Laseroptisches Durchflussnormal für Heißwasser

In Wärmekraftwerken kommt es darauf an, das Volumen des heißen Wassers möglichst schnell und exakt zu bestimmen. Für die Kalibrierung der entsprechenden Messgeräte vor Ort, also während des laufenden Betriebes, hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ein laseroptisches Normal entwickelt, das auf der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) beruht.

Es ermöglicht weltweit erstmalig rückgeführte Volumenstrommessungen bei Temperaturen bis zu 230 °C und Drücken bis zu 40 bar. Die PTB stellt ihr neues Normal zusammen mit der numerischen Strömungssimulation von Strömungsprofilen zur Reduzierung der Messunsicherheit von Durchflussmessgeräten, Computational Fluid Dynamics (CFD), vom 10. bis 12. Mai auf der Messtechnikmesse Sensor + Test in Nürnberg vor (Halle 5, Stand 433).

Im Unterschied zu allen anderen Kalibriermethoden für Prozessmessgeräte kann das in der PTB entwickelte laseroptische Normal direkt vor Ort eingesetzt werden, ohne die zu kalibrierenden Prozessmessgeräte demontieren zu müssen. Die Kalibrierung erfolgt also unter den tatsächlichen Messbedingungen. Einflüsse wie z. B. thermische, installationsbedingte oder auch Drifteffekte (Fouling) werden dabei berücksichtigt.

Bei der neuen, laseroptischen Messmethode wird mithilfe der Laser-Doppler-Anemometrie das Geschwindigkeitsprofil im Rohr vollflächig erfasst. Anschließend wird über die Integration des Geschwindigkeitsprofils der Durchfluss ermittelt. Die Laser-Doppler-Anemometrie ist ein anerkanntes Normalmessverfahren, das auf die SI-Einheiten Meter und Sekunde rückgeführt ist, genauso wie gravimetrische oder volumetrische Verfahren auch. Im Gegensatz zu diesen beiden Methoden unterliegt sie jedoch keinerlei Einschränkungen in Bezug auf Temperatur, Druck oder Aggregatzustand des Mediums.

Durch die vollständige Erfassung des Geschwindigkeitsprofils ist das neue, laseroptische Normalmessverfahren unabhängig von der Zuströmung. Mögliche Asymmetrien oder ein etwaiger Drall der Strömung haben keinen Einfluss auf die Messung. Weiterhin ist das Verfahren unabhängig von Temperatur und Druck in der Strömung, da alle damit verbundenen Effekte (z. B. die thermische Ausdehnung) bei der Messung verfahrensbedingt automatisch berücksichtigt werden. Die Messunsicherheit des neuen Verfahrens beträgt derzeit weniger als 0,4 %. Eine weitere Reduzierung ist möglich.

Zur Reduzierung der Messunsicherheit werden die experimentellen Untersuchungen durch numerische Strömungssimulationen begleitet. Mit der Methode der Computational Fluid Dynamics (CFD) kann das Strömungsprofil am Einbauort eines Durchflusssensors simuliert werden. So lässt sich der Einfluss verschiedenster Einbaukonfigurationen (die das Strömungsprofil ggf. stören), modellieren und schließlich bei der Berechnung der Messunsicherheit berücksichtigen. Mithilfe einer weltweit einmaligen Kombination aus exakt bekannten Randbedingungen (Durchfluss, Temperatur und Geometrie) sowie präziser optischer Geschwindigkeitsmessung (LDA und PIV, Particle Image Velocimetry) lässt sich in der PTB das Ergebnis der Simulation metrologisch abgesichert validieren.
es/ptb

Ansprechpartner:

Andreas Weissenbrunner, PTB-Arbeitsgruppe 7.52 Neue Verfahren der Wärmemengenmessung, Telefon (030)3481-7229, E-Mail: andreas.weissenbrunner@ptb.de

Markus Juling, PTB-Arbeitsgruppe 7.52 Neue Verfahren der Wärmemengenmessung,
Telefon (030)3481- 7815, E-Mail: markus.juling@ptb.de