Erfolgreicher Abschluss des internationales Ringvergleiches SIM.M.FF-S9.2016 im Bereich Durchflussmessung

In Zusammenarbeit mit dem mexikanischen Metrologieinstitut CENAM hat die Arbeitsgruppe 1.52 der PTB erfolgreich den internationalen Ringvergleich SIM.M.FF-S9.2016 im Bereich Durchflussmessung durchgeführt und als Pilotlabor die Referenzen gestellt. Ziel des Ringvergleiches war die Bestätigung der CMC-Einträge von den teilnehmenden Laboren aus Chile (CISA), Peru (INACAL), Bolivien (IBMETRO) sowie Argentinien (INTI). Die nominalen Kalibrier-bedingungen waren definiert mit: Wasser als Kalibrierflüssigkeit, Durchfluss 10 m³/h bis 130 m³/h und Fluidtemperatur 20 °C. Als Transfer-geräte wurden eine Turbine sowie ein Coriolis-Durchflussmesser eingesetzt. Neben dem Nachweis der Messfähigkeit der teilnehmenden Labore standen Untersuchungen zur Eignung und Unsicherheit der Transfer-geräte im Vordergrund. Aus vorhergehenden Vergleichsmessungen war bekannt, dass die Messeigenschaften einer Turbine stark vom einlaufseitigen Strömungsprofil abhängig sein können. Ein Coriolis-Durchflussmesser kann hin-gegen durch seine Eigenschaften in Bezug auf Fluidtemperatur und dem gerätespezifischen Nullpunktsetzen charakterisiert sein. Diese Beiträge zur Unsicherheit der Messungen näher zu quantifizieren, stellten eine zentrale Aufgabe der Pilotlabore dar.

Internationale Ringvergleiche stellen auch im Bereich der Durchflussmessung die Basis für eine Harmonisierung in der welt-weiten Metrolgie dar. Basierend auf dem CIPM Mutual Recognition Arrangement (kurz: CIPM MRA) werden Key Comparisons (kurz: KC) durchgeführt, die dem Nachweis der Kalibrier- und Messfähigkeit der beteiligten nationalen Metrologieinstitute auf höchster zwischenstaatlicher Ebene dienen. Diesen KC sind die regionalen Supplementary Comparions (kurz: SC) nachgeordnet. Die SC werden von den regionalen Metrologieorganisationen organisiert und sind an die KC über die Weitergabe des Key Comparison Reference Value (kurz: KCRV) angeschlossen.

Ein solcher regionaler Ringvergleich (SIM.M.FF-S9.2016) wurde aktuell unter der Schirmherrschaft der südamerikanischen Metrologieorganisation SIM erfolgreich abgeschlossen [1], organisiert durch die Pilotlabore CENAM (Mexiko) und PTB. Die Durchflusslabore beider Institute haben für diesen Vergleich einen an den KC CCM.FF-K1.2015 [2] angeschlossenen Referenzwert bereitgestellt.

Ziel des Ringvergleiches war die Bestätigung der CMC-Einträge von den teilnehmenden Laboren aus Chile (CISA), Peru (INACAL), Bolivien (IBMETRO) sowie Argentinien (INTI) (Abbildung). Die Messungen wurden zwischen Januar 2016 und August 2019 durchgeführt. Als Transfersetup wurde eine Kombination aus einer Turbine und einem Coriolis-Durchflussmesser mit dem Nenndurchmesser DN80 verwendet. Die nominalen Kalibrierbedingungen waren definiert mit: Durchfluss zwischen
10 m³/h und 130 m³/h, Fluidtemperatur 20 °C und Prozessdruck 3 bar. Als Fluid wurde Wasser verwendet.

Abbildung: Pilotlabore und Teilnehmer für den hier vorgestellten Ringvergleich SIM.M.FF-S9.2016 sowie die abschließenden En-Werte.

Den Empfehlungen von [3] folgend, wurden für die Bestimmung der Transfergeräteunsicherheiten umfangreiche Charakte-risierungsmessungen durchgeführt und folgende Einflussparameter im Speziellen untersucht: Fluidtemperatur, Prozessdruck, Reproducibility, Durchflussstabilität sowie der Einfluss von Vorstörungen.

Die Unsicherheit der verwendeten Turbine war klar dominiert von deren Empfindlichkeit auf gestörte und nichtsymmetrische Strömungsprofile. Dieser hohe Einzelbeitrag führte zu einer Gesamtunsicherheit der Turbine von bis zu 0,20 % (k = 1).  Somit musste die Turbine, den Empfehlungen von [4] folgend, als nicht taugliches Transfergerät für den Nachweis der angestrebten Prüfstandsunsicherheiten eingeordnet werden. Der zulässige Verhältniswert von 2,00 zwischen den Unsicherheiten vom des jeweiligen Labors und den Messungen mit diesemem Transfergerät wurde dabei zum Teil deutlich überschritten.

Die Kalibrierungen mit dem Coriolis-Durchflussmesser waren gekennzeichnet von einer deutlichen Abhängigkeit des Gerätes vom Nullpunktsetzen. Im Zuge der Auswertungen wurde erstmalig ein neuartiges Verfahren zur nachträglichen Korrektur dieses auch als Autozero bezeichneten Effektes angewandt. Mit dem diesem Verfahren konnten die Unsicherheiten des Coriolis-Durchflussmessers auf 0,07 % bei kleinen Durchflüssen bzw. auf 0,03 % bei großen Durchflüssen, reduziert werden
(k = 1). Die Tauglichkeit des verwendeten Coriolis-Durchflussmessers konnte somit erfolgreich nachgewiesen werden. 

Mit Ausnahme von zwei einzelnen Kalibrierungen konnten alle teilnehmenden Labore ihre angestrebten Unsicherheiten mit
En-Werten < 1,20 bestätigen (Abbildung). 

Ein besonderer Dank geht an Carl Felix Wolff - (PTB/9.3 - Internationale Zusammenarbeit), der den Ringvergleich durch seine Mitarbeit wesentlich unterstützt hat.

Die Vergleichsmessungen wurden teilfinanziert durch das Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) – Projekt-IDs: 2012.2296.7-95259, 2015.2037.8-95306 und 2017.2073.9- 95328.

Literatur:

[1] Frahm, E., Arias, R., Maldonado, M., Vargas, J., Mendoza, J.J., Arredondo, A., Silvosa, M.A. (2024): Supplementary comparison SIM.M.FF-S9.2016 for water flow measurement. Metrologia 61 07001, DOI 10.1088/0026-1394/61/1A/07001
Online:  https://www.bipm.org/documents/d/guest/sim-m-ff-s9

[2] N. Furuichi R. , Arias, R., Yang, C.-Y., Chun, S., Meng, T., Shinder, I., Frahm, E., Büker, O., Mills, Chr., Akselli, B. (2022): Final report on CIPM Key Comparison CCM.FF-K1.2015. Metrologia 59 07013, DOI 10.1088/0026-1394/59/1A/07013
Online: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/59/1A/07013

[3] BIPM (2013): WGFF Guidelines for CMC Uncertainty and Calibration Report Uncertainty. 21.10.2013
Online:  https://www.bipm.org/documents/20126/44756349/ccm-wgff-guidelines.pdf/eda74c50-1192-a20e-fc16-a3760e11329e

[4] Wright, J., Toman, B., Mickan, B., Wübbeler, G., Bodnar, O., Mickan, B., and Elster, C. (2016): Transfer standard uncertainty can cause inconclusive inter-laboratory comparisons, Metrologia 53, 1243 – 1258. DOI 10.1088/0026-1394/53/6/1243
Online: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0026-1394/53/6/1243/pdf

Ansprechpartner:

Enrico Frahm, FB 1.5, E-Mail: enrico.frahm(at)ptb.de