Bereich, Distanz oder Spanne von Werten in der Messtechnik

1. Bereich

Bereich in der Messtechnik ist das gesamte Intervall zwischen den niedrigsten und höchsten Werten, die ein Instrument oder Sensor zuverlässig erfassen, anzeigen oder ausgeben kann. Dies ist eine grundlegende Spezifikation in allen Bereichen der quantitativen Messung, wie Temperatur, Druck, Spannung, Kraft, Weg oder Durchfluss.

Der Bereich wird typischerweise unterteilt in:

• Eingangsbereich: Die minimalen und maximalen physikalischen oder elektrischen Signale, die ein Instrument akzeptieren kann (z. B. 0–10 bar, 0–100°C, –20 V bis +20 V).
• Ausgangsbereich: Die entsprechenden minimalen und maximalen Ausgangssignale (z. B. 4–20 mA, 0–10 V).

Oberer Bereichswert (URV) und Unterer Bereichswert (LRV) definieren die Grenzen dieses Intervalls.

Ein korrektes Verständnis und die Anwendung des Bereichs gewährleisten:

• Messwerte bleiben im Funktionsbereich des Geräts.
• Sicherheit und Datenintegrität in regulierten Branchen (z. B. ICAO Anhang 5 für die Luftfahrt).
• Vermeidung von Unterbereich (unterhalb des LRV) und Überbereich (oberhalb des URV), was zu fehlerhaften Daten oder Geräteschäden führen kann.

Praxisbeispiel

Ein Teststand für Strahltriebwerke verwendet eine digitale Temperaturanzeige mit einem Bereich von –50°C bis +1500°C. Überschreitet der Prozess diese Grenzen, kann die Anzeige falsche Ergebnisse liefern oder ausfallen. Hochwertige Geräte verfügen oft über Überbereichswarnungen oder automatische Abschaltungen, aber diese Funktionen ersetzen nicht die richtige Auswahl und Anwendung.

Hersteller geben Bereiche nach internationalen Normen (wie IEC 61298) an. Konsultieren Sie stets Kalibrierzertifikate und Datenblätter für verifizierte Bereichswerte, um Konformität und Rückverfolgbarkeit sicherzustellen.

2. Spanne

Spanne ist die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Bereichswert:

[ \text{Spanne} = \text{URV} - \text{LRV} ]

• Spanne ist immer positiv und quantifiziert die „Breite“ des Messfensters.
• Die Spanne beeinflusst die Auflösung und Empfindlichkeit eines Instruments; kleinere Spannen erhöhen Empfindlichkeit und Präzision.
• Instrumente erlauben oft die Anpassung der Spanne an die Prozessanforderungen (z. B. Konfiguration eines 0–100 bar-Transmitters für den Betrieb zwischen 40–60 bar für bessere Genauigkeit).

Bei der Kalibrierung wird die Spanne mit rückführbaren Standards eingestellt. Falsche Spanneneinstellungen können Fehler (z. B. Nichtlinearität, Offset) verursachen und die Messzuverlässigkeit beeinträchtigen.

Typische Anwendungsfälle

• Ein Luftfahrtdrucksensor mit einem Bereich von 0–1000 hPa kann auf eine Spanne von 900–1100 hPa eingestellt werden, um die Granularität für die Höhenberechnung zu verbessern.
• Industrielle Durchflussmesser oder Waagen verwenden oft Spannen, die nicht bei Null beginnen (unterdrückter Nullpunkt), um sich auf relevante Prozesswerte zu konzentrieren.

3. Messbereich

Messbereich ist der Teil des Gesamtbereichs, in dem die Genauigkeit und Wiederholbarkeit eines Instruments garantiert sind, wie vom Hersteller oder einer Kalibrierstelle zertifiziert.

• Nur innerhalb des Messbereichs sind Fehlergrenzen und Unsicherheiten kontrolliert.
• Ein Instrument kann Werte außerhalb des Messbereichs anzeigen, aber diese Anzeigen sind nicht zuverlässig.

Beispiel:
Ein digitales Voltmeter hat möglicherweise einen Bereich von –20 V bis +20 V, aber einen zertifizierten Messbereich von –10 V bis +10 V. Messwerte außerhalb des zertifizierten Bereichs sind nicht garantiert genau.

Regulatorische Normen (z. B. IEC 61298, ISO 10012, ICAO Anhang 5) verlangen, dass der Messbereich klar definiert und rückführbar ist, insbesondere für sicherheitskritische oder qualitätsrelevante Anwendungen.

Auswahltipp: Wählen Sie immer Instrumente, deren Messbereich Ihre erwarteten Prozesswerte mit Sicherheitsmarge vollständig abdeckt.

4. Verwandte Begriffe und Konzepte

4.1. Skala und Skalenbereich

• Skala: Die Graduierungen oder digitalen Werte, die ein Instrument anzeigt.
• Skalenbereich: Das Intervall zwischen dem niedrigsten und höchsten auf der Skala angezeigten Wert.

Der Skalenbereich kann den zertifizierten Messbereich überschreiten, um Über- oder Unterbereichswarnungen zu ermöglichen. Unterscheiden Sie immer zwischen den angezeigten Werten (Skalenbereich) und dem für Genauigkeit zertifizierten Bereich (Messbereich).

4.2. Unterer Bereichswert (LRV) und Oberer Bereichswert (URV)

• LRV: Der niedrigste Wert im Bereich oder Messbereich des Instruments.
• URV: Der höchste Wert im Bereich oder Messbereich.

LRV und URV werden zur Berechnung der Spanne und zur Konfiguration von analogen/digitalen Transmittern verwendet (z. B. Abbildung von 0 bar auf 4 mA und 10 bar auf 20 mA).

4.3. Unterdrückter Nullpunkt-Bereich

Wird verwendet, wenn der LRV über Null liegt. Dadurch konzentriert sich die Messung auf ein bestimmtes Prozessfenster, verbessert die Auflösung und vermeidet irrelevante niedrige Messwerte (z. B. Waagen, die nur 100–2000 kg messen).

4.4. Ausgangsbereich

Definiert den elektrischen oder digitalen Signalbereich, der dem Eingangs- oder Messbereich entspricht (z. B. 4–20 mA, 0–10 V). Die korrekte Skalierung sorgt für eine genaue Datenübertragung an Steuerungen oder Datenlogger.

4.5. Anzeigebereich

Der vollständige Satz von Werten, die das Display anzeigen kann. Kann breiter sein als der Messbereich, aber nur Werte innerhalb des Messbereichs sind als genau zertifiziert.

5. Praxisbeispiele und Fallstudien

Fallstudie 1: Drucktransmitter

Ein Transmitter mit einem Eingangsbereich von 0–100 bar, 4–20 mA Ausgang, überwacht den Rohrleitungsdruck, der zwischen 10–80 bar schwankt. Gelegentliche Spitzen erreichen 95 bar. Die volle Spanne des Geräts wird genutzt und die Kalibrierung erfolgt innerhalb dieses Bereichs.

Fallstudie 2: Temperaturregelung in der Klimatechnik

Ein RTD-Sensor mit einem Messbereich von –50°C bis +150°C (Spanne: 200°C) regelt die Zuluft zwischen 15–30°C. Die Kalibrierung erfolgt an mehreren Punkten innerhalb dieses Intervalls für nachgewiesene Leistung.

Fallstudie 3: Digitalmultimeter

Ein Multimeter mit einem Bereich von 0–600 V wird für die elektrische Wartung verwendet. Spannungen über 600 V zu messen, birgt das Risiko von Geräteschäden und unsicheren Bedingungen. Die Kalibrierung erfolgt mit zertifizierten Spannungsstandards innerhalb des spezifizierten Bereichs.

Fallstudie 4: Waage mit unterdrücktem Nullpunkt

Eine Waage für Verpackungen misst nur 50–150 kg (Spanne: 100 kg). Lasten unter 50 kg werden nicht angezeigt, wodurch Fokus und Auflösung auf den relevanten Bereich gelegt werden.

Fallstudie 5: Kalibrierung eines Durchflussmessers

Ein Durchflussmesser mit einem Messbereich von 5–100 l/min wird bei mehreren Durchflussraten kalibriert. Alarme werden außerhalb dieses Bereichs ausgelöst, um Genauigkeit und Prozessintegrität sicherzustellen.

6. Bedeutung der richtigen Auswahl von Bereich und Spanne

6.1. Genauigkeit und Auflösung

Die Genauigkeit hängt davon ab, dass der Bereich und die Spanne des Instruments zum Prozess passen. Ein zu großer Bereich verringert die Auflösung, ein zu kleiner führt zu häufigen Überbereichsfehlern.

6.2. Gerätesicherheit

Der Betrieb außerhalb des Bereichs kann Sensoren beschädigen (z. B. elektrische Überlastung, mechanisches Versagen). Überbereichsschutz ersetzt nicht die richtige Auswahl.

6.3. Prozesssteuerung und Konformität

Genaue Messung ist für eine sichere und effiziente Prozesssteuerung unerlässlich. Regulatorische Normen (z. B. ISO 9001, FDA cGMP) verlangen Nachweise, dass Instrumente innerhalb ihrer zertifizierten Bereiche verwendet werden.

7. Auswahlkriterien für Bereich und Spanne

1. Verstehen Sie die Prozessvariable: Analysieren Sie normale/abnormale Prozesswerte.
2. Wählen Sie einen geeigneten Messbereich: Stellen Sie die Abdeckung mit einer Marge für Ausreißer sicher.
3. Optimieren Sie die Spanne für die Auflösung: Verwenden Sie die engste praktikable Spanne für bessere Präzision.
4. Berücksichtigen Sie Umgebung und Überlast: Denken Sie an Temperatur, Vibration und versehentliche Überlastungen.
5. Prüfen Sie die Herstellerspezifikationen: Kontrollieren Sie Datenblätter und Kalibrierzertifikate auf alle relevanten Parameter.

8. Mögliche Fehler und Konsequenzen

• Verwendung außerhalb des Messbereichs: Führt zu unzuverlässigen oder fehlerhaften Daten.
• Überschreiten von Bereich oder Spanne: Kann zu katastrophalen Geräteschäden führen.
• Falsche Kalibrierung: Hebt die Rückverfolgbarkeit und Konformität auf und gefährdet die Zertifizierung.

9. Übersichtstabelle: Wichtige Begriffe und Unterschiede

Fazit

Das Verständnis und die korrekte Anwendung der Konzepte Bereich, Spanne und Messbereich sind entscheidend für genaue, sichere und konforme Messungen in Wissenschaft, Technik und Industrie. Wählen Sie stets geeignete Instrumente und konfigurieren Sie deren Bereiche und Spannen passend zu Ihrem Prozess, prüfen Sie die Kalibrierung und orientieren Sie sich an maßgeblichen Normen.

Für eine fachkundige Beratung zu Instrumentenauswahl, Kalibrierung und Prozessoptimierung kontaktieren Sie unser Team oder vereinbaren Sie eine Demo .

Quellen:

• IEC 61298: Prozessmess- und -regelungsinstrumente
• ISO 10012: Messmanagementsysteme
• ICAO Anhang 5: Einheiten für die Luft- und Bodenoperationen
• Datenblätter und Kalibrierzertifikate der Instrumentenhersteller