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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Konstruktion und Fertigung eines neuen Sättigerblocks nach DGRL für neues Feuchte-Primärnormal

17.03.2023

Für den Aufbau eines neuen Feuchte-Primärnormals wurde ein Sättigerblock nach einem neuen Konzept konstruiert und gefertigt.


Abb. 1: Sättigerblock

Dieser stellt die Kernkomponente der Anlage dar und dient der präzisen Einstellung des Feuchtegehaltes eines Gasstroms. Dazu wird der Block in einem Silicon-Öl-Becken im Bereich von -30 °C bis +120 °C temperiert. Das Gas durchströmt den Block mit definiertem Druck, über mehrere, teilweise mit Wasser gefüllte Ebenen mit mäanderförmigen Kanälen. In Abhängigkeit von Druck und Temperatur stellt sich über die Wegstrecke ein Gleichgewichtszustand zwischen der Gas- und Flüssigphase ein. Am Referenzpunkt liegt dieser Zustand vor und der Feuchtegehalt des Gases kann aus den rückgeführt gemessenen Werten für Druck und Temperatur berechnet werden.


Abb. 2: Sättigerblock und Silicon-Öl-Becken

Mit einem Arbeitsbereich von bis zu 15 bar Überdruck unterliegt der Sättigerblock der Druckgeräterichtlinie (DGRL) und ist damit ein Druckgerät. Die Einstufung nach Druckgeräterichtlinie richtet sich nach dem maximalen Betriebsdruck und dem Innenvolumen des Geräts und ergab, dass der Sättigerblock nach Art. 4 Abs. (3) der Druckgeräterichtlinie zu konstruieren und zu bauen ist. Er fällt damit noch nicht in eine der strengeren Kategorien der DGRL.

Art. 4 Abs. (3) besagt, dass das Druckgerät in Übereinstimmung mit der „geltenden guten Ingenieurpraxis“ ausgelegt und hergestellt werden muss. Dies bedeutet, dass die Anforderungen der Druckgeräterichtlinie nicht zwingend und auch nicht vollständig einzuhalten sind. Allerdings trägt der Hersteller die Verantwortung, eine gleichwertige Sicherheit zu gewährleisten. Dementsprechend wurde entschieden, die Anforderungen der Druckgeräterichtlinie dennoch vollumfänglich umzusetzen.

Um diesem Anspruch gerecht zu werden, wurde im Konstruktionsprozess die sachkundige Unterstützung des TÜV Nord eingebunden und eine abschließende Entwurfsprüfung der Konstruktions-/Fertigungsunterlagen durch den TÜV Nord durchgeführt.

Bei der Fertigung wurde ebenfalls externe Unterstützung in das Projekt eingebunden. Sämtliche Biege- und Schweißarbeiten mussten von einer sachkundigen externen Firma ausgeführt werden, die über die erforderlichen Fähigkeiten und Fähigkeitsnachweise verfügt. Der Aufwand, alle erforderlichen Fähigkeitsnachweise im Wissenschaftlichen Gerätebau der PTB für dieses Projekt zu etablieren, wäre wirtschaftlich nicht sinnvoll.

Die Herstellung der komplexen Bauteile wurde mittels hochwertiger Dreh-, Fräs- und Schleifarbeiten, vom Wissenschaftlichen Gerätebau ausgeführt. Die Fertigung erfolgte zudem in enger Abstimmung mit der externen Firma, da einige komplexe Bauteile für die Schweißarbeiten beigestellt wurden bzw. Zwischenbearbeitungen erforderlich waren.

Durch die Auflagen bzw. Anforderungen der DRGL wurden alle drucktragenden Bauteile aus zertifizierten, gestempelten und mit Zeugnissen belegten Halbzeugen gefertigt. Um die geforderte Rückverfolgbarkeit aller Bauteile auf die zeugnisbelegten Halbzeuge aufrecht zu halten, wurden die Bauteile im Fertigungsprozess, bei Bedarf, umgestempelt und dies dokumentiert.

Durch diese Vorgehensweise konnten die hohen wissenschaftlichen und technischen Anforderungen an den Sättigerblock und die Anforderungen der Druckgeräterichtline an die Auslegung, Fertigung und Dokumentation eines Druckgeräts erfüllt werden. Somit wurde sichergestellt, dass ein leistungsfähiges und sicheres Druckgerät in der PTB ab März 2023 eingesetzt werden kann.

Die Umsetzung eines Auftrages in einem engen rechtlichen Rahmen, wie der DGRL, stellt andere, neue und umfangreichere Anforderungen an Konstruktion und Fertigung. Daher beinhaltete dieser Auftrag auch einen umfangreichen Lernprozess, von dem kommende Aufträge profitieren werden.

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