Spezielle Kalibrierung Wie sich Kalibrierunsicherheiten reduzieren lassen

Sämtliche Messgeräte, die mit Laserstrahlen in Berührung kommen, sollten regelmäßig kalibriert werden. Wie häufig eine solche Kalibrierung durchgeführt werden muss, hängt maßgeblich von der Art ihrer Anwendung ab. Ophir bietet ein globales Netz an Kalibrierlaboren, die über eine Zertifizierung gemäß ISO/IEC 17025 verfügen oder kurz vor Abschluss des Zertifizierungsprozesses stehen.

Die Standardkalibrierung erfolgt in allen Laboren gemäß den allgemeinen Spezifikationen und bietet - über den gesamten Anwendungsbereich des Sensors hinweg - eine sehr hohe absolute Genauigkeit. Allerdings gibt es auch spezielle Anwendungen, die engere Toleranzen bei einem bestimmten Messpunkt erfordern. Ophir bietet dazu eine spezielle Kalibrierung von Messgeräten. Dieser Service liefert den Anwendern in einem exakt umrissenen Bereich eine höhere Kalibriergenauigkeit als die standardmäßig vorgesehene. Wie diese erreicht wird, zeigt dieser Beitrag an zwei Beispielen.

Thermische Sensoren – Leistung
Eine Standard-Kalibrierung, wie sie im Katalog angegeben wird, zeigen wir hier. Die Ungenauigkeit bei der Leistung (2 Sigma) wird mit +/-3% angegeben und die lineare Varianz wird separat mit +/-1% angegeben.

Special Calibration

Abb. 1 und 2: Spezifikationen und Unsicherheit eines thermischen Sensors

Betrachten wir das aktuelle Unsicherheitsbudget des Sensors, erhalten wir - selbst wenn wir die Genauigkeit und die lineare Unsicherheit zusammennehmen - in Summe eine erwartete Unsicherheit von 2,51%. Lassen wir die lineare Unsicherheit außen vor und berechnen diese wie in der Katalogspezifikation separat, erhalten wir eine gesamte Kalibrierunsicherheit von 2,34 %. Kunden, die eine spezielle Kalibrierung durchführen lassen, möchten die Unsicherheit von 3 auf 2% senken. Wir erreichen dies mit der folgenden Methode:

  1. Der größte Unsicherheitsfaktor ist die Unsicherheit in der Wiederholbarkeit des DUT (Device Under Test). Damit ist die Unsicherheit gemeint, die durch die Übertragung der Kalibrierung vom NIST-rückführbaren Silbermaster auf das DUT entsteht. Das Standardkriterium von Ophir für eine solche Übertragung ist die finale Kalibrierprüfung. Hier muss das Messergebnis des DUT innerhalt der 2% im Vergleich zum Silbermaster liegen. Daraus resultiert eine Unsicherheit von 1,74% (2 Sigma). Ziehen wir die Grenzen enger auf eine Übereinstimmung der beiden Sensoren auf 1,5 %, sinkt die Unsicherheit von 1,74 auf 1,3 %.
  2. Wenn wir mit der gleichen Wellenlänge kalibrieren, die der Kunde nutze, entfällt die Unsicherheit durch die variable Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen.

Setzen wir beide Punkte praktisch um, erhalten wir eine Unsicherheit von 1,82% wie unten aufgezeigt und können damit eine Kalibriergenauigkeit von 2% aufweisen. Zusätzlich kann der Sensor, wenn möglich, im gleichen Leistungsbereich kalibriert werden, der auch im Produktivbetrieb zu erwarten ist. Dadurch sinkt die Unsicherheit weiter.

 

Special Calibration

Abb. 3: Übersicht über Unsicherheit nach einer speziellen Kalibrierung

Der Kunde erhält damit die Standard-Möglichkeit, eine optimale Kalibrierung im Rahmen der von ihm genutzten Wellenlänge durchführen zu lassen. Wenn möglich auch auf dem oder den Leistungsebenen, die er festlegt. Die Kosten für diesen Service richten sich entsprechend dem deutlich höheren Aufwand.

Pyroelektrische Sensoren – Energie
Auch hier sehen Sie die im Katalog angegebenen Kalibriergenauigkeiten (2 Sigma) mit einer Unsicherheit bei der Energie von +/- 3%, die lineare Varianz wird separat mit +/-2% angegeben und der zusätzliche Fehler durch die Frequenz wird separat mit +/-1% oder +/-2% angegeben.

Special Calibration

Abb. 4 und 5: Spezifikationen und Unsicherheit eines pyroelektrischen Sensors

Betrachten wir das aktuelle Unsicherheitsbudget für diesen Sensor, erhalten wir als Summe aus Frequenz-, Puls- und Energieunsicherheit eine erwartete gesamte Unsicherheit von 3,48%. Lassen wir die Unsicherheit aufgrund der Frequenz außen vor, beträgt die Unsicherheit in Summe noch 2,91%. Kunden, die eine spezielle Kalibrierung wünschen, sind ganz allgemein an einer größtmöglichen Minimierung der Unsicherheit interessiert. Wir erreichen dies durch das folgende Vorgehen:

  1. Der größte Unsicherheitsfaktor stellt auch hier wie oben schon erläutert das DUT dar. Hier wird durch den Abgleich des DUT mit dem Silbermaster in der finalen Kalibrierprüfung eine Unsicherheit von 2,38% erreicht. Zieht man die Grenzen enger auf eine Übereinstimmung von 2%, reduziert sich die Unsicherheit insgesamt auf 1,81%.
  2. Wenn wir mit der gleichen Wellenlänge kalibrieren, die der Kunde nutzt, entfällt die Unsicherheit durch die variable Absorption bei unterschiedlichen Wellenlängen.

Setzen wir beide Punkte praktisch um, erhalten wir eine Unsicherheit von 2,29 % wie unten aufgezeigt und können damit eine Kalibriergenauigkeit von 2,5 % aufweisen. Fehler in Linearität, Pulsbreite oder Frequenz werden dabei nicht berücksichtigt. Zusätzlich kann der Sensor, wenn möglich, im gleichen Energiebereich kalibriert werden, der auch im Produktivbetrieb zu erwarten ist. Dadurch sinkt die Unsicherheit weiter.

Special Calibration

Abb. 6: Unsicherheit eines pyroelektrischen Sensors nach spezieller Kalibrierung

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