Kalibrieren, Eichen und Justieren

Kalibrieren

Wie wird sichergestellt, dass die spezifizierte Unsicherheit eines Messsystems nicht überschritten wird? Dies geschieht durch Kalibrieren. Beim Kalibrieren wird ein Messsystem mit einem Referenzsystem verglichen, dessen Unsicherheit bekannt ist. Damit wird geprüft, ob die geforderte maximale Unsicherheit des Messsystems nicht überschritten wird.

Betrachten wir ein Beispiel: Eine Zollstockfabrik fertigt 100 Zollstöcke. Sie muss nachweisen, dass alle eine maximale Unsicherheit von ±1mm in der Länge aufweisen. Dafür besorgt sie sich ein Referenzsystem. In dem Fall kauft sie ein von der SI-Einheit „Meter“ abgeleitetes Längennormal mit einer Unsicherheit von ±100µm. Um den Wert bei 2m zu überprüfen, kauft sie ein Längennormal der Länge l = 2m ±100µm.

Ein Mitarbeiter misst mit allen Zollstöcken der Produktion die Länge des Referenzsystem nach. Liegen die Messwerte der Zollstocklängen ± die Messunsicherheit des Referenzsystems im Wertebereich [1,999m … 2,001m], dann ist sichergestellt, dass der Zollstock innerhalb seiner Spezifikation von ±1mm hinreichend genau misst. Ein Zollstock der Länge von genau 2,01m muss aussortiert werden, denn es könnte sein, dass er 2,0011m lang ist, und wir das aufgrund der Messunsicherheit des Referenzsystems nicht bemerken.

Wenn ein Messsystem kalibriert wird, wird also nicht ein falscher Messwert korrigiert, sondern es wird nur mit Hilfe eines Referenzsystems festgestellt, ob das System hinsichtlich seiner Messunsicherheit innerhalb seiner Spezifikation liegt.

Um das Beispiel zu vereinfachen wird hier angenommen, dass ein Zollstock ein ideales Messgerät ist, das nur dadurch ungenau wird, dass seine Länge von der gewünschten Länge von 2m abweicht. Andere Ursachen von Messunsicherheiten wie Ablesefehler werden zur Vereinfachung nicht diskutiert.

Die Messunsicherheit wird in der Praxis von mehreren weiteren Faktoren beeinflusst: Die Länge des Zollstocks ist abhängig von seinen Umgebungsbedingungen. Bei feuchter Luft oder Temperaturvariation ändert er seine Länge. Deshalb werden Referenzbedingungen für die Kalibrierung festgelegt (z. B. 25°C, 80% Luftfeuchtigkeit, Normaldruck, etc.). Bei hochwertiger Messtechnik wird noch angegeben, wie sich die Messunsicherheit bei Variation der Umgebungsbedingungen verändert.

Wenn der Zollstock älter wird, ändert sich ebenfalls seine Länge. Deshalb werden Messsysteme in regelmäßigen Abständen nachkalibriert. Dabei wird wieder nicht der Messwert korrigiert, sondern nur nachgewiesen, dass das System noch innerhalb seiner Spezifikation arbeitet.

Auch das Referenzsystem ändert über der Zeit seinen Wert (hier seine Länge). Es wird deshalb in festen Zeitabständen mit einem höherwertigen Normal verglichen, das z. B. eine Messunsicherheit von nur 1µm aufweist. Und dieses höherwertige Normal wird ebenfalls immer wieder mit dem nächst genaueren Referenzsystem abgeglichen, bis irgendwann mit dem Primärnormal verglichen wird. Auf diese Weise wird ein System von „rückführbar kalibrierten Referenzen“ geschaffen, die immer eine regelmäßig überprüfte maximale Abweichung vom Primärnormal aufweisen.

Zur Kalibrierung müssen rückführbare kalibrierte Referenzen eingesetzt werden. Die Zollstockfabrik muss ihr Referenzsystem zur Längenmessung regelmäßig mit einem höherwertigen Normal nachkalibrieren, damit sie damit überhaupt ihre Zollstöcke kalibrieren darf.

Das erfolgreiche Kalibrieren wird in einem Protokoll dokumentiert, das dem System beim Verkauf beigelegt wird. Das Protokoll enthält u. A. die Unsicherheit des Referenzsystems, den Zeitpunkt und die Umgebungsbedingungen der Kalibrierung sowie die Dauer der Gültigkeit der Kalibrierung.

Eichen

Eine Kalibrierung bezeichnet das Sicherstellen einer maximalen Unsicherheit eines Messsystems durch den Hersteller. An einigen Stellen ist dies dem Staat zu riskant. Er führt die Kalibrierung selbst (durch benannte Stellen) durch. Diesen Vorgang nennen wir Eichen. Beim Eichen wird – genau wie beim Kalibrieren – nur eine maximale Messunsicherheit sichergestellt. Es werden z. B. Durchflussmessgeräte an Tankstellen, Waagen im Supermarkt oder Wasserzähler im Haushalt geeicht. Eichen erfolgt meistens in Fällen, in denen Unternehmen bereits bei kleinen Abweichungen des Messwerts sehr große Gewinnsteigerungen erzielen können.

Justieren

Beim Kalibrieren und Eichen wird nur eine Messabweichung festgestellt. Sie wird nicht korrigiert. Es ist natürlich erlaubt, einen falschen Messwert in der Produktion zu korrigieren. Diesen Vorgang nennen wir „Justieren“. Beim Zollstock ist eine Justierung schwierig, denn wenn die Skala einmal aufgedruckt ist können wir sie nicht mehr ändern.

Wenn während der Produktion festgestellt wird, dass eine Waage z. B. immer 5g zu viel anzeigt, können wir in der Software der Waage nach jeder Messung 5g vom Ergebnis abziehen und es dann erst anzeigen.

Kalibrierung oder Eichung erfolgen ganz am Ende der Produktion nach der Justierung. Viele Produkte erreichen die geforderte Messunsicherheit nur, weil vorher der Messwert justiert worden ist. Nach einer Justierung ist die Messabweichung leider nicht vollständig weg. Das wird in den kommenden Kapiteln erklärt.

Wiki Kalibrieren

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