Warum diese fünf Kenngrössen entscheidend sind
In der Auslegung von Pneumatik- und Mechatronikkomponenten bestimmen fünf Kenngrössen die tatsächliche Leistungsfähigkeit in der Anwendung: Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit, Hysterese, Auflösung und Linearität. Sie beeinflussen Mess-, Regel- und Positionierqualität und damit Prozessfähigkeit, Ausschussrate und Lebenszykluskosten.
Die Begriffe werden in Datenblättern unterschiedlich verwendet. Eine klare Definition und der Blick auf die praktische Relevanz helfen bei der Auswahl von Sensoren, Reglern, Ventilen und Aktoren.
Genauigkeit
Genauigkeit beschreibt die Nähe des gemessenen oder erreichten Wertes zum tatsächlichen Soll- bzw. Referenzwert. Sie setzt sich oft aus mehreren Beiträgen zusammen, zum Beispiel Nullpunktfehler, Spannefehler, Temperaturdrift oder Nichtlinearität.
Praxis: Für Druck-, Durchfluss- und Positionsregelungen ist Genauigkeit relevant, wenn absolute Grenzwerte einzuhalten sind (z. B. Produktschutz, Normvorgaben). In Closed-Loop-Systemen kann eine gute Kalibrierung Genauigkeitsfehler teilweise kompensieren.
Wiederholgenauigkeit
Wiederholgenauigkeit (Reproduzierbarkeit) beschreibt, wie eng die Ergebnisse beieinanderliegen, wenn die gleiche Aufgabe unter gleichen Bedingungen mehrfach ausgeführt wird. Sie ist für die Prozessfähigkeit oft wichtiger als die reine Genauigkeit.
Praxis: In Pick-and-Place, Dosierung, Formatverstellung oder Druckregelung mit engen Toleranzen ist eine hohe Wiederholgenauigkeit entscheidend, um Ausschuss zu vermeiden. Gute Wiederholgenauigkeit bei mässiger Genauigkeit kann ausreichend sein, wenn systematisch kalibriert wird.
Hysterese
Hysterese ist die Differenz der Kennlinie abhängig von der Anfahrtrichtung (steigend vs. fallend). Sie entsteht z. B. durch Reibung, Spiel, Magnetkräfte oder Elastomereffekte und führt zu Richtungsabhängigkeit.
Praxis: In Regelkreisen verursacht Hysterese Totzonen und Schwingneigung. Bei Ventilen mit Dichtschlitz, bei Zahnstangen- Antrieben oder Potentiometer-basierten Sensoren sollte der Wert besonders beachtet und möglichst klein gewählt werden.
Auflösung
Auflösung ist die kleinste unterscheidbare Änderung am Eingang, die am Ausgang als Änderung erkennbar wird. Bei digitalen Systemen limitiert die Bitzahl (z. B. ADC), bei mechanischen Systemen z. B. die Steigung/Steigungsteilung oder Reibung.
Praxis: Für ruhige Regelung ohne Rippel (z. B. Druck, Kraft, Position) ist die Auflösung kritisch. Hohe Auflösung ohne geringe Rauscheinflüsse und ohne Hysterese ist besonders wertvoll.
Linearität
Linearität beschreibt, wie gleichmässig die Kennlinie über den gesamten Mess- oder Stellbereich dem idealen linearen Verlauf folgt. Nichtlinearität erhöht den Abgleichaufwand und kann Regelqualität verschlechtern, wenn sie nicht kompensiert wird.
Praxis: In Kombination mit Kalibriertabellen oder Kennlinienkompensation (Controller, SPS) lässt sich eine gewisse Nichtlinearität gut beherrschen. Für einfache Systeme ohne Kompensation ist gute Linearität vorzuziehen.
Zusammenhänge und Priorisierung
- Wiederholgenauigkeit dominiert die Prozessfähigkeit (Cp/Cpk) und ist häufig wichtiger als absolute Genauigkeit.
- Hysterese reduziert die nutzbare Auflösung und erschwert präzise Reglerabstimmung (Totzone, Überschwingen).
- Linearität beeinflusst die Notwendigkeit von Kalibrierpunkten und Interpolationen.
- Auflösung begrenzt die kleinstmögliche Stell- oder Messänderung und wirkt direkt auf das Regelrauschen.
Bewertung im Datenblatt
- Bedingungen prüfen: Temperatur, Versorgung, Last, Medium, Montage- lage. Gilt der Wert für Vollbereich oder Teilbereich?
- Art der Angabe: Prozent vom Endwert (FS), Prozent vom Messwert (of reading), absoluter Wert – nicht verwechseln.
- Testmethode: Ein- oder Zweipunktkalibrierung, Anfahrzyklen, Statistik (n), Drift über Zeit.
- Für Regler: Totzone, Mindestschritt, Ventil-Leckage, Reibung, Verzögerung (Totzeit, Zeitkonstante).
Typische Wertebereiche (Orientierung)
- Drucksensoren: Genauigkeit 0,25–1,0% FS, Hysterese 0,05–0,2% FS, Wiederholgenauigkeit 0,05–0,2% FS.
- Wegmesssysteme (magnetisch/induktiv): Linearität 0,05–0,5% FS, Auflösung bis µm-Bereich, Hysterese abhängig von Mechanik.
- Proportionalventile: Hysterese 1–5% FS, Auflösung 0,1–1% FS, Wiederholgenauigkeit 0,5–2% FS (stark modellabhängig).
Hinweis: Werte dienen der groben Orientierung. Datenblatt und Applikationstest sind ausschlaggebend.
Praxis: Auswahl-Checkliste
- Anforderungen definieren: Welche Grösse ist prozesskritisch – Genauigkeit, Wiederholgenauigkeit, Hysterese, Auflösung oder Linearität?
- Betriebsfenster festlegen: Temperatur, Medium, Zykluszahl, Dynamik, Einbaulage.
- Reserve einplanen: Mindestens Faktor 2 auf kritische Kenngrössen, wenn keine Kompensation vorgesehen ist.
- Kompensation nutzen: Kalibrierpunkte, Kennlinientabellen, Controller-Offsets, Reibungs- und Totzonenkompensation.
- Verifikation: Messaufbau mit steigenden/fallenden Rampen für Hysterese, Mehrfachmessungen für Wiederholgenauigkeit, Sweep über den Vollbereich für Linearität.
Kurzdefinitionen
- Genauigkeit: Nähe zum Soll-/Referenzwert.
- Wiederholgenauigkeit: Streuung bei Wiederholung unter gleichen Bedingungen.
- Hysterese: Differenz abhängig von der Anfahrtrichtung.
- Auflösung: Kleinste unterscheidbare Änderung.
- Linearität: Abweichung vom idealen linearen Verlauf über den Bereich.
Empfehlung: Werte ganzheitlich bewerten, Prüfbedingungen beachten und bei kritischen Anwendungen immer im Systemkontext verifizieren.
