativem Druckabfall und solche mit differentiellem Druckabfall mit Referenzstück.
Obwohl die Messqualität beider Gerätetypen in Normen beschrieben und katalogisiert wird, ist der Anwendungsbereich der einen oder anderen Methode nicht immer klar und eindeutig definiert, sodass sich in der Mehrzahl der praktischen Fälle die beiden Systeme überschneiden. Dies liegt auch daran, dass sich im Laufe der Zeit die Technologien und Komponenten weiterentwickelt haben; die Grundschemata wurden erweitert und immer leistungsfähiger, sowohl bei der Management-Software als auch hinsichtlich Varianten, Optionen und pneumatischen Modulen, die in den ursprünglichen Schaltungen nicht vorgesehen waren. Probenvolumen, elektronische Regler, Kapazitätsmesser, Unterdruckgeneratoren, Manifolds, isobarische oder koaxiale Gehäuse wurden den Geräten hinzugefügt, um deren Wirksamkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern.
Eine der Schaltungsvarianten, die sich nun zu verbreiten beginnt, ist die duale Technologie.
Dieses neue System, auch Dual Absolute Leak Tester genannt, steht nicht auf der Liste der Optionen und schon gar nicht in einer Mittelzone zwischen den beiden vorherigen Messarten, sondern eröffnet neue Horizonte, indem es die Qualität der Messung verbessert und die beiden bereits bestehenden Grundtypen vereinfacht.
Wenn Differentialsysteme historisch gesehen mit dem doppelten Zweck entstanden sind, sowohl die Auflösung des Druckabfalls zu erhöhen als auch den thermischen Verlauf des Prüflings zu kompensieren, so ist es auch wahr, dass sich die Technologie im Laufe der Zeit exponentiell verbessert hat in Bezug auf die Erfassung von Dehnungsmessstreifen und elektronischen Wandlern, wodurch parallel die Qualität der absoluten Druckabfall-Systeme gesteigert wurde.
Ein technologischer Parallelismus lässt sich im Bereich der Gewichtsmessung ziehen, wenn man Schub- oder dynamometrische Waagen mit Balkenwaagen vom Typ Schnellwaage mit Referenzgewichten vergleicht. Obwohl Vergleichswaagen von unfehlbarer Präzision zu sein scheinen, haben diese Systeme im Laufe der Zeit Platz für die Messung mit Dehnmessstreifen-Wägebrücken gemacht, welche dank der Elektronik seit mehreren Jahrzehnten sowohl in der Präzision als auch in der Anwendungsfreundlichkeit jedes andere vorherige mechanische System übertroffen hat, wodurch Kosten, Wartung und mechanische Bauteile reduziert und Effizienz sowie Zuverlässigkeit gesteigert wurden.
Die Auflösung des Δp/Δt
Analog zu einem gravimetrischen Dosiermesssystem spielt auch bei einem Leckage-Messsystem mit Druckabfall der Faktor Messauflösung eine Schlüsselrolle für die Anwendungsqualität, möglicherweise sogar mehr als die Eigenschaft der globalen Langzeit-Genauigkeit. In numerischen Begriffen, unter Bezugnahme auf die im Web veröffentlichten technischen Daten verschiedener Hersteller von Leak Testern, zeigt sich, dass der heute verbreitete Standard eine Auflösung von 0,1 Pa bis 16 bar für Differentialsysteme gewährleistet, ein Wert, der sich bei absoluten Druckabfall-Messgeräten auf 3 bar reduziert.
Das bedeutet, dass bei der Installation eines Druckaufnehmers, beispielsweise mit einer Skala von +/- 50 Millibar, in einem Differenzialsystem und dem Vergleich mit dem direkten Druck eines Absolutdruckmessgeräts mit einer maximalen Skalierung von 3000 Millibar, beide Messungen in Bezug auf die Auflösung des Δp/Δt auf die gleiche Weise funktionieren. Würden wir hingegen einen 6-bar-Druckaufnehmer im Absolutsystem installieren, würde sich die Auflösung um das Doppelte verschlechtern, das heißt, sie würde sich auf etwa 0,2 Pa pro Teilung verdoppeln.
Angesichts des geringen Vorteils in Bezug auf die Erfassung ist klar, dass die Differenzialsysteme aufgrund ihrer größeren mechanischen Komplexität hauptsächlich Vorteile bei der Kompensation der Messung in Bezug auf Temperatur und mechanische Belastung des Prüflings bringen, anstatt in Bezug auf die Präzision des Druckabfalls.
Technische Überlegungen
Genauer betrachtet ist es bei diesem Aspekt der Auflösung notwendig, für einige rein technische Überlegungen zu verweilen.
Der erste Punkt ist, dass in der Praxis der Tausenden von ForTest gelösten Anwendungen etwa 90% innerhalb des Druckbereichs von 6 bar liegen, während 60% innerhalb von 3 bar Prüfdruck liegen. Obwohl der Unterschied der Vorteile bereits minimal ist, gibt es daher in mehr als einem von zwei Fällen keinerlei Nutzen, nicht einmal theoretisch, in Bezug auf die Auflösung bei der Verwendung eines Differenzdruckmessgeräts.
Außerdem ist es bei Anwendungen über 6 bar nicht ratsam, einen Δp/Δt-Schwellenwert für Leckage nahe dem Auflösungsvermögen des Messgeräts einzustellen. Vielmehr ist offensichtlich, dass je höher der Prüfdruck ist, desto proportional größer wird der zu messende Druckabfall. In der Praxis ist es bei Drücken über 8 bar stark davon abzuraten, Δp-Werte unter 100 Pa einzustellen; bei derartigen Betriebsbedingungen macht es keinen Unterschied, ob man eine Auflösung von 0,1 oder 0,2 Pa zur Verfügung hat, außer zu Werbezwecken.
Die letzte Überlegung ist, dass diese Auflösungsdaten in der Regel bei null gemessen werden, das heißt, sie werden mit Primärstandards bei Umgebungsdruck verglichen. In der Praxis ist wenig bekannt, außer durch Laborversuche mit Leckagen und Probenvolumen beim tatsächlichen Testdruck, über das effektive Verhalten in Bezug auf die Auflösungshysterese. Das bedeutet, dass jede Membran, sei es absolut oder differenziell, die einem Offset-Druck (oder einem Gleichtaktdruck im Fall von Differenzialmembranen) ausgesetzt ist, unvermeidlich einem mechanischen „Rauschen“ und einem Stress unterworfen ist, die unter den Zertifizierungsbedingungen nicht berücksichtigt werden.
Selbstverständlich definiert die Qualität des Differentialdrucktransmitters, als das „Herz“ dieser Systeme, größtenteils die metrologische Qualität der handelsüblichen Geräte sowie die Zuverlässigkeit in Bezug auf Robustheit gegenüber Druckspitzen und Kompatibilität mit Feuchtigkeit oder Verunreinigungen der Testluft oder solchen, die in den zu prüfenden Teilen vorhanden sind.
Die Temperaturkompensation
Wenn die Technologie der Signalwandlung und Digitalisierung von Kraft- und Drucksignalen über die Jahre die Eigenschaften der verschiedenen Messsysteme erheblich angenähert hat, zumindest in Bezug auf die Auflösung, so ist es ebenso wahr, dass die „physischen“ Problematiken der Kompensation thermischer und mechanischer Schwankungen dieselben geblieben sind. In diesem Szenario spielen die Differenzialsysteme noch immer eine erstrangige Rolle.
Bei der Analyse symmetrischer differenzieller Druckabfallmessungen, das heißt verglichen mit einem Referenzteil, haben wir noch immer zwei gegensätzliche Fälle, bei denen die absoluten Leak Tester benachteiligt sind. Es handelt sich um die Fälle von Prüfungen an Teilen mit sehr kleinem Volumen bei höchster Produktivität (Reifenventile, Verschraubungen, Medizintechnikische Komponenten usw.), wo die Zykluszeit entscheidend ist und die Messgeschwindigkeit ein vorherrschender Parameter ist, sowie um die Fälle großer Testvolumen, wo die elastischen und temperaturbedingten Driften zu deutlich einwirken, um nicht kompensiert zu werden.
Tatsächlich haben in beiden Fällen alternative Messsysteme geeignetere Lösungen gegenüber Differenzdruckmessgeräten aufgezeigt. Zum Beispiel Compliance-Recovery-Systeme oder Glocken-Abfangverfahren für kleine Volumina und Mass-Flow-Systeme für große Bauteile.
Die aktuelle Forschung wird jedoch im Rahmen der Verbesserung der Anwendung von Differenzialsystemen durchgeführt. In dieser Sichtweise ist die Kalibrierung mittels Referenzprüfling das, worauf wir uns konzentrieren. Auch deshalb, weil die dargelegten Konzepte der Absolutmessung, Differenzialmessung und Dualmessung tatsächlich übergreifend für die verschiedenen Typologien sind und auf unterschiedliche Weise auf die physikalischen Prinzipien der verwendeten Sensoren anwendbar sind.
Messungen an Kleinvolumteilen
Was die Messungen an Teilen mit kleinem Volumen betrifft, mit dem Ziel, die Testzeiten zu begrenzen (zum Beispiel 1,2s Gesamtzeit für den Start-to-End-Zyklus, 1cc Test, leakage = 10 cc/h @ 2bar) und obwohl die Absolutmessung über einen sehr hohen Dynamikbereich verfügt und nicht die langen Stabilisierungszeiten benötigt, die dagegen bei den Differentialsystemen erforderlich sind, ist festzustellen, dass die „mechanische“ Auswuchtung des Differentialwandlers in Wirklichkeit noch unmittelbarer und schneller ist als bei den dualen Systemen.
Dies bedeutet, dass bei so kurzen Zeiten (in der Regel 100/200 ms) für die Erfassung des Druckabfalls Δp/Δt bereits kleine Phasenverschiebungen des Signals der beiden Membranen oder deren Resonanzen zu großen Gesamtfehlern bei der Messung führen. Solche Fehler sind in Wirklichkeit nicht vorhanden, wenn die Durchlassbandbreite bei den Signalanstiegen unter 100 Hz gehalten wird, das heißt mit Δp/Δt-Zeiten über einer halben Sekunde. In jedem Fall werden in diesen „ultra fast“-Fällen bei Anwendungen mit Mikrovolumen sicherlich traditionelle pneumatische Differentialschaltungen bevorzugt, auch wenn diese mit Mikroventilen, Sensoren und Leitungen überarbeitet wurden, die so klein wie möglich dimensioniert sind.
Wenn man bedenkt, dass unter diesen besonderen Mikrovolumen-Bedingungen der Druckabfall, der bei einem Leck entsteht, immer sehr hoch ist, vereinfacht die Anwendung von Sensoren mit ebenfalls geringem Totvolumen wie MEMS- oder Festkörper-Brücken anstelle von kapazitiven Sensoren die Problematik bezüglich Bruch und Zuverlässigkeit und gewährleistet außerdem eine sehr große Dynamik des hohen Messbereichs, wenn auch mit einer begrenzteren Auflösung.
Dies ist der umgekehrte Fall zur Messung von Bauteilen mit großem Volumen, wo es notwendig ist, über möglichst stabile und gegen jede Art von Rauschen und Drift immune Messungen zu verfügen, auch auf Kosten der Bandbreite. Hier sind die Auflösung und die Stabilität bei Messungen bis zu 60/120 Sekunden die charakteristischen Eigenschaften. In allen Fällen der „direkten“ Messung ist zu bedenken, dass das Verhältnis zur Leckage immer umgekehrt proportional zum Druckabfall Δp/Δt ist. In diesen Fällen empfiehlt es sich, alle möglichen Konvertierungsbits zu nutzen, die die AD-Komponenten bieten, sowie verstärkte Filter und EMV-Immunität einzusetzen.
Messungen an Großvolumteilen
Im Vergleich zu den Bedingungen bei kleinen Teilen stellt sich das physikalische und pneumatische Szenario bei der Messung von Teilen mit großen Volumina deutlich anders dar, das heißt in Fällen, wo hohe Sensitivitäten erforderlich sind, bereits ab Größen über 250 cc. In diesem Bereich haben alle Hersteller von Messgeräten, einschließlich ForTest, Systeme zur Unterstützung der Verwendung von Referenz-Musterteilen erforscht. Ein Großteil der auf Software-Algorithmen basierenden Technologie sieht die Charakterisierung von als „gut“ betrachteten Prüfungen vor, das heißt innerhalb eines Bandes extremer Sicherheit, um auf „anti-transiente“ Weise einen dynamischen Offset zu recreieren und kontinuierlich eine Dynamische Offset-Kompensation bei der Messung (DOC) regulieren zu können. Alles bereits weit verbreitete Systeme wie Auto-Zero-Algorithmen der am häufigsten verwendeten Wägesysteme, die sich in Wirklichkeit nur teilweise an die umfassenderen Problematiken der komplexen Leak Testing-Prozesse anpassen.
Der Nachteil dieser Systeme und alternative Lösungen
Der Hauptnachteil dieser Offset-Korrektur-Systeme liegt in der Unfähigkeit, die verschiedenen Fehler einzeln zu trennen und zu korrigieren. So effektiv sie auch sind, diese automatischen Kompensationen können nur dann Unterstützung bieten, wenn sie in kleinen Prozentsätzen des Sollwerts eingesetzt werden, da sie nur dem Zweck dienen, langsame/sehr langsame Fehlervariationen nachzuvollziehen. Im Allgemeinen wird jedoch die Gesamtmessung durch verschiedene Störphänomene verfälscht, die durch die Überlagerung mehrerer Faktoren entstehen, wie mechanische Bewegungen, Materialspannungen, Elastizität der Anschlussverbindungen zu den Prüfteilen und nur teilweise durch Umgebungstemperaturschwankungen.
Andere weit verbreitete Systeme ermöglichen es, mittels Temperatursonden den Verlauf der Umweltfaktoren zu erfassen und dabei eine Offset-Kompensation in Pa/Grad Celsius (DOCT) zu erstellen. In diesem Modus wird nach einer Analysephase mit praktischen Produktionstests, d.h. der Erfassung der Messungen im Excel-Format unter Korrelation mit den gemessenen Temperaturen, ein Korrekturfaktor in die Messung eingeführt, um die Temperaturschwankungen zu kompensieren. Obwohl diese Algorithmen in der Einrichtungsphase aufwendiger sind, haben sie den Vorteil, dass sie sich darauf beschränken, nur das thermische Phänomen zu kompensieren und somit eine übermäßige Anhäufung zu korrigierender Phänomene zu vermeiden.
In allen Fällen hilft eine Kalibrierung mittels eines Referenzteils oder eines Referenz-Emulators erheblich bei der Stabilität und Wiederholbarkeit der Messung, nicht zuletzt in Bezug auf die Erfassung der thermischen Umgebungsbedingungen.
Absolutdruckabfall-Messgeräte
Es ist zu beachten, dass differentielle Leckagemessgeräte üblicherweise in drei praktischen Konfigurationen verwendet werden, die allgemein zusammengefasst werden können als:
- Asymmetrisches Differenzial, also mit einer Referenzseite, die durch einen Stopfen verschlossen ist. Dies stellt eine Vereinfachung bei der Installation dar und macht es einem absoluten System gleichwertig.
- Differenzial mit zentralem Nullpunkt, vorgesehen für die Messung von zwei Teilen gleichzeitig.
- Symmetrisches Differenzial, der echte ausbalancierte Komparator, bei dem die Referenzseite mit einem hermetischen Referenzstück verbunden ist.
Betrachten wir nun die Vorteile der Verwendung von Referenz-Prüfstücken in den verschiedenen Modalitäten.
Von diesen drei Anwendungs-Layouts erweist sich das symmetrische Layout mit Referenzstück als die Methode, die die besten Ergebnisse in Bezug auf Genauigkeit, Wiederholbarkeit und vor allem Unterdrückung von temperatur- und mechanisch belastungsbedingten Störungen liefert.
Anwendungen mit Mikrovolumina
Bei Anwendungen mit Mikrovolumen, wo die vorherrschende thermische Masse und die sich ausdehnenden Elemente praktisch die Verbindungsschläuche zum Prüfling sind, ermöglicht die Verwendung eines Referenzkreislaufs, der dem Messkreis so ähnlich wie möglich ist, das System perfekt auszubalancieren und neben der Temperatur auch die Ausdehnung beider Kreislaufseiten (Test und Reference) zu korrigieren, da so kleine Prüflinge in der Regel starr sind. In diesen Fällen reicht ein einfacher, identischer, auf der Referenzseite versiegelter Schlauch gleicher Länge wie der Testanschluss mehr als aus, um sowohl hervorragende Wiederholbarkeiten als auch drastische Reduzierungen der Stabilisierungszeiten zu erzielen. Bei metallischen Prüflingen gewährleistet eine Blindverschraubung als Verschluss am Ende des Referenzschlauchs eine „Temperaturerfassungsfunktion“, die die Anwendung weiter verbessert.
Anwendungen bei größeren Volumen
Diese Aussage trifft nicht mehr zu im zweiten Anwendungsfall eines Differenzmessgeräts, das heißt in den häufigeren Anwendungen zur Prüfung von Bauteilen mit Volumina, die bereits größer sind als die Totvolumina der Verbindungsschläuche. Zur Verkomplizierung des an sich schon komplexen Szenarios entstehen Probleme im Zusammenhang mit der mechanischen Belastung der Bauteile und der endogenen Erzeugung parasitärer Temperaturen bei wiederholten Prüfungen am selben Bauteil.
Es zeigt sich nämlich bei der praktischen Anwendung von Referenzteilen und entgegen der gewünschten Messungskompensation, dass die Volumenvarianz aufgrund der Ausdehnung der beiden zu prüfenden Teile ihrerseits Messfehler verursacht. Man bedenke, dass in einem System mit differenziellem Druckabfall, wie es üblicherweise für industrielle Produktionen mit hoher Betriebsfrequenz verwendet wird, die mechanische Ausdehnung des zu prüfenden Teils auf den Messvorgang begrenzt ist, während sich die mechanische Belastung des Referenz-Vergleichsteils über die gesamte Nutzungsdauer der Apparatur über eine unbestimmte Anzahl von Zyklen akkumuliert, was de facto zu einer kontinuierlichen Drift des Verhaltens der beiden Teile bereits nach 15/30 Minuten Arbeit im konstanten Betrieb führt.
In diesen Fällen ist nicht mehr nur die Ausdehnung der Rohre oder der internen Kreisläufe der Instrumentierung ausschlaggebend, wie bei Anwendungen mit Mikrovolumen, sondern die Werkstücke selbst verursachen den Wiederholbarkeitsfehler.
Entsprechend führt die kontinuierliche Druckbeaufschlagung und Entleerung nur des Referenz-Prüflings zu einer zunehmenden Wärmeakkumulation, die endogene Phänomene auslöst, welche die Messkompensation größtenteils zunichte machen und unerwünschte Drifts erzeugen. In der Praxis hat sich aus empirischen Messungen ergeben, dass ein metallisches Teil mit einem Volumen von 300cc, das einem Druck von 2bar relativ ausgesetzt wird, mindestens 20 Minuten benötigt, um die Elastizitäts- und Ruhetemperaturbedingungen wieder herzustellen, das heißt, um sich innerhalb einer Wiederholbarkeitstoleranz von 10% gegenüber der ersten durchgeführten Prüfung wieder zu präsentieren.
Aus diesem Grund wurde im Laufe der Zeit das Konzept der scheinbaren Wiederholbarkeit bei der Verwendung von Leckage-Messgeräten mit Differenzdruckabfall eingeführt, d.h. jenes Phänomen einer guten Wiederholbarkeit bei der Durchführung wiederholter Messungen am selben Bauteil, wobei diese Messstabilität jedoch beim praktischen Einsatz in der Produktion nicht aufrechterhalten wird.
Die Entstehung dualer Absolutsysteme
Um all diese Probleme der Drift und Belastung der Referenzteile zu beheben, entstanden die dualen Absolutsysteme. In einer ersten Version, oder besser gesagt in den Experimentalphasen, präsentierten sich diese Systeme als einfache Erweiterungs- und Modifikationskits für normale Geräte, sowohl absolute als auch differentielle. Durch ein pneumatisches Dreiwegeventil wurde dann ein Abtastverfahren eingeführt, das heißt „Selbsterlernung“ von DOC in automatischer Form, mit Zeitfrequenzen, die schnell genug sind, um die Entwicklung der Umgebungstemperatur zu verfolgen, aber der Referenzseite ausreichend Ruhezeit lassen, um zur ursprünglichen Elastizitätsbedingung zurückzukehren, das heißt zur realen Elastizitätsbedingung, die mit den Produktionsteilen in der Prüfung verglichen werden soll. Dieselben Systeme werden sporadisch von verschiedenen Herstellern verwendet, um mittels Probendüsen die Umweltfaktoren (Tamb und Pamb) zu erfassen und volumetrische Durchflussmessungen praktisch zu kompensieren.
Bei der Druckmessung hat sich im Laufe der Zeit gezeigt, dass durch eine glückliche Kombination positiver Faktoren, die alle in dieselbe Richtung der Verbesserung und Wirtschaftlichkeit des Produkts wirkten, die Schaffung zweier symmetrischer, voneinander unabhängiger absoluter Messzweige, die jedoch durch unterschiedliche Software-Modi gesteuert werden, zu einer unvergleichlichen Verbesserung aller Messtypen geführt hat. Wie zu erwarten war, wurde neben der Verbesserung der symmetrischen Messung tatsächlich die Möglichkeit entdeckt, dank unterschiedlicher Verwaltungsmodi der Dichtheitsprüfungen sowohl die zentrale Nullmessung als auch die asymmetrische Messung erheblich zu verbessern.
Absolutdruckabfall-Messgeräte
Als immer als das „ärmste“ System betrachtet, haben die Absolutdruckabfall-Messgeräte dank der bereits erwähnten Verbesserungen in Erfassung und Wandlung eine immer größere Popularität erreicht und stehen nun gleichberechtigt neben Differenzial- und Mass-Flow-Systemen. Dieser Erfolg ist größtenteils nicht nur der tatsächlichen Messqualität zu verdanken, sondern auch der enormen Einfachheit, Robustheit und Zuverlässigkeit in Wartung und Verwendung im Vergleich zu jedem anderen Leak Tester im industriellen Bereich. Weit entfernt vom grundlegenden Konzept aus SPS, Ventil und Druckwandler ist es durch die methodische Entwicklung von Hardware und Firmware über die Zeit gelungen, präzise und vielseitige Maschinen zu erhalten, mit einem unmittelbareren Ansatz zum Leak Testing-Verfahren.
Es ist nämlich notwendig, sich immer den Anwendungsbereich dieser Geräte vor Augen zu halten (der in der Regel nicht das ideale Labor mit sterilen Bedingungen ist), in dem sich auch einfache Dinge sehr oft mit enormer Leichtigkeit komplizieren.
Obwohl sie bei kleinen Messgrößen scheinbar weniger empfindlich als andere Systeme sind, haben die hohe Dynamik während der Stabilisierungs- und Messphasen des absoluten Druckabfalls und das Fehlen von Grenzen bei hohen Drücken ihre Anwendung in Bereichen etabliert, die für Differenzdruckmessgeräte und Mass-Flow-Systeme nicht empfohlen werden. Zum Beispiel im Medizintechnikischen Bereich, wo neben der Zuverlässigkeit der Pneumatik und der Notwendigkeit der Sterilität und Nichtkontamination der Prüflinge die hohen Schwankungen der verwendeten elastischen Materialien wie Beutel oder Transfusionssets diese Systeme zum Standard auf Kosten der anderen gemacht haben.
Selbstverständlich ermöglicht die Verfügbarkeit einer vollständigen Palette technologischer Lösungen und unterschiedlicher Messmethoden, die von Tracergasen bis hin zu Mikroströmungen, von Rückgewinnungssystemen bis hin zu Druckabfällen reichen, einen Ansatz bei der Anwendung, der stets die am besten geeignete Lösung vorsieht, in erster Linie in Bezug auf Zweck und Einsatzbereich, dann hinsichtlich der Empfindlichkeit und schließlich bezüglich der erforderlichen Zykluszeit.
Vorteile von Absolutmessgeräten
Tatsache bleibt, dass die Anwendung eines absoluten Druckabfallsystems, wo möglich, immer den Charme des „Installieren und Vergessens“ hat, während jede andere Zweisensor-Methode etwas mehr Aufmerksamkeit im metrologischen Bereich erfordert, aufgrund der doppelten Messung. Periodisch ist nämlich eine aufmerksamere Überprüfung und eine Driftkontrolle erforderlich sowie, wie in jedem Fall, eine doppelte Zertifizierung. Zum Beispiel in Fällen von Mass-Flow-Durchflussmessern (die dennoch die Eingriffsfälle im Zusammenhang mit Kapillarsystemen reduziert und vereinfacht haben) ist es immer notwendig, die Qualität der verwendeten Luft und den Sauberkeits- oder Degradationszustand der Messsensoren zu kontrollieren. Insbesondere in differenziellen Druckabfallsystemen ist Verschleiß und Schmutz in den Ausgleichsventilen unvermeidlich aufgrund der notwendigen Entlastung zum Schutz der Lebensdauer des Messumwandlers, während die Pneumatik viel empfindlicher und ausgeklügelter ist als jedes andere System im Vergleich.
Obwohl es noch zu früh ist, Standards zu definieren, da dies größtenteils noch in den Bereich der Forschung und Entwicklung von Software in verschiedenen Modalitäten fällt, kann dennoch bereits eine kurze Beschreibung der dual absoluten Systeme erstellt werden.
Bei dieser Art von Messgeräten ist der einzige verwendete Wandler von hervorragender Qualität und deckt den gesamten Messbereich ab. Er ist daher sehr robust, erfordert nicht zwingend eine Entleerung am Ende der Prüfung und kann Druckstößen standhalten, die durch nicht synchronisierte Entleerungen außerhalb des Geräts verursacht werden, ist nicht besonders anfällig für Verschmutzungen und unempfindlich gegenüber der dielektrischen Kapazität des verwendeten Gases und, innerhalb bestimmter Grenzen, gegenüber dessen Feuchtigkeit.
Darüber hinaus sieht die einfache Pneumatik die Verwendung größtenteils kommerzieller Komponenten vor, die öl- und silikonfrei sind und bei Bedarf mit Zertifizierungen für Lebensmittel-, Verpackungs- und Pharmaawendungen geliefert werden. Die Pneumatik ist daher wartungsfreundlich und, wenn entsprechend konstruiert, eigensicher, das heißt immer leckageanfällig bei Funktionsstörungen. All diese Eigenschaften sind in Pneumatiksystemen für Differentialsysteme schwer zu erreichen, sei es mit symmetrischem Schema, als Master-less-Achse oder mit isobarischen Hohlräumen. Aus diesem Grund erfordert diese zweite Art von Geräten eine häufigere Wartung und genauere periodische Kontrollen.
Bei unseren Differentialgeräten T8960 wurde beispielsweise dennoch die Möglichkeit des Einsatzes von handelsüblichen Ventilen untersucht, um die Vorteile der Austauschbarkeit und Vielseitigkeit der Absolutdruckabfall-Modelle nutzen zu können, wobei die Ausgleichs- und Schutzfunktionen des Wandlers nicht mehr den mechanischen Komponenten, sondern Software-Verfahren und hochfrequenten PWM-Signalen übertragen werden.
In der Praxis ist es jedoch schwierig zu definieren, welches System praktischer in der Anwendung ist. Wie zum Beispiel zu verstehen, ob ein Diesel oder ein Benziner besser ist. Liegt die Zukunft vielleicht in der Hybridtechnologie?
Die duale Technologie
Wie bereits erwähnt, entstehen die neuen dualen Systeme nicht aus dem Grundsatz heraus, einen Mittelweg zwischen den derzeit bekannten Messgeräten zu schaffen, sondern diese zu ergänzen und wo möglich zu verbessern. Indem sie auf die Eigenschaften beider bisher bekannten Typen zurückgreifen, zielen sie grundsätzlich darauf ab, deren Funktionalitäten zu verschmelzen und dabei die Messzyklen zu vereinfachen und zu bereichern. Auf der einen Seite die Zuverlässigkeit und Sicherheit der absoluten Systeme, auf der anderen Seite der „Leckageverstärkungs-Effekt“ der differenziellen Abfallsysteme.
Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale
Obwohl es noch zu früh ist, Standards zu definieren, da dies größtenteils noch in den Bereich der Forschung und Entwicklung von Software in verschiedenen Modalitäten fällt, kann dennoch bereits eine kurze Beschreibung der dual absoluten Systeme erstellt werden.
Das auffälligste Unterscheidungsmerkmal liegt im Vergleich zu einer symmetrischen Differenzialmessung mit Referenzstück. In diesem Fall besteht die Strategie darin, das Referenzstück dennoch während der Testmessphase zu sampeln, wie bei einer Differenzialmessung, jedoch nur in Zeitintervallen, die eine korrekte Vergleichsmessung zum Prüfstück ermöglichen, ohne dabei die elastischen und thermischen Eigenschaften des Referenzstücks zu verfälschen. Diese Samplings werden ihrerseits gespeichert und in vektorieller Weise mit den laufenden Prüfungen verglichen, wodurch praktisch ein virtueller Vergleich bis zu einem neuen Sampling entsteht.
Der Nachweis der Verbesserung ist noch deutlicher, wenn das System im symmetrischen Differenzialmodus mit zentralem Nullpunkt verwendet wird, wo die aktuellen Differenzialsysteme mittlerweile vollständig aufgegeben werden, da sie wegen der Messunsicherheit bei Leckagen auf beiden Seiten als unzuverlässig gelten. In diesem Modus kommt die volle Leistung des dualen Systems zum Ausdruck, da die Vorteile der symmetrischen Kompensation genutzt werden können, während gleichzeitig die Systemsicherheit gewährleistet wird. In der Praxis sieht der Messzyklus in diesem Modus eine Verlängerung der Testzeit nur bei Abweichungen der Absolutwerte vor, wobei ein niedriger Differenzialfaktor erkannt wird. Mit anderen Worten gelingt es so, sowohl von der hohen Immunität gegenüber Umgebungsrauschen durch mechanischen Stress und Temperaturdrift durch echte symmetrische Ausbalancierung als auch von der zuverlässigen Einfachheit des absoluten Druckabfalls zu profitieren.
Im asymmetrischen Differenzialmodus konzentriert sich die Software hingegen auf die Fähigkeit, die Luft nur bei Bedarf abzulassen. Aufgrund der fehlenden Notwendigkeit, den Wandler zu schützen, ist es nicht mehr erforderlich, eine Entleerungsphase am Ende der Dichtheitsprüfung zu erzeugen, wie es bei Differenzialmessgeräten obligatorisch ist. Dies ermöglicht es, die beiden Messseiten so lange wie möglich unter Druck zu halten, sie zu stabilisieren und die komplizierten isobarischen Mechaniken, koaxialen Rohre und andere Ausdehnungsschutz-Kunstgriffe zu vermeiden, die darauf abzielen, die internen Elastizitätsphänomene in den Geräten zu reduzieren. In der Praxis findet die Entleerungsphase, wo möglich, zu Beginn des leak tests statt, nicht mehr am Ende, und die Steuerung erfolgt dadurch, dass die Software erkennt, wann der Bediener oder der Prüfstand das zu prüfende Werkstück entleeren will.
Zusammenfassend
Das sind zusammengefasst die offensichtlichsten Besonderheiten der hier beschriebenen neuen Technologie. Neben diesen Aspekten bezieht sich die Messzertifizierung immer und ausschließlich auf eine relative Messung und in der Praxis wird die gesamte Einfachheit und Zuverlässigkeit eines absoluten Druckabfallsystems gewahrt. In der Praxis erhält man, auch wenn man einige Dezimale Pascal an Auflösung verliert und bei Betriebsdrücken über 6 bar Prüfdruck arbeitet, eine unglaubliche Vereinfachung der bekannteren Differenzialsysteme. Mit dieser Technologie „dreht“ sich nichts mehr zwangsläufig um den Differenzdruckmesswandler, sondern die Hardware wird auf ein Minimum reduziert, während die Software kontinuierlich weiterentwickelt wird.
Wir ermutigen daher sowohl die Techniker der Branche als auch die Gerätehersteller, ForTest zu kontaktieren, um Nachweise und weitere Details zu erhalten und nicht zu zögern, diese neue vielversprechende Technologie zu testen.