Heft 1: Metrologie im Fluss: Durchflussmessungen

Sei es in der produzierenden Industrie, der Medizintechnik, der Messung des Kraftstoffverbrauchs oder auch des Wasserverbrauchs im eigenen Haushalt – die Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten spielt in vielen Bereichen eine wesentliche Rolle. Dementsprechend hoch ist die wirtschaftliche Bedeutung der Durchflussmessung in Deutschland: Mit Durchflusssensoren werden Umsätze von ca. 80 Mrd. Euro kontrolliert. Dazu sind noch u. a. Steuereinnahmen von mehr als 40 Mrd. Euro aus dem Mineralölhandel zu addieren. Namhafte Hersteller von Durchflusssensoren und Prüfständen haben ihren Sitz in Deutschland. Im Jahr 2016 wurden in Deutschland Verbrauchszähler und Durchflusssensoren für die produzierende Industrie im Umfang von mehr als 266 Mio. Euro produziert; 62 % der Geräte wurden exportiert. Der Anteil von in Deutschland ansässigen Firmen auf diesem Sektor am europäischen Markt lag bei über 30 %; die Wachstumsrate über die letzten 5 Jahre lag bei 20 %. Im Bereich der Wasserzähler liegt die weltweite Marktabdeckung durch deutsche Firmen je nach Region zwischen 50 % und 70 %. Die Korrektheit der mit den Geräten durchgeführten Durchflussmessungen muss gewährleistet sein. Dies wird durch die Rückführung auf das Nationale Normal für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten in der PTB garantiert.

Corinna Kroner

Eine Grundfläche, auf die drei Einfamilienhäuser passen, mehrere Etagen hoch, im Inneren unzählige Rohrleitungen, so zeigt sich das Hydrodynamische Prüffeld (HDP), das Nationale Normal Deutschlands für die Durchflussmessung von Flüssigkeiten, dem Besucher. Mit den von ihm abgedeckten Durchflussraten von 300 l/h bis 2.100 m³/h (zum Vergleich: eine klassische vollgefüllte Badewanne fasst 120 l) und dem hohen oberen Durchflussbereich ist das Prüffeld eine von nur fünf Anlagen ihrer Art an einem Metrologieinstitut weltweit. Seit vielen Jahren ist die Anlage das Herzstück des Fachbereichs 1.5 „Flüssigkeiten“.

Der Fachbereich 1.5 „Flüssigkeiten“ ist heute schwerpunktmäßig im Umfeld der Darstellung und Weitergabe des Durchflusses von strömenden Flüssigkeiten, der Darstellung und Weitergabe des Volumens ruhender Flüssigkeiten und von Konformitätsbewertungen im Rahmen der europäischen Messgeräterichtlinie und gemäß der Mess- und Eichverordnung tätig. Die messtechnische Infrastruktur ist stark von Prüfständen für Durchflussmessungen geprägt. Dies war nicht immer so. Der Bereich hat über die Jahrzehnte einen deutlichen Wandel durchlaufen.

Helmut Többen

Sieht man sich das Organigramm der PTB an, so glaubt man sich im Inhaltsverzeichnis eines Schulbuches der Physik. So ist der Fachbereich „Gase“ wie der Fachbereich „Flüssigkeiten“ in der Abteilung Mechanik und Akustik angesiedelt, eine von insgesamt acht wissenschaftlich-technischen Abteilungen der PTB, die sich mit metrologischen Herausforderungen wie zum Beispiel auch in der Elektrizität, Optik oder Medizinphysik intensiv beschäftigen. Der Fachbereich Gase mit seinen 25 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ist für die metrologisch korrekte Geschwindigkeits-, Mengen- und Durchflussmessung strömender Gase sowie für die Bestimmung der kalorischen Größen von Gasen zuständig und übt innerhalb seiner Themengebiete auch das gesamte, für die PTB typische Tätigkeitsspektrum aus. Hierzu gehören die Forschung und Entwicklung im Bereich der Einheiten, die Prüfung und Kalibrierung von Messgeräten sowie die Durchführung von Konformitätsbewertungen im Bereich des gesetzlichen Messwesens. Zudem ist der Fachbereich bei Akkreditierungs- und Anerkennungsverfahren gutachterlich aktiv und arbeitet in nationalen und internationalen Gremien und Vereinigungen mit.

In der Sprache der Metrologie ist der Fachbereich Gase somit u. a. auch für die Darstellung und Weitergabe der ihm zugeordneten Messgrößen zuständig. Orientiert an den im Fachbereich installierten vier Arbeitsgruppen Strömungsmesstechnik, Gasmessgeräte, Hochdruck-Gas und Kalorische Größen sollen im Folgenden die wesentlichen Aufgaben kurz erläutert werden.

Karl Jousten, Thomas Eichler, Felix Heitmann, Markus Juling, Markus Kühn, Jürgen Rose, Jonas Steinbock

 1. Einleitung

Rund 30 % des individuellen Energieverbrauchs der Bundesbürger entfallen auf die Gestaltung des Lebens in Wohngebäuden. Nach Erhebungen der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. [1] werden davon 74 % für das Beheizen von Wohnund Arbeitsräumen verwendet. Die novellierte Heizkostenverordnung [2] bildet einen wichtigen Bestandteil des Energie- und Klimaprogramms der Bundesregierung. Energiebewusstes Verhalten wird durch die verbrauchsabhängige Abrechnung der Heiz- und Warmwasserkosten wesentlich gefördert, was sich zeigte, als im Jahr 1981 die Verordnung in Kraft trat und zu einem deutlich veränderten Verbrauchsverhalten und erheblichen Energieeinsparungen führte.

Im Gesamtprozess werden in Deutschland jährlich rund 50 Mrd. Euro für Heizung, Kühlung und Warmwasser ausgegeben. 14 % der Heizung erfolgt aus Fernwärmenetzen, ca. 30 % werden aus lokalen Netzen bezogen. Im Jahr 2017 haben die Fernwärme-/Fernkälteversorger 132 Mrd. kWh Nettowärme erzeugt, weitere 8 Mrd. kWh kamen von sonstigen Wärmeerzeugern. Die Tendenz ist steigend, weil Neubauten vermehrt mit Fernwärme versorgt werden [1]. Mehr als zwei Drittel der Nettowärmeerzeugung entstammt (Strom-) Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen.

Die weltweit führende Position in Deutschland entwickelter Wärmezähler lässt sich am jährlichen Verkauf von ca. 3 Mio. Messgeräten am innerstaatlichen und weltweiten Markt erkennen, gleichbedeutend einem Umsatz von 300 Mio. Euro mit stark steigender Tendenz.

Manfred Werner, Günter Hagemann

1. Motivation

Im automobilen Bereich erfolgen seit vielen Jahren EU-Typgenehmigungen für PKW, LKW und Busse auf Basis von vorgegebenen Testverfahren. Diese umfassen vorgegebene Geschwindigkeit / Zeitprofile, die unter strikten physikalischen Randbedingungen (EUV 715/2007) auf Rollen-Prüfständen, auf der Straße oder nur mit dem Motor auf Motorenprüfständen abgefahren werden.

Der Kraftstoffverbrauch stellt parallel zu den ermittelten CO2-Werten im Abgastest für den Kunden ein wesentliches Kaufkriterium dar und ist in vielen Ländern die Grundlage für die KFZBesteuerung und wird auch für das staatliche Monitoring der klimaschädlichen CO2-Emissionen genutzt.

Alexander Weil

1. Einführung

Die Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs ist heute eine der wichtigsten Einflussgrößen bei der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren. Die Anforderungen im PKW- und Nutzfahrzeugbereich erstrecken sich vom Leerlaufverbrauch eines 1-Zylinderprüfstandes bis hin zu Volllastverbräuchen von Sport- und Nutzfahrzeugen. Hierdurch ergeben sich Kraftstoffverbrauchsbereiche von 0,2 l/h bis 400 l/h.

Ausgelöst durch die Debatte um sauberere motorische Verbrennung kommen neben den herkömmlichen Kraftstoffen (Otto- und Dieselkraftstoffe) sowie den ethanolbasierten Kraftstoffen auch zunehmend methanolbasierte Kraftstoffe als potenzielle Energieträger für die motorische Verbrennung in Betracht. [1]

Die hierfür einzusetzende Messtechnik muss den Verbrauch dieser Medien zuverlässig messen können und auch durch ausgewählte Dichtwerkstoffe gegen diese Medien beständig sein.

Daniel Schumann

Kavitation ist ein allgemein bekannter Effekt in der Fluidmechanik. Dieser wird meist mit negativen Folgen assoziiert, wie z. B. den materialzerstörenden Eigenschaften bei Schiffsschrauben, Saugrohren von Pumpen, oder Turbinenrädern. Dabei weist Kavitation aber auch eine Reihe von sehr nützlichen technischen Anwendungsmöglichkeiten auf, beispielsweise für die Reinigung von Oberflächen, die Treibstoffeinspritzung in Dieselmotoren oder das Verdrillen von Chemiefasern in der Textilindustrie.

Grundlegend bedeutet Kavitation (lat. cavitas „Hohlraum“) die Bildung und Auflösung von mit Dampf gefüllten Hohlräumen in einer Flüssigkeit. Physikalisch betrachtet entspricht Kavitation dem Sieden. Unter Atmosphärendruck siedet beispielsweise Wasser auf Meeresspiegelhöhe bei einer Temperatur von 100 °C. Wird der Druck vermindert, erfolgt der Übergang in die gasförmige Phase schon bei geringerer Temperatur. Den Absolutdruck, bei dem dieser Übergang stattfindet, bezeichnet man als Dampfdruck. Bild 1 verdeutlicht beide Möglichkeiten, Temperaturerhöhung und Druckreduzierung, die zur Unterschreitung des Dampfdruckes und somit zum Übergang in die gasförmige Phase führen.

Stephan Klein

Abstract

Dieser Beitrag stellt die wesentlichen Inhalte eines gleichnamigen Übersichtsvortrags auf dem 310. PTB-Seminar „Metrologie im Fluss“ zusammen, das am 8. und 9. November 2018 in Braunschweig durchgeführt wurde. Zunächst wird der Bereich „Medizintechnik“ anhand der Europäischen Medizinprodukte-Verordnung abgegrenzt und einige Beispiele von Medizinprodukten werden vorgestellt, bei denen die Handhabung von Flüssigkeiten ein wichtiger Bestandteil der Funktionserfüllung ist. Anschließend werden gegenwärtig in der Medizintechnik eingesetzte Flow-Sensoren und Ansätze neuer Messprinzipien aufgeführt. Zum Abschluss werden Ergebnisse des europäischen Metrologieprojektes „Metrology for Drug Delivery I“ und die Planungen für dessen Fortsetzung beschrieben.

Hugo Bissig, Martin Tschannen, Marc de Huu

Abstract

Flow calibrations are important in several areas of pharmaceutical, flow chemistry and health care applications where volumetric dosage or delivery at given flow rates are crucial for the process. Not only a calibrated steady flow rate is important, but also a changing flow rate should be measured accurately as the final delivered volume will depend on these accurate flow measurements. Therefore, the Microflow and Milliflow facilities at METAS have been updated to cover these requirements from the microfluidic industry. So far, calibrations for steady flow rates and pulsating flow in the range from 100 nl/min up to 400 ml/min with uncertainties from 0.7 % to 0.07 % respective from 3 % to 0.2 % can be realized. As the METAS flow generators are homemade syringe pumps with linear measuring systems to determine the position of the plunger of the syringe, any fast flow rate change can be measured by the change of the moving speed of the plunger. Therefore, fast changing flow rates within 1 s can be produced and either detected by means of the traceable dynamic gravimetric method or determined from the converted speed from the linear measuring system into flow rate. This allows determining the response time of any flow meter or flow generator for fast changing flow rates. Moreover, the METAS syringe pump allows generating flow rates even lower than 100 nl/min. The measurement uncertainty of the fast changing flow rate measurement is still under investigations.

The design of the updated METAS Milliflow and Microflow facilities will be discussed as well as contributions of the installation on the response time of the dynamic gravimetric method. The characterization of these contributions is important in order to assess correctly response times of flow meters or flow generators under test. Thus, calibrations for steady flow rate, fast changing flow rates and response times of either flow meters or flow generators can be performed with the METAS Milliflow and Microflow facilities.

Daniel Schumann

Wachsendes Verbrauchs- und Umweltbewusstsein sowie die Novellierung gesetzlicher Vorgaben führen zu steigenden und neuen Anforderungen an die Durchflussmesstechnik, sowohl in Richtung größerer Durchflussbereiche und kleinerer Messunsicherheiten als auch im Hinblick auf die Validierung der bisherigen Prüfbedingungen der Geräte an die realen Messbedingungen beim späteren Betrieb. Am Beispiel eines herkömmlichen Wasserzählers lässt sich dieser Trend gut verdeutlichen. Die neuen gesetzlichen Regelungen erlauben beispielsweise das Inverkehrbringen von Hauswasserzählern mit einem Messbereich von 1:1000 (bisher üblicherweise zwischen 1:40 und 1:160), ohne an den Prüfprozeduren etwas zu ändern. Prüfung und Nacheichung der Messgeräte nach der festgelegten Eichfrist gemäß MessEV von 6 Jahren für Kaltwasserzähler [§34 Mess- und Eichverordnung (MessEV)], erfolgen für jedes Messgerät bei festgelegten hoch-konstanten und reproduzierbaren Prüfbedingungen. Mit diesen soll das Messverhalten der Geräte geprüft werden, um sicherzustellen, dass nach technisch-wissenschaftlichen Erkenntnissen diese die innerhalb der Eichfrist zulässigen Verkehrsfehlergrenzen nicht überschreiten. Die in der Realität gegebenen Bedingungen, ganz besonders die realen Entnahme- bzw. Verbrauchsprofile (s. Bild 1) unterscheiden sich jedoch grundlegend von konstanten Durchflüssen. Der tageszeitliche Verbrauch bzw. das Verbrauchsprofil ist maßgeblich gekennzeichnet von kurzzeitigen Entnahmen, Überlagerungen, unterschiedlichen Flankenanstiegen, Kleinstverbräuchen und Stillständen.

Dietmar Grimm

Moderne Wohnungswasserzähler zur Ermittlung von Kalt- und Warmwassermengen für die Nebenkostenabrechnung sind mit integrierten Funksendern ausgestattet. Dies bietet den Vorteil, dass der Betreiber der Wasserzähler die Messwerte auf digitalem Weg über seinen Empfänger übermittelt bekommt. Gegenüber dem heute noch weit verbreiteten händischen Ablesen werden so Ablesefehler vermieden, es ist kein Wohnungszutritt notwendig, und es können auf diesem Weg auch zusätzliche Verbrauchs- oder Betriebsdaten erfasst und übermittelt werden.

Die Funk-Wohnungswasserzähler der Fa. Lorenz1 sind als Flügelradzähler mit induktiver Flügelradabtastung mit adaptiver Abtastfrequenzregelung konzipiert. Sie beinhalten eine elektronische Fehlerkurvenkorrektur mit abschnittsweisen Kalibrierwerten. Es sind Algorithmen für die Leckage- und Manipulationserkennung integriert. Eine digitale Anzeige (LCD) informiert den Endverbraucher über den aktuellen Zählerstand und weitere Werte. Die integrierte IR-Schnittstelle dient zur kundenspezifischen Konfiguration beispielsweise von Stichtags- und Funkparametern oder zum Auslesen detaillierter Betriebs- und Verbrauchsdaten.

Alexander Rombach, Timo Kienzler

Industrie 4.0 bedeutet bei der Konformitätsuntersuchung von Wasserzählern den Einsatz hochflexibler Prüftechnik zur Produktion individueller Produkte mit Auftragsgrößen von 1 zu N.

Das hohe Lohnniveau und die geringen Preisvorstellungen stellen eine große Herausforderung für den Produktionsstandort Deutschland dar. Billige Produkte sind in Deutschland nicht mehr herstellbar, preiswerte Produkte dagegen schon.

Der Wert eines Wasserzählers bestimmt sich neben einem anstandslosen Messverhalten auch durch eine kurzfristige Verfügbarkeit verschiedener Wasserzählerformate in beliebigen Stückzahlen. Durch die Kommunikationsmöglichkeiten elektronischer Wasserzähler steigt die Variantenvielfalt deutlich an.

Der Anspruch an die Messtechnik veränderte sich durch Einführung der Measuring Instruments Directive (MID) gleichzeitig mit der Industrie 4.0 Entwicklung. Für eine belastbare Konformitätsaussage sind oft mehr Prüfpunkte notwendig, wobei die Prüfpunkte je nach Wasserzählerformat variieren.

Zur optimalen Ermittlung von Fehlerkurvenkorrekturfaktoren elektronischer Zähler (Justierung) sind weitere Prüfpunkte notwendig. Diese Messungen sind qualitätsentscheidend und erfordern deshalb eine geringere Messunsicherheit als bei der Kalibrierung.

Kurt Polzer, Florian Beyer

„Digital Enterprise – Implement now!“ – das Siemens-Motto zeigt: Digitalisierung ist real bei unseren Kunden angekommen. Beim Thema Digitalisierung gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Aspekte. Der Artikel zielt auf Aspekte der Digitalisierung in der Feldebene. Es werden Antworten auf die Fragen „Was ist heute bereits technisch umsetzbar und welche Kundennutzen ergeben sich daraus?“ diskutiert, im Allgemeinen und in der Durchflussmessung im Besonderen.

Kompaktes 3D-LDA-System mit Selbstjustage

Für die Untersuchung von komplexen Strömungsfeldern mit Strömungsgeschwindigkeitsvektorkomponenten in allen drei Raumrichtungen fehlen bislang auf die SI-Einheiten rückgeführte und damit präzise Verfahren, um z. B. Strömungen in Windkanälen für Kalibrieraufgaben zu messen. PTB-Forscher stellen sich dieser messtechnischen Herausforderung und entwickeln ein kompaktes Messsystem (Messkopf s. Bild). Darin verbirgt sich ein Laser- Doppler- Anemometer, kurz LDA, mit der weltweit einzigen rückgeführten Mehrkomponentenmesstechnik von Strömungsvektoren. Der PTB-Messkopf soll unter anderem als Bezugsnormal in Windkanälen eingesetzt werden.

Verfahren zur Detektion des kritischen Durchflusszustandes

Düsen und Blenden werden im Bereich der Durchflussmessung von Gasen eingesetzt. Oberhalb eines geeigneten Druckverhältnisses zwischen Eingangs- und Ausgangsdruck an der Düse stellt sich ein kritischer Zustand ein, bei dem der Volumenstrom unabhängig vom Druck hinter der Düse ist. Durch die neue PTB-Sensorik kann dieser Zustand detektiert werden, um den Energieaufwand für die Differenzdruckerzeugung entscheidend zu minimieren.

Laser-Doppler-Durchflussmessgerät mit automatisierter Rekonstruktion des optischen Zugangs

Für Volumenstrommessungen mithilfe der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) muss das Geschwindigkeitsprofil innerhalb der Rohrleitung bestimmt werden. Dazu werden die Fluidgeschwindigkeiten an mehreren Messpositionen innerhalb des Rohres vermessen. Die Geschwindigkeitsinformation ist auf die Kalibrierung des Interferenzstreifenabstandes eines Geschwindigkeitsnormals rück-führbar. Durch die neue PTB-Erfindung wird die Messunsicherheit der Positionsbestimmung deutlich verringert, da nun auch Informationen über die Geometrie und die Brechungsindizes des optischen Zugangs messtechnisch direkt vor Ort erfasst werden.

Label- und hämolysefreie Vollblut-Differenzierung in mikrofluidischen Sensoren mittels AC-Impedanz

Die quantitative Untersuchung von Zellen im Blut mittels Durchflusszytometrie ist ein routinediagnostisches Verfahren in der Hämatologie. Durch die neue PTB-Technologie kann jetzt die zuverlässige Messung der Konzentration der Subpopulationen von Leukozyten mittels AC-Impedanz ohne Hämolyse durchgeführt werden. Somit ist erstmalig eine zuverlässige Vollblut-Differenzierung unter anderem auch bei Leukämiepatienten möglich.

Pulsationsfreier Antrieb für arbiträre Fluidströme

Die Durchflussmesstechnik benötigt für Prüf- und Kalibrierstände exakte Fluidantriebe, die kontinuierlich konstante Volumenströme erzeugen können. Die neue PTB-Technologie besteht aus zwei geschickt synchronisierten Kolbensystemen, die einen pulsationsfreien und konstanten Fluidstrom bilden können. Der Durchfluss ist außerdem problemlos und schnell variierbar. Durch optische Positionsbestimmung ist die Fördermenge zu jeder Zeit exakt bekannt und der benötigte Betriebsdruck kann ohne Regelventile erreicht werden. Das erlaubt eine Reduzierung des Bauraums, führt zu geringeren Kosten und spart Platz.