Selbstkalibrierung komplexer Testsysteme im Feld

Der Ein- und Ausbau von Messinstrumenten zur Kalibration aus einem Testsystem gehört zu den regelmäßig wiederkehrenden Aufgaben, die neben den Sicherheitsüberprüfungen jährlich durchgeführt werden müssen. Dazu müssen meist erst die Testsysteme aus den umgebenden Fertigungslinien ausgebaut werden. Danach lassen sich die Messgeräte selbst ausbauen und zur Kalibration senden. Anschließend müssen die Geräte erneut eingebaut und wieder in Betrieb genommen werden. Die Problematik hierbei ist, dass die Testsysteme normalerweise Teil einer größeren, komplexen Anlage sind. Hierdurch ist die erneute Inbetriebnahme mit erheblichem Aufwand verbunden. Eine Alternative ist die Kalibrierung im System, da die Kalibration selbst ein Test der Messgeräte ist.

Diese Aufgaben sind nicht nur zeitaufwendig und anfällig für Fehler, sondern auch eine erhebliche Beeinträchtigung der Produktion und Produktionsfähigkeit. Werden die Messgeräte verschickt, besteht weitere Gefahr. Sie könnten beschädigt werden oder auf unbestimmte Zeit verlorengehen. Diese Aufwände und Risiken erscheinen bei einzelnen Geräten zwar gering, sind es aber nicht, da die Neubeschaffung oder Reparatur weitere Stillstände in der Produktion nach sich zieht. Darüber hinaus ist die mechanische Belastung der Messgeräte sowie Stecker, Kabel und peripheren Hardware eine weitere Quelle für Veränderungen im Messaufbau, wie Variationen in der Impedanz oder Isolationsfestigkeit eines Kabels. Diese können meist nicht zuverlässig bestimmt werden, multiplizieren sich jedoch schnell bei einer größeren Anzahl von Instrumenten in einem Testsystem und mehreren Testsystemen in der Fertigung. So können hunderte Fehlermöglichkeiten pro Jahr in einer Fertigung entstehen.

Obwohl es möglich ist, die Auswirkung der Risiken auf einfache Art abzuschwächen, sind sie mit Mehraufwand verbunden. Zum Beispiel ist bei einer einfachen Vorratshaltung von je einem zusätzlichen pro fünf eingesetzten Geräten dieses ebenfalls jährlich zu kalibrieren. Dies bedeutet erhebliche benötigte Arbeitszeit, um die Geräte ein- und auszulagern sowie vorzuhalten. Darüber hinaus wird das Gerät in Kalibrierlisten gepflegt. Außerdem sind während der Kalibrierung die Geräte nicht als Ersatzteil verfügbar. Damit ist die erkaufte Sicherheit für diese Zeit außer Kraft gesetzt. Eine zeitliche Betrachtung zeigt, dass die Ausfallzeit zum Teil erheblich länger ist als vermutet. Bei 5 + 1 Geräten und einer Durchlaufzeit einer Kalibration von 3 Wochen ergeben sich bereits 18 Wochen / ~1/3 des Jahres in denen ein einfacher Ausfall genügt, um diesen Ansatz der Risikoreduktion auszuhebeln. Die angesetzten 3 Wochen sind erfahrungsgemäß ein realistischer Wert, wenn nicht auf eine zeitlich optimierte Kalibration geachtet wird.

Der Kalibrierwagen muss ausreichend groß sein und genügend Kühlleistung bereitstellen. LXinstruments

Unsicherheiten reduzieren

Eine der Möglichkeiten diese Aufgaben zu erleichtern, das Ausfallrisiko zu verringern und Unsicherheiten in den Messpfaden im System zu reduzieren, ist die Kalibration des Testsystems als Ganzes oder ein Teil davon, falls es Geräte gibt, die nicht im eingebauten Zustand kalibriert werden sollen. Wenn das Testsystem über eine wechselbare Adapterschnittstelle verfügt, wie eine Mass Interconnect Schnittstelle (MIC), wird bevorzugt dieser Zugang in das Testsystem verwendet. Falls nicht alle nötigen Signale auf der Adapterschnittstelle aufgelegt sind oder aufgelegt werden sollen, ist eine einfache Lösung, die zusätzlich benötigten Signale über eine Serviceschnittstelle bereitzustellen.

Neben den bereits erwähnten Punkten ist es ein erheblicher Vorteil, dass das gesamte System einschließlich der verbauten Kabelbäume, Schnittstellen und peripheren Hardware vermessen wird. Obwohl laut Messgeräte-Datenblatt möglich, kann nicht jede Messung im System mit dieser Genauigkeit ausgeführt werden. Durch Verkabelungen oder Schalteinheiten entstehen hochohmige Parallelwiderstände. Auch ein hoher Wert von 10 MΩ verfälscht eine Messung von einem 1 MΩ Widerstand deutlich. So sind niederfrequente Signale mit niedriger Signalamplitude aufgrund von Alterungsprozessen an Steckern und Schaltern sehr störanfällig. Solche systematischen Fehler werden bei einer Systemkalibrierung mit auskalibriert.

Sichere Einbindung in einen Sicherheitskreis

Bei vielen Schalt- und Messeinheiten bestehen zwei Möglichkeiten, die Kalibrierung auszuführen: Entweder über den direkten Zugriff auf die Instrumententerminals oder über eine eingebaute Multiplexerkarte. Der direkte Zugriff auf die Terminals entspricht durch die elektrische Trennung dem Zustand der ausgebauten Kalibrierungsvariation. Die Kalibrierung über eine zur Messung am MIC aufgelegten Multiplexerkarte ermöglicht es, das gesamte System zu vermessen. Bei der Kalibrierung über ein MIC können eventuell für die Kalibration zusätzlich benötigte Geräte in einem separaten Kalibrierwagen integriert werden. Hierdurch ist auch die mechanisch sowie elektrisch sichere Einbindung in einen vorhandenen Sicherheitskreis während der Kalibration möglich. Bei einer solchen Integration sind auch Vorgaben aus Qualitäts-Normen kein Problem. Im Gegenteil, es vereinfacht die Argumentation, denn Fehlerquellen durch verkehrtes Anschließen können weitestgehend ausgeschlossen werden.

Wenn das Testsystem über eine wechselbare Adapterschnittstelle verfügt, wie eine Mass Interconnect Schnittstelle (MIC), wird dieser Zugang in das Testsystem verwendet. LXinstruments

In den meisten Fällen ist eine Schalteinheit für die Prüflingsansteuerung verfügbar. Diese ermöglicht das automatische Schalten von Pfaden für die Kalibration. Zudem ermöglicht es auch Signale mit großen Strömen und Spannungen, wie sie beispielsweise für Wechsel- und Gleichstromquellen oder Lasten während einer Kalibrierung benötigt werden, zu schalten. Somit stellen auch Shunt-Widerstände für große Ströme keine nennenswerten Probleme dar. Selbstverständlich sind auch HF- und Kleinsignale in geschirmten Leitungen problemlos schaltbar. Lediglich der Kalibrierwagen muss ausreichend groß sein und genügend Kühlleistung bereitstellen. Auf diese Art lassen sich beinahe alle Instrumente integrieren. Bei geeignetem Aufbau des Kalibrierwagens ist es auch möglich, Geräte zu kalibrieren, welche nicht im System verbaut sind, wie Ersatzgeräte. Hierzu muss natürlich ein geeigneter Anschluss bereitgestellt werden, jedoch ist dies ein Kernstück einer automatisierten Kalibrierung. Im einfachsten Fall lassen sich hierzu die Terminals direkt anschließen und es wird eine normale Kalibrierung ausgeführt.

Kalibrierwagen reduziert Kosten

Ein bisher nicht berücksichtigter Aspekt ist es, die Kalibration auch nach geringfügigen Veränderungen des Systems durchzuführen und somit Unsicherheiten aus Änderungen in der Verkabelung oder bei sonstigen Auffälligkeiten erneut zu verifizieren. Aufgrund der hohen Automatisierung und dem geringen Rüstaufwand für eine Kalibrierung mit einem Kalibrierwagen sind die operativen Kosten sehr gering. Auch ist es möglich, Stillstandszeiten für die Kalibrierung zu nutzen. Hierzu muss lediglich der Kalibrierwagen angeschlossen und das Testprogramm für die Kalibration gestartet werden. Alles andere übernimmt der normale Testablauf, denn die Kalibrierroutine ist ein Testplan, die gemessenen Werte sind die Werte des Prüflings und können zum geprüften Gerät im System abgelegt werden. Entsprechend dieser Messwerte wird ausgewertet und ein Report generiert. Zusätzlich ist es möglich, die Werte der Kalibrierung zwischen vollständigen Testsystemen sowie auf Messstrecken im Einzelnen zu vergleichen. Lediglich der Prüfling unterscheidet sich von den normalen Prüflingen: Für die Kalibration ist das Testsystem der Prüfling.

(hw)