23.06.2016
Bei der LDA-Methode werden zwei Laserstrahlen überlagert. Im Kreuzungsbereich entsteht das Messvolumen, mit dem Fluidgeschwindigkeiten gemessen werden können. Durch ein Fenster wird auf einem Messraster (gelb, im Bild oben) das Geschwindigkeitsprofil innerhalb der Rohrleitung vermessen, das durch Integration den Volumenstrom liefert.
Für die Steigerung der Energieeffizienz thermischer Kraftwerke kommt es entscheidend darauf an, die Messunsicherheit bei der Warmwasser-Volumenstrommessung zu senken. Die derzeitige Unsicherheit von etwa 2 % lässt keine optimale Kraftwerk-Regelung zu und limitiert so den Wirkungsgrad. Deshalb wurde in der PTB ein laseroptisches Volumenstrom-Normal (LVN) entwickelt, mit dem Messgeräte mit einer Unsicherheit von 0,15 % kalibriert werden können.
Die derzeitige Unsicherheit der Volumenstrommessung im Kraftwerksbereich ist mit 2 % zu groß. Das liegt zum einen daran, dass es weltweit keine Prüfanlage gibt, mit der Volumenstrommessgeräte unter Kraftwerksbedingungen, also bei Wassertemperaturen von 400 °C und Drücken von 300 bar, kalibriert werden können. Zum anderen beeinflussen Einbauten wie z. B. Ventile oder Krümmer das Geschwindigkeitsprofil in der Rohrleitung und damit die Messung. Daher wurde in der PTB ein kompaktes laseroptisches Volumenstrom-Normal (LVN) entwickelt, mit dem Messgeräte vor Ort, also im Einbauzustand und unter Prozessbedingungen, mit einer Unsicherheit von nur 0,15 % kalibriert werden können.
Grundlage des Verfahrens ist die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA), die auf der Lichtstreuung an minimalen Wasserverunreinigungen basiert. Dabei werden zwei Laserstrahlen unter einem Winkel überlagert. Im Überkreuzungsbereich, dem Messvolumen, entsteht ein Interferenzstreifenmuster. Ein Verunreinigungspartikel, das sich mit der Strömung durch das Messvolumen bewegt, erzeugt ein Streulichtsignal, dessen Frequenz proportional zur Partikelgeschwindigkeit ist. Mit der LDA werden an mehreren über den Querschnitt der Rohrleitung verteilten Positionen die Fluidgeschwindigkeiten gemessen. Daraus wird das Geschwindigkeitsprofil rekonstruiert und integriert, um den Volumenstrom zu berechnen.
Die Herausforderung für die Entwicklung des LVN lag vor allem darin, die bisherige Messunsicherheit der LDA-Volumenstrommesstechnik von 4,5 % deutlich zu reduzieren. Der größte Unsicherheitsbeitrag lag bisher in der örtlichen Auflösung des Messverfahrens, die der Messvolumenlänge von etwa 2000 μm entspricht. Durch das erweiterte Messverfahren konnte die Ortsauflösung auf 6 μm verbessert werden. Dazu werden zwei Messvolumina mit variierendem Interferenzstreifenabstand überlagert, wodurch die Position, an der die Partikel die Messvolumina durchqueren, genauer bestimmt werden kann. Die Überlagerung der beiden Messvolumina stellt sehr hohe Anforderungen an die Positionierung der Laserstrahlen. An jedem Messort innerhalb des Rohrquerschnittes müssen vier Laserstrahlen mit einem Durchmesser von jeweils 150 μm überlagert werden. Daher wurden Messverfahren entwickelt, mit denen die Lage der Laserstrahlen erstmalig messtechnisch sehr genau erfasst werden kann.
Die Methode liefert eine um mehr als den Faktor 10 auf 0,15 % verbesserte Messunsicherheit. Eine Vergleichsmessung mit der Wärmezählerprüfstrecke, einer gravimetrischen Normalmessanlage zur Darstellung des Volumenstromes bis 90 °C mit einer Unsicherheit von 0,04 %, zeigte eine hervorragende Übereinstimmung.
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