Was ist Metrologie und wie ist sie mit den täglichen Messungen verbunden?

Hannu Sairanen, D. Sc.

Obwohl das Wort Metrologie Messwissenschaft bedeutet, steckt viel mehr dahinter als nur Wissenschaft. In vielen Fällen folgen Personen, die Messungen durchführen, bewährten Methoden, ohne sich dessen überhaupt bewusst zu sein. Zum Beispiel wissen sie instinktiv, dass die Messung der Außentemperatur in direktem Sonnenlicht kein genaues Ergebnis liefert.

Messtechniker*innen können das Internationale Einheitensystem oder SI umsetzen (SI-Einheiten realisieren), Messgeräte kalibrieren, die Zuverlässigkeit von Messungen durch Bestimmung der Messungenauigkeit bewerten oder Untersuchungen durchführen, die eine verbesserte Messleistung ermöglichen.

Rückführbarkeitskette von Kalibrierungen
Eine typische Verbindung zwischen der Welt der Metrologie und der Welt der Industrie wird in der folgenden Abbildung gezeigt. Das SI wird von den National Metrology Institutes (NMIs) realisiert, die die Referenzmessgeräte der akkreditierten Labors kalibrieren. Industrielle Referenzmessgeräte werden dann von akkreditierten Kalibrierlabors kalibriert, bevor sie zur Kalibrierung industrieller Messgeräte eingesetzt werden.

 
Die Länge dieser „Kette von Kalibrierungen“ variiert, da einige Industrien Messgeräte direkt an einem NMI kalibrieren lassen, während andere möglicherweise mehrere Vermittlungsinstanzen nutzen. Als Faustregel gilt: Je länger die Rückführbarkeitskette ist, desto größer ist die Messungenauigkeit. Eine größere Messungenauigkeit bedeutet weniger zuverlässige Messungen und damit eine erhöhte Ungenauigkeit.

Messungenauigkeit
Die Messungenauigkeit, d. h. die Zuverlässigkeit eines Messwerts, wird von mehreren Faktoren bestimmt. Es wird oft fälschlicherweise angenommen, dass die Kalibrierungenauigkeit allein die Messgenauigkeit beeinflusst. Es gibt jedoch immer auch andere Ungenauigkeitsquellen, und deren Erkennung ist wahrscheinlich die schwierigste Aufgabe, mit der sich Metrolog*innen befassen müssen. Sobald die Quellen identifiziert wurden, ist die Berechnung der kombinierten Ungenauigkeit für eine Messung ein einfacher Fall von Mathematik.

Die größte Ungenauigkeitsquelle bei industriellen Prozessen oder Umgebungsmessungen (z. B. Druck, Temperatur, Feuchte, Durchfluss) hängt typischerweise mit Probenahmefehlern zusammen, die durch die Platzierung des Messgeräts verursacht werden, d. h. die Repräsentativität der Messung. Wenn die gemessene Umgebung nicht die Zielumgebung darstellt, führt dies zu einem signifikanten Fehler. Wenn beispielsweise eine Gasprobe aus einer Gasleitung entnommen wird, kann sich die Temperatur des Gases erhöhen oder verringern, wodurch sich die relative Feuchte der Probe von der relativen Feuchte in der Zielgasleitung unterscheidet. Ähnliche Fehler können durch Temperaturgradienten in einer Klimakammer verursacht werden.

Messtechnik im Vergleich zu Metrologie
Bedeutet der Kauf eines optimalen oder komplexen Messgeräts, dass man sich nicht mehr um die Messtechnik kümmern muss? Die Antwort ist ein klares Nein. Unabhängig vom verwendeten Messgerät besteht immer ein gewisses Maß an Ungenauigkeit. Selbst die besten Technologien weisen Schwächen auf, die die Messleistung beeinträchtigen können, wenn Ungenauigkeit nicht berücksichtigt wird. Das Verständnis der Ungenauigkeitsquellen ist entscheidend, da dies zuverlässigere Messungen, bessere Messwerte und höchstwahrscheinlich auch einige geringfügige Verbesserungen in der Messgeräteeinrichtung wie Platzierung oder Typ des Geräts ermöglicht.

In der Industrie bietet die Metrologie Werkzeuge, um sich mit dem eingesetzten Messgerät und der Messstelle vertraut zu machen und diese charakterisieren zu können. Beispielsweise wird ein Feuchtesensor normalerweise mit einem Kalibrierzertifikat geliefert, das nur Kalibrierkorrekturen bei Raumtemperatur anzeigt. Dies bedeutet, dass die Korrekturen in tatsächlichen Messumgebungen möglicherweise nicht berücksichtigt werden und sogar irreführend oder unbrauchbar sind. Drucksensoren hingegen sind typischerweise temperaturabhängig, und ohne nachgewiesene Daten zur Temperaturabhängigkeit kann die angegebene Temperaturkorrektur unzureichend sein.

Metrologie bei Vaisala
Vaisala hat die Bedeutung der Metrologie bereits vor langer Zeit erkannt. Unsere Kund*innen verlassen sich darauf, dass wir hochwertige Messgeräte und -techniken bereitstellen, die auf dem neuesten Metrologiewissen beruhen. Unser nach ISO 17025 akkreditiertes Labor für Messstandards hilft, die Messungenauigkeit von Vaisala Produkten zu minimieren und die kontinuierliche Weiterentwicklung unserer internen Testfunktionen zu gewährleisten. Vaisala bietet auf SI rückführbare Kalibrierungen, bei denen die Ungenauigkeitsquellen gemäß GUM (Leitfaden zur Angabe der Messungenauigkeit) berücksichtigt werden. In ähnlicher Weise werden die Ungenauigkeiten in allen Bereich von Vaisala von der Herstellung bis hin zur Forschung und Entwicklung sowie von einem einzelnen Messgerät bis hin zu komplexen Teststationen ermittelt. Durch die Wartung und Weiterentwicklung von Testumgebungen sowohl werkseitig als auch in der Forschung und Entwicklung sowie durch die detaillierte Ungenauigkeitsanalyse stellen wir jetzt und in Zukunft bessere und zuverlässigere Messungen sicher.

Hannu Sairanen arbeitet als Wissenschaftler bei Vaisala und ist auf Feuchtemessung, -anwendungen und -metrologie spezialisiert. Er verfügt über mehr als 10 Jahre Erfahrung in der Feuchtemetrologie und -messung sowie feuchteabhängigen Prozessen. Hannu Sairanen hat zahlreiche wissenschaftliche Artikel verfasst und mehrere Präsentationen erstellt. Er promovierte an der Aalto-Universität in Finnland mit Schwerpunkt angewandte Thermodynamik.

Sind Sie bereit, sich auf die Zukunft vorzubereiten?
Laden Sie den Vaisala Leitfaden herunter, um mehr über Industrie 5.0 zu erfahren.