Messunsicherheiten von Feuchtesensoren - PTB

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MESSUNSICHERHEITEN VON

FEUCHTESENSOREN

C. Tiebe, M. Detjens, U. Banach

15.03.2018

Gliederung

15.03.2018 Messunsicherheit von Feuchtesensoren 2

1. Hygrometer und Kenngrößen in der Hygrometrie

2. Prüflabor und Messverfahren

3. Ergebnisse und Prüfung auf signifikante Abweichungen

4. Zusammenfassung

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Hygrometer und

Kenngrößen der Hygrometrie

Hygrometer


Messmittel zur Bestimmung der Gasfeuchte / Luftfeuchte

Bildquellen: http://www.fischer-barometer.de/katalog/bilder/fischer/gr_111ms_k.jpghttps://www.epluse.com/uploads/tx_eeproducts/Omniport_Logprobe_web.jpghttps://www.epluse.com/uploads/tx_eeproducts/humidity_sensor_hct01.jpghttps://www.cs-instruments.com/de/produkte/d/taupunktmessung/fa-510515-taupunktsensor-20-bis-50ctd/

Kenngrößen

HumiCalc-Software zur Umrechnung von relativen und absoluten Feuchtewerten


Berechnung der Kenngrößen in Luft über Wasser nach SONNTAG, GREENSPAN, WEXLER und HARDY

D. Sonntag, Zeitschrift für Meteorologie 1990, 70, 5, 340-344.L. Greenspan, Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A - Physics and Chemistry 1976, 80, 1, 41-44.B. Hardy, The Proceedings of the Third International Symposium on Humidity & Moisture 1998, Teddington, England.A. Wexler, Journal of Research of the National Bureau of Standards - A. Physics and Chemistry 1976, 80A, 775-785.

Kenngrößen

HumiCalc-Software zur Umrechnung von relativen und absoluten Feuchtewerten


Berechnung der Kenngrößen in Luft über Wasser nach SONNTAG, GREENSPAN, WEXLER und HARDY

D. Sonntag, Zeitschrift für Meteorologie 1990, 70, 5, 340-344.L. Greenspan, Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A - Physics and Chemistry 1976, 80, 1, 41-44.B. Hardy, The Proceedings of the Third International Symposium on Humidity & Moisture 1998, Teddington, England.A. Wexler, Journal of Research of the National Bureau of Standards - A. Physics and Chemistry 1976, 80A, 775-785.

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Prüflabor und Messverfahren

Prüflabor


• Prüfverfahren in unserem Prüflabor (PL) sind nach den Richtlinien der

DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert

• Formelle Anerkennung der Kompetenz eines PL, bestimmte Prüfungen oder

Prüfungsarten auszuführen

• PL arbeitet mit einem Qualitätsmanagementsystem und dokumentierten

Informationen (Arbeitsanweisung, Protokolle, Prüfbericht)

• Prüfung von Anfragen, Angeboten und Verträgen

• Mess- und Prüfmittelüberwachung

• Kalibrierung der Mess- und Prüfmittel erfolgt in festgelegten Intervallen

• Vergleichsmessungen mit anderen PL oder KL

Verfahren zur Angabe von Messunsicherheiten


DIN EN ISO/IEC 17025:2005

• 5.4.6 Ein Kalibrier- oder Prüflaboratorium muss über Verfahren zur

Angabe der Messunsicherheit (MU) für Prüfungen und Kalibrierungen

verfügen und diese anwenden

Alle wesentlichen Unsicherheitskomponenten sind zu berücksichtigen:

• Anforderungen der Prüfmethode

• Grenzen für die Einhaltung von Spezifikationen (Toleranzen)

• Vergleichbarkeit von Ergebnissen (Sind zwei Ergebnisse verschieden?)

• Grenzwertprobleme (z. B. max. zulässige Feuchte)

• Anforderungen des Kunden

Anforderungen an das Messverfahren


Messungen und Prüfungen müssen

• richtig und präzise

• wiederholbar

• nachvollziehbar

• messtechnisch rückführbar auf SI-Einheiten

Deshalb

• Verwendung von Normalen, Referenzmaterialien, und –verfahren

• Kalibrierung der Messmittel

• Ermittlung und Angabe von Ergebnisunsicherheiten

• Validierung von Mess- und Prüfverfahren

• Dokumentation

Messtechnische Rückführbarkeit


Rückführbarkeit durch Bezug auf Normale, Referenzverfahren und –materialien

• Nationales Normal für die Feuchte → PTB (Feuchtegenerator)

Maßverkörperung, Referenzmaterial, Messgerät oder Messeinrichtung, die den Zweck haben, ein oder

mehrere Merkmale so genau darzustellen, zu bewahren oder zu reproduzieren, um diese an andere

Messgeräte durch Vergleich weiterzugeben.

• Akkreditiertes KL/PL Bezugsnormal (z.B. kalibriertes Präzisionstaupunkt-

Hygrometer, Sekundärstandard)

Normal, im allgemeinen von der höchsten an einem Ort verfügbaren Genauigkeit, von dem an diesem Ort

vorgenommene Messungen abgeleitet werden.

• Innerbetriebliches Kalibrierlabor (z. B. Gebrauchsnormal)

• Messsystem (z.B. Hygrometer)

Generierung definierter Feuchtegehalte

(BAM-Laborsystem)


Gasversorgung

DR 1

set: 2.5 bar

DR 2

set: 2.0 bar

Befeuchter

ein: 2.5 bar

aus: 2.5 bar

RDR 1

2.0 bar

MFR 2

ein: 2.0 bar

aus: 1.3 bar

MFR 1

ein: 2.0 bar

aus: 1.3 bar

Überschuss 1

pamb

Trockner

Vergleichsmessung mit Präzisions-

Taupunkthygrometer


GD

R 2

1.3

bar

Übers

chuss 2

pam

b

Gasausla

ss |

Prü

fgas

pam

b

Taupunkt-hygrometer

pamb

Hygrometerpamb

Messplatzaufbau

DUT

DUT = device under test (Prüfobjekt)

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Ergebnisse und Prüfung auf

signifikante Abweichungen

Einflüsse auf das Messergebnis


1. Exakte Problembeschreibung erarbeiten

2. Welche Ursachen beeinflussen die Messung?

3. Vollständigkeit überprüfen

4. Einzelursachen beurteilen

Ergebnis

/ Messunsicherheit

Mensch

Methode

Material

Maschine

Ergebnisse einer Prüfung (Vergleichsmessung)


#Feuchtesensor (DUT)

Td,DUT / KReferenz Td,R / K

Abweichung ΔTd / K

1 278,15 = 5,4 °C 278,99 = 5,84 °C -0,44

2 284,65 = 11,5 °C 283,17 =10,02 °C 1,48

∆𝑇𝑑 = 𝑇𝑑,𝐷𝑈𝑇 − 𝑇d,RProzessgleichung:

Einflussgrößen der Referenzmessung


Einflussgrößen der Taupunkttemperatur-Bestimmung (Referenz)tdR = 5,86 °C → TdR = 279,01 K

• Standardunsicherheit der Taupunkttemperaturbestimmung SD = 0,12 K (n = 60)

• Auflösung des Taupunkthygrometers 𝛿𝑇𝑑,𝐴𝑢𝑓 = 0,01 K

• Abweichung aufgrund der Abhängigkeit der Messung des Normal-Taupunktspiegel-Hygrometers von der Umgebungstemperatur [DKD-R 5-8]cRT = 0,5 mK/K | 𝛿Tamb = (23 ± 0,5) K

• Messabweichung aufgrund der Kalibrierung und Interpolation 𝛿𝑇𝐾𝑎𝑙 = (-0,02 ± 0,4) K | 𝛿𝑇𝐼𝑃 = 0,07 K

𝑇𝑑,𝑅 = 𝑇𝑑,𝑆𝐷 + 𝛿𝑇𝑑,𝐴𝑢𝑓 + 𝑐𝑅𝑇 · 𝛿𝑇𝑎𝑚𝑏 + 𝛿𝑇𝐾𝑎𝑙 + 𝛿𝑇𝐼𝑃Modellgleichung:

MU-Budget der Referenzmessung


Größe Wert Standard-unsicherheit

Vert. ci Beitrag

TdR,SD 279,01 K 0,12 K N 1 0,12 K

𝛿𝑇𝑑,𝐴𝑢𝑓 0 5,77·10-3 K R 1 5,8·10-3 K

cRT 0,01 K --- --- --- ---

𝛿Tamb 0 K 0,289 K R 0,01 2,9·10-3 K

𝛿𝑇𝐾𝑎𝑙 -0,02 K 0,231 K R 1 0,23 K

𝛿𝑇𝐼𝑃 0 0,0404 K R 1 0,04 K

Td,R= 278,99 K | td,R = 5,84 °C | u(TD,R) = 0,263 K

U(TD,R) = 0,53 K

N = Normalverteilung; R = Rechteckverteilung

Einflussgrößen Feuchtesensor (DUT)


Einflussgrößen der Taupunkttemperatur-Bestimmung (Referenz)tdR = 5,4 °C → TdR = 278,55 K

• Standardunsicherheit der Taupunkttemperaturbestimmung SD = 0,6 K (n = 60)

• Auflösung des Feuchtesensors 𝛿𝑇𝑑,𝐴𝑢𝑓 = 0,1 K

𝑇𝑑,𝐷𝑈𝑇 = 𝑇𝑑,𝑆𝐷 + 𝛿𝑇𝑑,𝐴𝑢𝑓Modellgleichung:

MU-Budget Feuchtesensor (DUT)


Größe Wert Standard-unsicherheit

Vert. ci Beitrag

Td,SD 278,55 K 0,6 K N 1 0,6 K

𝛿𝑇𝑑,𝐴𝑢𝑓 0 5,77·10-2 K R 1 5,8·10-2 K

Td,DUT= 278,55 K | td,DUT = 5,4 °C | u(TD,DUT) = 0,603 K

U(TD,DUT) = 1,2 K

N = Normalverteilung; R = Rechteckverteilung

Prüfung auf signifikante Abweichungen


Nicht akzeptable Abweichungen schwerwiegende

Unzulänglichkeiten des Messverfahrens

akzeptable Abweichungen entspricht den Erwartungen

signifikante Abweichungen wenn der Betrag der

Abweichung des Mittelwerts vom Referenzwert

größer ist als die doppelte Standardunsicherheit

ҧ𝑥𝐷𝑈𝑇 − ҧ𝑥𝑅 > 2 𝑢 𝑥𝐷𝑈𝑇2 + 𝑢 𝑥𝑅

2


Fall #1


Referenz (Taupunkthygrometer)

Td,R= 278,99 K | td,R = 5,84 °C

u(tD,R) = 0,263 K

Feuchtesensor (DUT)

Td,DUT= 278,55 K | td,DUT = 5,4 °C

u(TD,DUT) = 0,603 K

ҧ𝑥𝐷𝑈𝑇 − 𝑥𝑅 > 2 𝑢 𝑇𝑑,𝐷𝑈𝑇2+ 𝑢 𝑇𝑑,𝑅

2

278,55𝐾 − 278,99𝐾 > 2 0,603𝐾2 + 0,263𝐾2

0,4 𝐾 ≯ 1,3 𝐾

Der geprüfte Feuchtesensor hat bei 23 °C und td = 5,84 °C eine Abweichung von -0,4 K bei einer erweiterten Messunsicherheit U (k = 2) von 1,3 K. Diese Abweichung ist nicht signifikant.


Fall #2


Referenz (Taupunkthygrometer)

Td,R= 283,17 K | td,R = 10,02 °C

u(tD,R) = 0,263 K

Feuchtesensor (DUT)

Td,DUT= 284,65 K | td,DUT = 11,5 °C

u(TD,DUT) = 0,603 K

ҧ𝑥𝐷𝑈𝑇 − 𝑥𝑅 > 2 𝑢 𝑇𝑑,𝐷𝑈𝑇2+ 𝑢 𝑇𝑑,𝑅

2

284,65𝐾 − 283,17𝐾 > 2 0,603𝐾2 + 0,263𝐾2

1,5 𝐾 > 1,3 𝐾

Der geprüfte Feuchtesensor hat bei 23 °C und td = 10,02 °C eine Abweichung von 1,5 K bei einer erweiterten Messunsicherheit U (k = 2) von 1,3 K. Diese Abweichung ist signifikant.

Ergebnisse einer Prüfung


#Feuchtesensor (DUT)

td,DUT / °CReferenz td,R / °C

Abweichung ΔTd / K

1 5,4 °C ± 1,2 °C 5,84 °C ± 0,53 °C -0,4 ± 1,3

2 11,48 °C ± 1,2 °C 10,02 °C ± 0,53 °C 1,5 ± 1,3

Angabe der erweiterten Messunsicherheit ist Bestandteil des Prüfberichts.

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Zusammenfassung

Zusammenfassung


• Gasfeuchtemessung mit Hygrometern

• Prüfverfahren von Feuchtesensoren mittels Vergleichsmessung

• Bestimmung der Messunsicherheit bei der Prüfung von Feuchtesensoren

• Prüfung auf signifikante Abweichungen

• Prüfbericht mit Angabe der erweiterten Messunsicherheit

Ende


Die Ermittlung von zuverlässigen Unsicherheitsangabenist eine schwierige Aufgabe!

Versuchen Sie es selber!

Bildquelle unbekannt

Erinnerung an Dr. Thomas Hübert

https://trauer.moz.de/traueranzeige/thomas-huebert


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