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Das Kreuz mit der Kalibrierung

Details: Written by Super User; Category: Uncategorised; Published: 29 July 2019; Hits: 2922

Einleitung

Das Wort Kalibrierung ist eigentlich ein Begriff aus dem Bereich der Messtechnik. Man findet ihn aber auch durchaus in anderen Bereichen. Zum Beispiel moderne Nähmaschinen-Computer. Dort kann man nämlich, zumindest nach dem Handbuch, das Display kalibrieren.

Kalibriert wird alles mögliche: Senderendstufen, Netzzwerkanalyzer, Bausätze zum Ende der Fertigstellung hin, Modellhubschrauber, Motorsteuergeräte und was nicht so alles.

Ich möchte mich hier auf den Bereich der Messtechnik beschränken, denn hier findet sich eine einzige durchaus weltweit gültige Definition des Begriffes Kalibrierung.

Es gibt zwei unterschiedliche Gruppen

Erstaunlicherweise wird unter ein und denselben Begriff unterschiedliches verstanden. Da sind zum einen Hersteller von Gerätschaften im Allgemeinen und die Nutzer. Die Nutzer wollen oder müssen manche Messgeräte abgleichen und nennen es dann Kalibrierung. Und die Hersteller verwenden den gleichen Begriff in ihren Anleitungen. Alles klar - wo ist das Problem?

Nun es gibt eine andere Gruppe von Nutzern, die nämlich zwei Dinge im Auge haben. Zum einen möchten sie Vertrauen in die Messergebnisse haben. Befindet sich das Gerät noch im Bereich der Spezifikationen des Herstellers? Wie ist die Charakteristik der einzelnen Messgerätemerkmale wie z.B. das Driftverhalten? Zum anderen möchten Sie eine Rückführung auf nationale oder Internationale Normale haben, weil sie dieses für Ihre tägliche Arbeit benötigen. Diesen Ansprüchen kommen nach ISO17025 akkreditierte Kalibrierlaboratorien und natürlich die nationalen Metrologieinstitute (NMI) wie die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) nach. Sie bieten entsprechende Kalibrierleistungen an.

Sie verändern aber nicht die Eigenschaften des Messgerätes, welches in den Laboren als Kalibriergegenstand bezeichnet wird. Es werden keine Parameter hinterlegt, es werden keine Potis verdreht und auch keine Software verändert. Manchmal tun sie dieses, wenn sie dazu technisch in der Lage sind, im Auftrag des Kunden um z.B. das Gerät mit den Herstellerspezifikationen im Einklang zu bringen. Dies geschieht natürlich nur gegen eine entsprechende Entlohnung. Es folgt nach dem Abgleich immer eine abschließende Kalibrierung. Hier unterscheidet der Dienstleister zwischen Kalibrierung und Abgleich und der Kunde zahlt zwei Kalibrierungen und den Abgleich.

Die Kalibrierlaboratorien und NMIs unterscheiden sehr genau zwischen Kalibrierung und Abgleich während die oben erstgenannte Gruppe Kalibrierung und Abgleich als synonymen Begriff verwendet.

Die einen wollen systematische Abweichungen beseitigen, die Kalibrierlaboratorien dokumentieren diese!

Erstaunlicherweise finden sich in Hightech-Unternehmen wie z.B. R&S beide Gruppen, wie wir weiter unten sehen werden.

Kleiner Einschub: Beide Welten aus meiner Berufspraxis

Vor einigen Jahren gewann ein Hersteller eine Ausschreibung für die Lieferung von Messgeräten. Zur Schulung reiste der Entwicklungsingenieur an. Da wir ein akkreditiertes Kalibrierlabor betreiben, wollten wir nach Ablauf einer gewissen Standzeit die Kalibrierung und ggf. Justierung und abschließende Kalibrierung bei uns durchführen und so war zur Schulung auch der Leiter des firmeneigenen aber designierten Kalibrierlabors anwesend. Zweifelsfrei ein Fachmann, dessen Tätigkeiten im Auftrag eines souveränen Staates durchgeführt werden, da das vorhandene NMI entsprechende Kalibrierleistungen selber nicht anbietet.

Während der Entwicklungsingenieur allerhand erklärte, fiel ihm der Leiter des Kalibrierlabors immer wieder ins Wort. Denn beide kommen aus den besagten unterschiedlichen Gruppen und das was der Entwicklungsingenieur als Kalibrierung bezeichnete war für den Leiter des Kalibrierlabors ein Abgleich. Schlussendlich resignierte der Laborleiter mit dem Satz:

Er kapiert es einfach nicht!

Die Definition des Wortes Kalibrierung

Aber was genau ist eigentlich eine Kalibrierung? Die Suche im Internet, in Lexikons oder auch etymoligischen Wörterbüchern bringen da keine klare Aussage, da hier Begriffe wie Kalibrieren, Abgleichen, Justieren und sogar Eichen munter durcheinander geworfen oder sogar gleichgesetzt werden.

In der Wikipedia gibt es einen Artikel zum Begriff Kalibrierung. Jeder, der sich auf Wikipedia beruft, sollte vorsichtig sein, denn nicht alles was da steht ist vollständig. So ist es auch hier:

Hier zunächst der Auszug aus dem ersten Absatz:

Kalibrierung (in Anlehnung an das englische Wort calibration auch Kalibration) in der Messtechnik ist ein Messprozess zur zuverlässig reproduzierbaren Feststellung und Dokumentation der Abweichung eines Messgerätes oder einer Maßverkörperung gegenüber einem anderen Gerät oder einer anderen Maßverkörperung, die in diesem Fall als Normal bezeichnet werden. In der Definition des VIM von JCGM 2008 [1] gehört zur Kalibrierung ein zweiter Schritt, nämlich die Berücksichtigung der ermittelten Abweichung bei der anschließenden Benutzung des Messgerätes zur Korrektur der abgelesenen Werte. Die Kalibrierung erfolgt ohne Eingriff, der das Messgerät verändert. [2]

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Kalibrierung abgerufen am 28.07.2019

Freundlicherweise referenziert der Artikel auf das International Vocabulary of Metrology - Basic and general concepts and associated terms (VIM), welches auf den Internetseiten der weltweit zuständigen Einrichtung für das Messwesen, das Bureau International des Poids et Measures BIPM, veröffentlicht wurde. Es führt die Dokumentennummer JCGM 200:2008.

Das VIM ist die einzige mir bekannte Stelle, in der die Kalibrierung definiert ist. Zumindest alle akkreditierten Kalibrierlaboratorien und die meisten NMIs verwenden ausschließlich dieses Wörterbuch! So natürlich auch die Kalibrierlaboratorien der Hersteller wie R&S, Fluke, Keysight usw., auch wenn in den Kundenhandbüchern etwas anders stehen mag.

Es gibt auch eine entsprechende übersetzte Version für kleines Entgelt.

Hier zunächst der Auszug aus dem Abschnitt 2.39:

Tätigkeit, die unter festgelegten Bedingungen in einem ersten Schritt eine Beziehung zwischen den durch Normale zur Verfügung gestellten Größenwerten mit ihren Messunsicherheiten und den entsprechenden Anzeigen mit ihren beigeordneten Messunsicherheiten herstellt und in einem zweiten Schritt diese Information verwendet, um eine Beziehung herzustellen, mit deren Hilfe ein Messergebnis aus einer Anzeige erhalten wird.

Als Hinweis kommt noch hinzu:

Kalibrierung sollte nicht mit Justierung eines Messsystems verwechselt werden, die oft Selbst-Kalibrierung genannt wird und auch nicht mit Verifizierung der Kalibrierung.

Da haben wir ja schon mal einiges:

Festgelegte Bedingungen,
Größenwerte die durch ein Normal (Referenz, Standard) zur Verfügung gestellt werden,
Messunsicherheiten des Normals,
Anzeige des Kalibriergegenstandes,
Messunsicherheiten des Kalibriergegenstandes,
Beziehungen zwischen dem Wert des Normals und des Kalibriergegenstandes (z.B. eine Tabelle, Funktionsgleichung, Diagramm) und
vor allem keine Justage.

Es wird also eine Abweichung zwischen einem Messgerät und einer Referenz festgestellt, dokumentiert und diese Abweichung wird zur Anzeigekorrektur des Messwertes verwendet. Das Messgerät wird dabei nicht verändert. Untrennbar mit jeder Kalibrierung ist neben den festgelegten Bedingungen die Ermittlung der Messunsicherheiten.

Und wie sieht denn nun das Ergebnis einer solchen Kalibrierung aus? Im einfachsten Fall gibt es im Kalibrierschein eine Tabelle mit vier Spalten:

Wert des Normals,
Unsicherheit des Normals,
Wert des Kalibriergegenstandes und
Unsicherheit des Kalibriergegenstandes.

Wenn ich mein Messgerät von der PTB oder einem akkreditierten Labor zurückerhalte, nehme ich die Tabelle aus dem Kalibrierschein und korrigriere die Messwerte des Messgerätes.

Ich selber erstelle Kalibrierscheine in der Regel mit vier Spalten:

Referenzwert,
Anzeige des Kalibriergegenstandes,
Differenz und
Messunsicherheit, die sich bei der Ermittelung der Differenz ergibt. Hier sind dann die Unsicherheiten der Referenz (Normal) und des Kalibriergegenstandes berücksichtigt.

Ein Beispiel aus dem täglichen Leben

Ich bekam beim Lauschen einer der etablierten 80 m Amateurfunkband-Runden folgendes mit:

Ich habe die Frequenzanzeige meines Icom Funkgerätes kalibriert. Nun stimmt sie wieder haargenau!

Klopfen wir mal die Kriterien ab:

Festgelegte Bedingungen z.B. Raumtemperatur, Feuchte? Wahrscheinlich gibt es da keine Hinweise im Service-Manual.

Ein wie auch immer geartetes Referenzgerät wird schon vorhanden gewesen sein. Nehmen wir mal ein DCF77-Frequenznormal an. Da kommt z.B. eine Frequenz mit 10 MHz raus. Wurde die Messunsicherheit ermittelt?

Kennen wir die Messunsicherheit der Anzeige des Funkgerätes? Haben wir eine Beziehung in Form einer Tabelle, einer Gleichung oder eines Diagramms?

Hat der OM was justiert?

Man kommt zum Ergebnis, dass die Anzeige der Frequenz abgeglichen wurde.

Aber würde denn nun die Kalibrierung der Frequenzanzeige des Funkgerätes aussehen, wenn diese durch ein Kalibrierlabor ermittelt worden wäre?

Vermutlich wird es in dem Kalibrierschein eine Tabelle mit vier Spalten geben: Referenzwerte, Anzeigen des Kalibriergegenstandes, Differenzen und Messunsicherheit, die sich bei der Ermittelung der Differenz ergeben.

Ein Beispiel aus dem Profi-Lager

Wir haben bei uns im Hause ein Netzwerk-Analysator der ZVL13 des Herstellers Rohde und Schwarz. Hier sind die Handbücher zu finden.

Da finden wir gleich auf Seite 4 folgende Definition:

Calibration: The process of removing systematic errors from the measurement (system error correction). See also TOSM.

TOSM: A calibration type using four known standards (through, open, short, match), also called SOLT or 12-term error correction model.

Keine Frage, sie schreiben es ja selbst. Da soll ein Abgleich durchgeführt werden. Ab Seite 43 ist alles haarfein dokumentiert.

Während hier systematische Fehler beseitigt werden sollen, wird ein Kalibrierlabor diese Fehler dokumentieren!

Hier habe ich ein Video zu einem anderen Analyzer des Herstellers gefunden.

Die Sachlage scheint klar zu sein. Kalibrierung = Abgleich! Ich vermute, dass macht man so, weil es sich bei vielen so eingebürgert hat. Ob richtig oder falsch ist da auch erst einmal nicht wichtig. Es haben sich ja auch andere Dinge in unserer Welt eingebürgert wie Stundenkilometer oder das allseits beliebte Deppenapostroph ... und sogar Standart.

Nun kommt aber leider die andere Gruppe aus dem selben guten Hause zum Zuge: Das Kalibrierlabor. Leider bin ich nicht befugt Auszüge aus dem Kalibrierschein darzustellen. Dieser füllt 18 Seiten und hat leider gar nichts mit through, open, short und match aus dem Handbuch bzw. dem Video gemeinsam.

Nun die Wahrheit ist, dass das Kalibrierlabor eine andere Vorstellung von der Kalibrierung hat.

Folgendes wurde kalibriert:

Frequency accuracy Reference oscillator
Display linearity Port 1 100 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 1 100 MHz -30 to -50 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 1 2990 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 1 5990 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 1 13590 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 2 100 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 2 100 MHz -30 to -50 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 2 2990 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 2 5990 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Display linearity Port 2 13590 MHz 0 to -30 dB, 6 Pegel
Source power accuracy Port 1 9.99 MHz - 13590 MHz, 23 Frequenzen
Source power accuracy Port 2 9.99 MHz - 13590 MHz, 23 Frequenzen
Source power linearity Port 1 bei 9.99 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 1 bei 11 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 1 bei 100 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 1 bei 2990 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 1 bei 5990 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 1 bei 13590 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 2 bei 9.99 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 2 bei 11 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 2 bei 100 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 2 bei 2990 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 2 bei 5990 MHz, 5 Pegel
Source power linearity Port 2 bei 13590 MHz, 5 Pegel
Dynamic range 18-28°C Port 1, 26 Frequenzen
Dynamic range 18-28°C Port 2, 26 Frequenzen
Trace Noise S21 Magnetude
Trace Noise S21 Phase
Level accuracy
Frequency response at 5 dB, 21 Frequenzen
Frequency response at 10 dB, 21 Frequenzen
Frequency response at 20 dB, 21 Frequenzen
Frequency responce preamplifier on, att = 10 dB, 14 Frequenzen
Attentuator accuracy att, 7 Pegel und zwei weitere mit PreAmp on und off
Noise Display, 25 Frequenzen
Noise Display preamplifier on, 18 Frequenzen
Phase noise, 3 Frequenzen
3rd-order intercept, 7 Frequenzen

Ich sage mal, dass ist schon ein dickes Brett - oder? Aber hier wurden eben die Spezifikationen abgeklopft und nicht mal eben eine "Kalibrierung" in neun Minuten durchgeführt. Da steckt vermutlich tagelange Arbeit, ein erheblicher Hardware-Aufwand und verdammt viel Know-How hinter.

Fazit

Es gibt zwei Benutzergruppen mit unterschiedlichen Interessen und eine im ISO/IEC-Leitfaden 99:2007 dargestellte eindeutige Definition.

Trotz eindeutiger Definition wird es immer eine Gruppe geben, für die der Abgleich gleichbedeutend mit Kalibrierung ist. Nach meinen Erfahrungen z.B. in den verschiedenen Internet-Foren wird ein Großteil an dem eigentlich falsch genutzten Begriff festhalten. Es hat sich halt so eingebürgert.

¡Todo está bien!