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Verbesserte Rückführung von Prandtlschen Staurohren mittels Laser-Doppler-Anemometrie

27.10.2012

Die als Pitot-Static-Tubes bezeichneten Prandtlschen Staurohre werden derzeit fast ausschließlich in den akkreditierten Kalibriereinrichtungen der Windenergiebranche als Bezugsnormale für die Kalibrierung von allein in Deutschland weit über 10.000 Anemometern eingesetzt. Vergleichsmessungen mit Laser-Doppler-Anemometern als Transfernormalen haben gezeigt, dass sich mit Prandtlschen Staurohren auf die SI-Einheiten rückführbare Strömungsgeschwindigkeitsmessungen mit Messunsicherheiten im Promillebereich erzielen lassen.

Im Bereich regenerativer Energien spielen Windpotenzialanalysen für die Bilanzierung von Windenergieanlagen eine bedeutende Rolle. Hier sind auf die SI-Einheiten rückgeführte Anemometer zu verwenden, an die zunehmend höhere Anforderungen hinsichtlich ihrer Messunsicherheit gestellt werden. Bisher kommen bei der Kalibrierung von Anemometern mit Messunsicherheiten im Bereich von 1 % in Windkanälen mit Düsenquerschnittsflächen von ca. 1 m² und Geschwindigkeiten von unter 5 m/s bis über 15 m/s in der Regel Prandtlsche Staurohre als Bezugsnormale zum Einsatz. Der Internationale Standard ISO 3966 bildet die Grundlage für deren Einsatz und legt unter anderem  die zu verwendenden Geometrien und Kalibrierfaktoren fest. Nach aktuellem WGFF-Beschluss (WGFF - Working Group on Fluid Flow des CIPM CCM) und der IEC 61400-12-1 wird für den Einsatz Prandtlscher Staurohre als Bezugsnormale jedoch deren Kalibrierung zur messtechnischen Rückführung auf die SI-Einheiten gefordert.

Windkanalmessungen haben gezeigt, dass bei Strömungsgeschwindigkeiten von über 4 m/s die Messergebnisse mittels Prandtlscher Staurohre unter Verwendung der in der ISO 3966 vorgegebenen Kalibrierfaktoren mit denen der als Transfernormale eingesetzten Laser-Doppler-Anemometern bereits innerhalb weniger Promille übereinstimmen. Die steigende Nachfrage hinsichtlich minimaler Messunsicherheiten erfordert zunehmend den Einsatz kalibrierter Laser-Doppler-Anemometer, die mit kleinstmöglichen Messunsicherheiten im Bereich von 1 ‰ bis 2 ‰ zum einen die zur Zeit bestmöglichen Kalibrierungen erlauben und zum andern die Validierung der auf theoretischen Überlegungen und experimentellen Erfahrungen basierenden Regelungen zum Einsatz Prandtlscher Staurohre ermöglichen.

Mit der zunehmenden Verfeinerung der Differenzdruckmessung beim Einsatz Prandtlscher Staurohre und den steigenden Anforderungen an präzise Messverfahren und deren Validierung kommt der Laser-Doppler-Anemometrie eine Schlüsselrolle zu. Dies erfordert langfristig auch eine Reduzierung der Messunsicherheit von LDA-Systemen, die derzeit im Bereich von in der Regel größer als 0,12 % anzusetzen ist.

Literatur:

[1] International Standard IEC 61400-12-1 Wind turbines - Part 12-1: Power performance measurements of electricity producing wind turbines, First edition 2005-1

[2] International Standard ISO 3966 Measurement of fluid flow in closed conduits - Velocity area method using Pitot static tubes, Second edition 2008-07-15

[3] Pitot, Doppler und Prandtl – Wegbereiter für heutige Windpotenzialanalysen. Proceedings der 20. GALA-Fachtagung „Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik“, 2012

Ansprechpartner:

Harald Müller, FB 1.4, AG 1.41, E-Mail: harald.mueller@ptb.de