Geschwindigkeitsmessung von Hochdruck-Erdgasströmungen verbessert

In der Bundesrepublik Deutschland wird derzeit fast ein Viertel des Gesamtenergieverbrauchs durch die Verbrennung von Erdgas bereitgestellt. Über 100 Milliarden Kubikmeter Erdgas gelangen dafür jährlich zu den Endkunden. Der genauen Messung des Durchflussvolumens kommt daher eine große volkswirtschaftliche Bedeutung zu: in der Menge an Erdgas bedeutet der vorliegende Messfehler von ca. 0,2 Prozent bereits eine finanzielle Schwankung von über 100 Mio. Euro pro Jahr.

Wissenschaftler der TU Dresden haben jetzt einen berührungslosen Lasersensor zur Patentreife gebracht, der Hochdruckerdgasströme hochpräzise vermisst. Mithilfe eines systematischen Vergleiches der Doppler-Frequenzverschiebungen von vier verschiedenen grünen Laserstrahlen messen sie dafür die Geschwindigkeit von unter einem Mikrometer großen Streuteilchen, die dem Erdgas über eine Einspritzdüse zugegeben werden und dann mit dem Erdgasstrom an der Messapparatur vorbeiflitzen. Die Messauflösung ist durch die verwendete Methode über eine Größenordnung höher als bei konventionellen Laser-Doppler-Sensoren.

Die Geschichte der Geschwindigkeitsmessung mithilfe von Laserstrahlen begann 1964, vier Jahre nach Erfindung des Lasers, ihre Genauigkeit schien bald darauf ausgereizt zu sein. Eine neue Messtechnik – der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofilsensor – erlaubt es jedoch seit einigen Jahren, Positionen von Streuteilchen mit Mikrometerauflösung zu bestimmen; damit eröffneten sich ganz neue Perspektiven für die Laser-Doppler-Messtechnik.

Beim Aufbau der neuen Messanordnung zum nationalen Durchflussnormal an einem Hochdruckrohr der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) galten allerhöchste Sicherheitsstandards. Wegen der Explosionsgefahr werden die Laserstrahlen dort über 25 m lange Lichtleiter (Glasfasern) zum Messplatz geführt; und auch der optoelektronische Detektor, der das aufgefangene Laserstreulicht wieder in Photostrom umwandelt, darf nur in dieser Entfernung betrieben werden, da elektrische Geräte in der Nähe der Erdgasleitung zu vermeiden sind.

Im Rahmen eines Unterauftrages der PTB haben die Dresdner Wissenschaftler Anfang August Durchflussmessungen an dem neuen Prüfstand bei der E.on-Ruhrgas AG in Dorsten durchgeführt. Durch ein Glasfenster von 4 cm Dicke bestimmten sie die Geschwindigkeit des Erdgasflusses bei einem Druck von 50 bar hinter einer speziell geformten Düse. Mit einer weiteren Optimierung hoffen sie, die angestrebte Messunsicherheit von 0,1 Prozent für die Durchflussbestimmung von Hochdruckerdgas mit optischen Verfahren erreichen zu können.

Weitere Informationen: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Czarske, Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik, Tel. 0351 463-34803, Czarske@iee.et.tu-dresden.de