Physikalisch-Technische Bundesanstalt

In der Arbeitsgruppe „Rückführung Flüssigkeitsmessungen“ werden alle Grundlagenthemen auf dem Gebiet der Flüssigkeitsmengen- und -durchflussmessung bearbeitet. Dies umfasst die grundsätzlichen und konzeptionellen Fragen der Darstellung der entsprechenden Einheiten und deren Weitergabe sowie die Gesamtproblematik der zugehörigen Messunsicherheitsbetrachtungen. Somit kann der Aufgabenbereich dieser Arbeitsgruppe mit dem Begriff „metrologische Sicherstellung der Rückführung aller Flüssigkeitsmessungen auf das nationale Normal“ zusammengefasst werden.

Besonderheiten im Bereich der Darstellung und Weitergabe im Bereich der Flüssigkeitsmessungen

Generell gilt, dass zur Sicherstellung der Einheitlichkeit und Richtigkeit einer Messung ihre Rückführung auf ein nationales oder internationales Normal für die entsprechende Messgröße gefordert ist. Dies bedeutet, dass die Anzeige des verwendeten Messgerätes in einer ununterbrochenen Kette von stufenweisen Vergleichen mit dem Primärnormal, das an der Spitze der entsprechenden Kalibrierhierarchie steht, verglichen werden kann. 

Auf dem Gebiet der Flüssigkeitsmessungen verfügt die PTB hierfür über eine ganze Reihe von Normalmesseinrichtungen, wobei das Hydrodynamische Prüffeld (HDP) die zentrale Stellung einnimmt. Auf folgende Besonderheiten ist jedoch im Bereich der Mengen- und Durchflussmessung von Flüssigkeiten hinzuweisen:

• Es werden insgesamt vier Messgrößen – Volumen, Masse, Volumendurchfluss und Massedurchfluss – verwendet, wobei diese Messgrößen bei der Darstellung und innerhalb des Rückführungsprozesses wechseln können, da sie mit Hilfe der Messgrößen Dichte und Zeit jeweils ineinander überführt werden können.

• Vor der Fertigstellung des HDP im Jahre 2003 existierte keine durchgängige Rückführbarkeit der Flüssigkeitsmengenmessungen auf ein nationales Normal. Jede für Prüfungen und Kalibrierungen verwendete Messeinrichtung wurde individuell entsprechend ihres Wirkprinzips (volumetrisch, gravimetrisch) elementweise auf die erforderlichen Normale von Masse, Länge, Dichte, Temperatur und Zeit rückgeführt. In einem solchen Fall wird der an das zu prüfende Messgerät weiterzugebende Messwert aus den entsprechenden Einzelmessgrößen „statisch“ zusammengesetzt. Da sich eine solche Rückführung nicht in der zu bestimmenden Messgröße vollzieht, werden Einflüsse auf das Messergebnis, die sich aus der Dynamik des Messprozesses ergeben, nicht angemessen berücksichtigt. Hierzu gehören beispielsweise gestörte Geschwindigkeitsprofile oder hohe Turbulenzgrade der Strömung am Ort des Prüflings, schwankende Flüssigkeitsströme während der Messungen, instabile Regelzustände, Übertragungen von Pumpenvibrationen und vieles andere mehr.

• Alle bisher bekannten Verfahren, auf deren Grundlage Flüssigkeitsmessgeräte realisiert sind, weisen neben der dynamischen Beeinflussbarkeit auch eine teilweise sehr starke Abhängigkeit von den Stoffparametern der zu messenden Flüssigkeit auf. Folglich ist vorgeschrieben, dass jedes Messgerät ausschließlich mit der Flüssigkeit zu prüfen beziehungsweise zu kalibrieren ist, für das es bei seiner Verwendung bestimmt ist. Dies bedeutet, dass für jede messtechnisch relevante Flüssigkeit eine eigene Rückführbarkeitskette aufzubauen wäre, was sowohl aus wirtschaftlichen wie auch aus metrologischen Gründen nicht sinnvoll ist.

Schaffung eines einheitlichen Systems zur Rückführung aller Flüssigkeitsmessungen auf das nationale Normal HDP

Die PTB hat deshalb ein alternatives, langfristiges Konzept erarbeitet. Dieses sieht vor, mit Hilfe zu entwickelnder medienunabhängiger Transfernormale und -verfahren eine Rückführung aller Flüssigkeitsmessungen auf ein einziges nationales Normal – das HDP – zu ermöglichen. Auf diese Weise können die Messgrößen, die mit dem HDP mit dem Messgut Wasser realisiert werden, mit Hilfe solcher Transfernormale auf alle nachgeordneten Prüf- und Kalibriereinrichtungen – unabhängig vom Messgut, mit dem diese arbeiten – weitergegeben werden. Bild 1 zeigt diese Konzeption.

Bild 1:  Langfristige Konzeption zur Schaffung eines einheitlichen, geschlossenen Systems der Rückführbarkeit aller Flüssigkeitsmessungen auf das Hydrodynamische Prüffeld

Das Hydrodynamische Prüffeld (HDP)

Das Hydrodynamische Prüffeld realisiert alle vier in der Mengen- und Durchflussmessung von Flüssigkeiten relevanten Messgrößen: Masse, Volumen, Massedurchfluss und Volumendurchfluss einer strömenden Flüssigkeit. Es arbeitet mit dem Messgut Wasser in einem Durchflussbereich von 0,3 m³/h bis 2100 m³/h und einer erwiterten relativen Messunsicherheit von 0,02 %.

Zentrale Komponente des HDP ist ein gravimetrisches Referenznormal, das aus drei Wägesystemen mit einer 30-Tonnen-, einer 3-Tonnen- und einer 300-Kilogramm-Waage besteht. Die damit bestimmte Masse wird, erforderlichenfalls unter Zuhilfenahme der Dichte des Messgutes und der Messzeit, mit der Anzeige des jeweiligen zu prüfenden Messgerätes verglichen. Das nachfolgende Bild zeigt einen Teil der Messhalle des HDP. Im Vordergrund befinden sind die beiden Messstrecken, die jeweils alternativ betrieben werden können und die den Einbau von Durchflussmessgeräten in Nennweiten zwischen 20 mm und 400 mm erlauben. Im Hintergrund sind zwei der drei Wägesysteme – die 30-t- und die 3-t-Waage – zu erkennen.

Die drei Wägesysteme des HDP weisen grundsätzlich das gleiche Funktionsprinzip auf: Sie kombinieren jeweils eine „klassische“ Hebelwaage mit elektromagnetischer kraftkompensierender Wägezelle und die Kraftaufnehmertechnik mit Dehnungsmessstreifen als Sensorelemente. Zusätzlich ist jedes Wägesystem mit einer integrierten Kalibriereinrichtung ausgestattet. Um dynamische Störkräfte zu entkoppeln wurden die Wägesysteme auf einem schwingungsgedämpften Betonfundament errichtet.

Die Durchflusserzeugung und –stabilisierung erfolgt über ein System von elektronisch geregelten Pumpen und einem Hochbehälter mit Überlaufwehr. Der Hochbehälter besitzt ein Fassungsvermögen von 6 m³, befindet sich auf einer Höhe von 35 m und dient zusätzlich zu der elektronischen Durchflussregelung zur hoch genauen Stabilisierung des Durchflusses.

Die Mess- und Betriebsart, bei der die höchste Genauigkeit bei der Kalibrierung erzielt wird und die auch in der Messanlage der PTB zur Anwendung kommt, ist die statische Wägung mit fliegendem START-STOPP-Betrieb. Bei dieser Betriebsweise wird vor und während der Messung die Messflüssigkeit kontinuierlich in einem geschlossenen Kreislauf bewegt. Der eigentliche Messvorgang wird dadurch gestartet, dass eine Umschaltklappe von der Bypass-Position in die Umlenkposition zum Wägebehälter geschaltet wird. Beim Durchgang durch den Flüssigkeitsstrahl wird in der Mittenposition der Umschaltklappe die Erfassung der Messsignale des Prüflings sowie die Erfassung der Messzeit mittels elektronischem Zähler gestartet. Nach Erreichen einer vorgegebenen Messmenge im Wägebehälter wird die Umschaltklappe wieder in ihre Ausgangslage zurückgeschaltet. Bei diesem Durchgang durch die Strahlmitte werden die Erfassung der Prüflingsausgangssignale und die Zeitmessung gestoppt.

Alle Komponenten des Prüffeldes wurden von Beginn an so konzipiert und gebaut, dass deren individuelle Messunsicherheitsbeiträge vorgegebene projektierte Werte realisieren, die wiederum für die gesamte erweiterte Messunsicherheit der Anlage einen Wert besser als den bereits genannten Wert von 0,02 % garantieren. Für den Fall der Kalibrierung eines Durchflussmessgerätes mit einem Impulsfrequenz-Signalausgang f (beispielsweise eines Turbinenrad-, magnetisch-induktiven oder Coriolis-Durchflussmessers) nehmen die Gleichungen zur Bestimmung der Standardmessunsicherheit des Kalibrierfaktors K_meter die folgende Form an:

wobei   u_{K_meter} Standard-Messunsicherheit des Messgeräte-K-Faktors:

u_f            Standardunsicherheit der Messung der Impulssignalfrequenz f

u_m          Standardunsicherheit der Massebestimmung m der Messflüssigkeit

u_ρ           Standardunsicherheit der Dichtebestimmung ρ der Messflüssigkeit

u_ΔV         Standardunsicherheit der Bestimmung des Zwischenrohrvolumens

ΔV          (Rohrverbindung zwischen Prüfling und Normal)

u_{T_div}     Standardunsicherheit des Umschaltklappen-(Diverter)-Zeitfehlers

u_T           Standardunsicherheit der Bestimmung der Messzeit T_MEAS

Ausgehend von diesem entscheidenden Entwurfskriterium wurden alle konstruktiven, funktionellen sowie die Messunsicherheit bestimmenden messtechnischen Anforderungen entsprechend abgeleitet.

Darüber hinaus ist für die Funktion der gesamten Durchfluss-Normalmess­einrichtung eine optimale funktionelle Einbindung aller Einzelkomponenten in das Gesamtsystem der Messanlage eine unabdingbare Voraussetzung. Dies wurde durch eine entsprechende Gestaltung der Prozessleittechnik der Gesamtanlage realisiert. Für das Wägesystem bedeutet dies zum Beispiel, dass auch die für die Korrektion des Luftauftriebs notwendigen Messwerte von Lufttemperatur, atmosphärischem Luftdruck und relativer Luftfeuchte erfasst und dem übergeordneten Prozessleitsystem für die weitere Messdatenaufbereitung und ‑verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Andererseits dienen die Waagenkalibrierungen, die an allen Tagen, an denen hochgenaue Durchflusskalibrierungen durchgeführt werden,  auch zur Datengewinnung für ein qualifiziertes Qualitätsmanagement. So kann die Einhaltung der ausgewiesenen relevanten Grenzwerte und deren Langzeitstabilität kontinuierlich kontrolliert werden. Auf der Basis der regelmäßig erfassten Daten und deren ständiger Überwachung können rechtzeitig Abweichungen von der „normalen“ Funktionalität erkannt und gegebenenfalls Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen eingeleitet werden. Nur dadurch kann die Messunsicherheit des Hydrodynamischen Prüffeldes zuverlässig und glaubhaft bei allen Messungen gewährleistet werden.

Besonders hervorgehoben werden sollte, dass das hohe messtechnische Niveau des HDP auch international große Anerkennung findet und durch den 2006 abgeschlossenen BIPM-Schlüsselvergleich nachdrücklich nachgewiesen werden konnte.