Laser kalibriert Volumenstrommessung

In Wärmekraftwerken kommt es darauf an, das Volumen des heißen Wassers möglichst schnell und exakt zu bestimmen. Für die Kali­brierung der Mess­geräte während des laufenden Betrieb, hat die Physi­kalisch-Tech­nische Bundes­anstalt ein laser­optisches Normal entwickelt, das auf der Laser-Doppler-Anemo­metrie beruht. Es ermöglicht welt­weit erst­malig rück­ge­führte Volumen­strom­messungen bei Tempe­ra­turen bis zu 230 Grad Celsius und Drücken bis zu 40 bar. Im Unter­schied zu allen anderen Kali­brier­methoden für Prozess­mess­geräte lässt sich das in der PTB entwickelte laser­optische Normal direkt vor Ort ohne Demontage der zu kali­brierenden Prozess­mess­geräte ein­setzen. Die Kali­brierung erfolgt also unter den tatsäch­lichen Mess­bedingungen. Ein­flüsse wie thermische, instal­lations­bedingte oder auch Drift-Effekte werden dabei berück­sichtigt.

Bei der neuen 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 Ver­fahren 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 wie die thermische Aus­dehnung bei der Messung ver­fahrens­bedingt auto­ma­tisch berück­sichtigt werden. Die Mess­unsicher­heit des neuen Ver­fahrens beträgt derzeit weniger als 0,4 Prozent, eine weitere Redu­zierung ist möglich.

Zur Reduzierung der Messunsicherheit werden die experi­mentellen Unter­suchungen durch numerische Strömungs­simu­la­tionen be­gleitet. Mit der Methode der Compu­ta­tional Fluid Dynamics lässt sich das Strömungs­profil am Ein­bau­ort eines Durch­fluss­sensors simu­lieren und so der Ein­fluss ver­schiedener Einbau­konfi­gu­rationen model­lieren und schließ­lich bei der Berechnung der Mess­un­sicher­heit berück­sichtigen. Mit­hilfe einer welt­weit ein­maligen Kombi­nation aus exakt bekannten Rand­be­dingungen sowie präziser optischer Geschwindig­keits­messung lässt sich in der PTB das Ergebnis der Simu­lation metro­logisch abge­sichert validieren.

PTB / RK