Weitere Verbesserung des Messunsicherheitsbudgets für das HDP

Eine der wichtigsten funktionsrelevanten Komponenten des Hydrodynamischen Prüffeldes (HDP) ist die Durchfluss-Umlenkeinrichtung. Umfangreiche experimentelle Untersuchungen des Zeitfehlers der entsprechenden Umlenkvorgänge und eine exakte modellbasierte Funktionsanalyse dieser Prozesse lieferten einen entscheidenden Beitrag zur Sicherstellung und weiteren quantitativen Verbesserung der Messunsicherheit des HDP von 0,19% auf nunmehr 0,012%.

Für das Hydrodynamische Prüffeld als nationales Normal für die Mengen- und Durchflussmessung von Flüssigkeiten ist für den Durchflussbereich bis 2100 m³/h eine erweiterten Messunsicherheit von 0,02% in der CMC-Datenbank des BIPM in Paris hinterlegt. Der dominierende Beitrag zu dieser Messunsicherheit resultierte bisher aus dem Zeitfehler der Durchfluss-Umlenkeinrichtung und der Messunsicherheit seiner Bestimmung.

Die Messunsicherheit einer solchen Durchfluss-Normalmesseinrichtung wird durch eine große Anzahl von Anlagenparametern und Prozessgrößen beeinflusst. Unter all diesen Parametern ist der Einfluss der Umschalteinrichtung besonders dominant [1][2], wie das in Bild 2a deutlich erkennbar ist.

Bild 1: Strömungsprofil im Diverter [2]
a) Prinzipielle Strömungsverhältnisse
b) Vermessung des Strömungsprofils mittels LDA

Auf der Grundlage einer modellbasierten Analyse, welche im Gegensatz zu einer reinen „Black-box”-Analyse die in den Umschaltvorgang involvierten Prozesse quantitativ in einer Ursache-Wirkungs-Kette beschreibt, können die hier wirksamen physikalischen Effekte exakt in ihren Einzelwirkungen bewertet werden. Erstmalig wurde ein solches Verfahren für die Funktionsanalyse einer Durchfluss-Umlenkeinheit angewandt [2].

Im Bild 1a ist die prinzipielle Funktionsweise einer solchen Umlenkeinrichtung dargestellt: Die Umschaltklappe der Durchfluss-Umschalteinrichtung lenkt den in einer Düse mit rechteckförmigen Querschnitt konditionierten Flüssigkeitsfreistrahl während der Mengenmessung in einen Wägebehälter um; danach kehrt sie wieder in ihre Ausgangslage zurück und der Flüssigkeitsstrom zirkuliert weiterhin ohne jegliche Beeinflussung und Rückwirkung in der Messanlage.

Für die Unsicherheit des Umschaltvorganges sind ursächlich 3 Prozesse verantwortlich: Das Geschwindigkeitsprofil (Bild 1a) in der Düsenströmung und deren Turbulenzgrad sowie der zeitliche Verlauf des Umschaltvorganges. Instabilitäten bzw. zeitliche Schwankungen des Flüssigkeitsstromes liefern zwar einen Beitrag zur Messunsicherheit der Umschalteinrichtung, sind aber kein Charakteristikum dieser Funktionseinheit selbst und können demzufolge auch dort nicht kompensiert oder korrigiert werden. Als Qualität sichernde Maßnahme muss deshalb für den Betrieb hochgenauer Durchfluss-Normalmesseinrichtungen eine sehr stabile Durchflussregulierung realisiert werden [3].

Ausgehend von der modellbasierten Analyse der Umschalteinrichtung wurden Messungen zur Bestimmung der Umschaltzeitfehler durchgeführt. Im Ergebnis dieser Messungen und darauf beruhender Justierungen konnte der Zeitfehler von bisher 20 ms auf 6 ms reduziert werden, womit effektiv eine Reduzierung der erweiterten Messunsicherheit der Gesamtanlage von bisher 0,019% auf aktuell 0,012% verbunden ist.

Bild 2: Komponenten, die zum Messunsicherheit einer Durchfluss-Normalmesseinrichtung beitragen
a) Wirksamer Umschalt-Zeitfehler vor der modellbasierten Analyse
b) Aktueller Zeitfehler nach der Analyse und der Anwendung von Korrektionen

Wie eine vergleichende Betrachtung der jeweiligen Relationen des Zeitfehlereinflusses in den Bildern 2a und 2b erkennen lässt, konnte der dominante Einfluss des Zeitfehlers im Gesamtmessunsicherheitsbudget der Messanlage signifikant reduziert werden.

[1] W. Poeschel et al: A unique fluid diverter design for water flow calibration facilities, FLOMEKO 2000, Salvador, Brasilien, 2000
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[2] R. Engel et al: Model-based flow diverter analysis for an improved uncertainty determination in liquid flow calibration facilities, IOP Publishing Ltd., Measurement Science and Technology, 21(2010)
http://iopscience.iop.org/0957-0233/21/2/025401?ejredirect=migration

[3] R. Engel et al: Performance improvement of liquid flow calibrators by applying special measurement and control strategies, FLOMEKO 2003, Groningen, Niederlande, 2003
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Ansprechpartner:

Rainer Engel, FB 1.5, E-mail: rainer.engel@ptb.de