Vor-Ort-Kalibrierung von Durchfluss-Messgeräten · 2017. 4. 4. · Vor-Ort-Kalibrierung von...

Vor-Ort-Kalibrierung von Durchfluss-Messgeräten

Dr. Michael Dues

ILA R&D GmbH, Jülich

Dr. Ulrich Müller

OPTOLUTION Messtechnik GmbH, Lörrach

Statusseminar „Energieforschung für die Wärmewende“

Frankfurt, 19.-20. April 2016

Gliederung

1. Motivation

2. Vorstellung des Forschungsvorhabens

3. Messtechnologie

4. Zwischenergebnisse

5. Messunsicherheiten

6. Anwendungsbeispiele

7. Statistik

8. Kosten und Nutzen

9. Pro und Contra

10. Partnerschaften

11. Referenzen

12. Erfahrungen und Ausblick

Statusseminar EnEff:Wärme 2016 2

Vorstellung ILA Research and Development

Sensor CalibrationLaser Doppler Velocimetry

LDV - Profile Sensors Temperature Measurement FRS

LDV - Volume Flow Metering

LDV- Long Range Optics


1. Motivation

PROBLEMSTELLUNG DURCHFLUSSMESSUNG

- Kalibrierung großer DFS erfolgt auf Prüfständen

unter idealen Bedingungen

- Zusätzliche Messunsicherheiten im Feldeinsatz

durch– abweichende Temperaturen

– unterschiedliche Strömungsbedingungen

– Langzeitdrift und Abrasion

- Messabweichungen in der Praxis teilweise 3-5 %,

in Einzelfällen jedoch 20% und mehr.

- Damit ist eine genaue Bilanzierung bzw. der

Nachweis von effizienzsteigernden Maßnahmen

nur bedingt möglich.


Projekt „Energieeffizienz in der Fernwärme durch

Vor-Ort-Kalibrierung von Durchflussmessgeräten“

• Erweiterung des bestehenden

laseroptischen Verfahrens zur Vor-Ort-

Kalibrierung von Durchflussmessgeräten

auf leicht gestörte Strömungszustände

durch Kopplung von numerischen und

experimentellen Verfahren

• Qualifizierung des Verfahrens am

Wärmemengenprüfstand der PTB Berlin

• Erprobung des Verfahrens im Berliner

Fernwärmenetz

• Beitrag zur energetischen Optimierung

von Fernwärme-Netzen => genauere

Netzbilanzierung:

• Energetische Optimierung des

Netzbetriebes

• Optimierung der Netzerweiterung/-

verdichtung und

• Optimierung des Erzeugersteuerung

und somit des notwendigen

Primärenergieeinsatzes

Zielsetzung

Vorgehensweise

Teilnehmer: PTB Berlin, TU Berlin,

VATTENFALL Europe Wärme AG, ILA GmbH,

OPTOLUTION Messtechnik GmbH

2. Vorstellung des Forschungsvorhabens


Punktförmige kalibrierungsfreie Erfassung von mehrdimensionalen Geschwindigkeiten

DDx ffxv

sin2

3. Messtechnologie - Laser-Doppler-Velocimetry

Roh-

Messsignal

Spannun

g

Zei

t

gefiltertes

Messsignal

Zei

t

Spannun

g

Spektral-

analyse

Frequen

zfD

gefiltertes und

verstärktes

Messsignal

Zei

t

Spannun

g

Spannun

g

vabsolut

StrömungLaser

EmpfangsoptikSendeoptik

Empfangsfaser

x

Doppler-Frequenz fDEinhüllende

vx

vz

Signal im Zeitbereich

Signal im Frequenzbereich

rückgestreutes Licht

Partikel

Messvolumen


3. Messtechnologie – Prinzip der Volumenstrom-Bestimmung

Vorteile:

+ keine Fensterkammer benötigt (!) – Aufwand reduziert

+ Einbringung ohne Betriebsunterbrechung möglich

+ Berücksichtigung der tatsächlichen Betriebsbeding-

ungen (auch Instationaritäten bzgl. Q und T)

+ Ermittlung der realen Messunsicherheiten der Geräte

im Einbauzustand (!!)

Nachteile:

- symmetrische, konditionierte oder ungestörte bzw.

bekannte Strömungsverhältnisse notwendig (z. Z.)

- höhere Messunsicherheit (abhängig von Installation)

als bei LDV-Ganzfeld-Verfahren

w

(r/R)wvol

r/R

LDV-

MesspunktAICHELEN-Punkt

Bestimmung des Volumenstromes durch:

Integration der Geschwindigkeits-Verteilung

=> Ganzfeld-Methode

Integration von Geschwindigkeitsprofilen

=> Segment-Methode


3. Messtechnologie – Schaffung des optischen Zuganges

Mit freundlicher Genehmigung von

1. Anschweissen des Kugelhahnes

2a. Anbohrung durch den Kugelhahn

2b. Ausgebohrte Rohrronde

3b. Aufgesetzte Vorrichtung zur Einbringung

der Fensterhülse mit dem Konturfenster

3a. Fensterhülse mit Konturfenster

4. Rohrinnenkontur mit

eingebauter Fensterhülse und

KonturfensterStatusseminar EnEff:Wärme 2016 8

3. Messtechnologie – Arbeitsschritte

• Aufschweissen des Spezial-Kugelhahnes

• Realisierung der Anbohrung(en)

• Einbringen der Fensterhülse

(alternativ: Einbau des Fenster-Passstückes)

• Montage und Justage der LDV-Messtechnik

• LDV-Messungen bei den Volumenströmen

• Demontage der LDV-Messtechnik

• Sicherung des geschlossenen

Kugelhahnes mit Blindflansch

• Auswertung und Dokumentation

• periodische Wiederholmessungen(mit vorhergehender Fensterreinigung)


3. Messtechnologie


3. Messtechnologie -Einsatzgrenzen und Anwendungsmöglichkeiten

ungestörte oder symmetrische Strömungsverhältnisse

(sonst z. B. weitere Anbohrungen möglich oder Informationen notwendig)

Für alle transparenten Fluide (Fernwärme, Trinkwasser, Abwasser,

Dampf, raffinierte Produkte, Gase, …)

Branchen: Versorgungstechnik für Wärme/Kälte und Wasser, Kraftwerks-

Technik (Wirkungsgradmessungen, Kühlwassermengen)

für 100 ≤ DN ≤ 1000 (ab ca. 0,1-0,5 m/s), derzeitig bis PN 25 (40)

und Tmax = 180 °C

Partikelbeladung (ø ca. 10-50 µm) des Fluids für Sicherstellung

einer ausreichenden Datenrate

Rohrleitungen aus Stahl, (Rohrleitungen aus Kunststoff bei Bedarf möglich)

DFS für die Abrechnung von grossen Wärmemengen

bzw. grossen Voluminas/Werten von Wasser, Dampf, Gas, …

DFS die nur mit hohem Aufwand freigeschaltet, entleert

und getauscht werden können

DFS deren Ergebnisse von den Verrechnungs-

partnern angezweifelt werden Statusseminar EnEff:Wärme 2016 11

4. Zwischenergebnisse

KERNPUNKTE DES VORHABENS

Erweiterung des Einsatzbereiches der LDV-Vor-Ort-Kalibrierung für

gestörte (nicht rotationssymmetrische) Strömungsprofile

- Laseroptische Erfassung des

Geschwindigkeitsprofils auf einem Durch-

messerpfad

- CFD-Berechnung der Geschwindigkeits-

verteilung

- Korrektur der CFD-Berechnung mit LDV-

Messdaten

- Bestimmung der Messunsicherheit der

LDV-Messung auch für gestörte

Strömungen durch Berücksichtigung der

CFD-Berechnungen

- Qualifizierung des Verfahrens an der PTB

- Erprobung des Verfahrens im Berliner

Fernwärmenetz Statusseminar EnEff:Wärme 2016 12

Prüfstand:

Rohrdurchmesser DN 50

Vorlaufstrecke 100 D

Reynoldszahlen bis 300.000

CFD

Erg

ebn

is

LDV

Mes

serg

ebn

is

Messposition

Vorlaufstrecke

4. Zwischenergebnis TU Berlin


Gegenüberstellung von Simulations- und Messergebnissen nach einer Störungsgeometrie

Simulation von relevanten Störungsgeometrien in Rohrleitungen und Vergleich mit

Messergebnissen

Vergleich CFD-Rechnungen mit LDV-

Messung am Normalprüfstand

Error Q: 1.17 %

MessungSimulation (k-ω)

Error Q: -0.64 %

Doppelkrümmer

4. Zwischenergebnis PTB Berlin


P

T

B

T

U

B

Messungen 6,14D hinter Blende; Re = 50k

4. Vergleich Messungen PTB/TUB


• Firmenname: OPTik + sOLUTION

• Sitz: Reinach (CH, seit 2005), Lörrach (D, seit 2012)

• Gebiet: Laseroptische Strömungsmesstechnik

• Angebot: Dienstleistungen und Gerätetechnik

– Messtechnische Dienstleistungen

– Geräteentwicklung und -vertrieb

– Vor-Ort-Kalibrierung von Durchfluss-Sensoren

– Entwicklungstätigkeit für Spezialanwendungen

• Entwicklungstätigkeit:

– 5 Patente und weitere laufende Patent-Anmeldungen

– 1 EUREKA-Projekt mit ILA GmbH und PTB Berlin

– ZIM-Verbundvorhaben mit PTB Braunschweig, TU Dresden und ILA

– EnEff-Förderprojekt mit VATTENFALL, TU Berlin, PTB Berlin und ILA

– ZIM-Verbundvorhaben mit DLR, Beuth-Hochschule und ILA

– Diverse Fachveröffentlichungen und Fachvorträge

• Enge Kooperation mit Firma ILA – Intelligent Laser Applications GmbH, Jülich (D) bzgl.

Geräte- und Verfahrensentwicklungen sowie Vertrieb (Exklusivität für CH, A)

Vorstellung OPTOLUTION Messtechnik GmbH (D)


5. Messunsicherheiten - Haupteinflussgruppen

17Statusseminar EnEff:Wärme 2016

5. Messunsicherheiten - Rohrgeometrie an der LDV-Messposition

Innenseite der ausgebohrten Rohrronde

150 150A B


5. Messunsicherheiten – Messung des Geschwindigkeitsprofils

• Punktweise Abtastung des Geschwindigkeitsprofils (z. B. 100 - 200 Messpunkte pro Profil)

• Messzeit pro LDV-Messpunkt (z. B. 1 Minute) ist u. a. stark abhängig von der Anzahl und

Qualität der Streuteilchen im Fluid) => Gesamtmesszeit für ein Profil ca. 1 bis 3 Stunden


Die Volumenströme in realen Fernwärme- und Trinkwasser-Rohrleitungsnetzen sind oft

verbrauchsabhängigen Schwankungen (z. B. Morgen und Abend-Spitzen) unterworfen

( => instationäre Volumenströme), so daß sich auch während der LDV-Messungen der

Volumenstrom von Profil-Messpunkt zu Profil-Messpunkt verändern kann.

5. Messunsicherheiten - Normalisierung


5. Messunsicherheiten - Normalisierung


Die Normierung der örtlichen LDV-Geschwindigkeits-Messwerte erfolgt mit:• den Volumenströmen bzw. den volumetrischen Geschwindigkeiten eines zusätzlich

installierten Ultraschall-clamp-on-DFS mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Messpfaden

• (vgl. hierzu auch VDI 2640 Blatt 1, S. 8-10 und ISO 3966, S. 5/6)

Mittels Vergleich der aus den mit unterschiedlichen DFS normierten Geschwindigkeits-profilen berechneten Volumenströme ist eine erste Abschätzung des Fehlereinflusses möglich:a dQLDV.Norm12 ≈ (0,01 – 0,03) %

drrw

wA

i

r

LDVref

2

0 0

i

LDV

w

wiR

0

)(

)(

)(

)( 01

0

twAn

iw

AtQ ref

n

iref

)()( 0 nrefn twAtQ

6. Anwendungsbeispiele –Kraftwerk 2

Fluidbedingungen (Fernwärme-VL):

T = (93 … 100) °C

p = ca. (7 … 8) bar

QDFS = (798 … 1555) m3/h

Kalibrierung eines US-Zweipfad-DFS DN 400

VL DFS: 23 D (DN 600 + DN 400)VL LDV: 33 D (DN 600 + DN 400)

6. Anwendungsbeispiele

Kalibrierung eines bidirektionalen Zweikanal-

Ultraschall-Clamp-on-DFS DN 600

FluidbedingungenRichtung 1: Richtung 2T = ( 78 … 85) °C T = ( 107 … 109) °C p = ca. 3,5 bar p = ca. 3,5 bar QDFS = (789 … 1076) m3/h QDFS = (313 .. 799) m3/h

VL DFS: 68 D (DN 600); VL LDV: 60 D (DN 600) bzw. umgekehrt

6. Anwendungsbeispiele – Freifeldmessungen 1


EnEff:Stadt-Kongress 2014 24

Kontrolle eines Ultraschall-in-line DFS DN 300 mit zwei US-Pfaden

Keine Ausstellung von Kalibrierzertifikaten

möglich, da:

• Starke Unsymmetrie der Strömungs-

verhältnisse am Messort und

• DFS wird auch mit diesen unsym-

metrischen Strömungsverhältnissen

angeströmt.

29 % (28) aller untersuchten

DFS waren außerhalb der

Verkehrsfehlergrenzen

7. Statistik aller bisher durchgeführten Messungen

DFS der Klassen 2 und 3; n = 95

29%

71%


DFS der Klasse 2; n = 66 DFS der Klasse 3; n = 29

7. Statistik der bisher durchgeführten Messungen


8. Zertifikat mit messstellenspezifischem Unsicherheitsbudget


9. Pro und Contra

• Keine Notwendigkeit für Vor-Ort-Kalibrierungen (z. B. „Wir setzen modernste

Ultraschall-in-line-Mehrpfad-Messgeräte ein.“)

Vgl. aktuelle Diskussion zu Auto-Abgasmessungen auf dem Prüfstand

und im realen Betrieb (=> vor-Ort) …

• Aufwändige und teure Messtechnologie?

Kosten stehen in einem sehr guten Verhältnis zum Nutzen =>

Einsparungspotential, Reduzierung der Betriebsfehlergrenzen im Vgl. zu

konventionellen Verkehrsfehlergrenzen, Bilanzsicherheit, …

Beitrag zur Messgerechtigkeit, Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit (!)

Kosten sind in einmalige Investitionskosten und periodische Messkosten

zu unterscheiden

• Wie Nutzung der Kalibrierergebnisse in der Praxis?

DFS verfügen fast ausschliesslich nur über eine Kalibrierkonstante für

den gesamten Dynamikbereich => durch Anpassung der Kalibrier-

konstanten Parallelverschiebung der Fehlerkurve => Manko von DFS (?)

Berücksichtigung der Kalibrierergebnisse im Leitsystem

• Möglichkeit von Mehrpunktkalibrierungen in der Praxis?

Ja (!)Statusseminar EnEff:Wärme 2016 28

10. PartnerschaftenEntwicklungs-/Technologie-Partnerschaften:

• PTB Berlin, Fachbereich Wärme, Dr. T. Lederer=> bzgl. Rückführung und Messunsicherheits-Analyse

• VATTENFALL Europe, Wärme AG Berlin

=> bzgl. spezifischer Weiterentwicklung der Anbohr-Technologie

• TÜV Rheinland Industrie=> bzgl. sicherheitstechnischer Überprüfung

Partnerschaften bei der Realisierung:

• VATTENFALL Europe => Realisierung der optischen Zugänge

• TONISCO System/Service => Realisierung der optischen Zugänge

• FLEXIM GmbH => Projekt-Partnerschaft

• GHD Pty. Ltd. Australien (weltweit tätiges großes Ingenieurbüro)


11. Referenzen (Auswahl mit Genehmigungen)


11. Referenzen – Projekt Australien 2015


12. Erfahrungen und Ausblick

• Es sind eine Vielzahl von Messungen unter verschiedensten Einsatzbedingungen mit dem LDV-

Segmentverfahren durchgeführt worden (stationär, instationär, ungestörte, gestörte Anströmung,

verschiedene Medien,Temperaturen, Drücke und Volumenströme, derzeit DN 125 bis DN 1100)

• Die Sensibilität der Versorger und Abrechnungspartner für die Notwendigkeit von Vor-Ort-

Kontrollen ist sehr unterschiedlich (nicht die Technologie ist das Problem sondern die Markt-

akzeptanz)

• Ca. ein Viertel bis ein Drittel der durchgeführten Kontrollen zeigen Messabweichungen, die die

Verkehrsfehlergrenzen der eingebauten DFS übersteigen (teilweise sehr deutlich)!

• Das Messverfahren bietet das Potential für Vor-Ort-Befundprüfungen sowie für die Kalibrierung

und Eichung vor Ort, insbesondere bei Messstellen, wo ein Ausbau und eine Prüfstands-

kalibrierung nicht möglich sind.

• Derzeitig fehlen die Vorschriften der legalen Metrologie zur Durchführung von Vor-Ort-Kontrollen,

-Kalibrierungen und Eichungen.

• Die DAkkS-Akkreditierung ist in Vorbereitung.

• Zur Weiterentwicklung bei gestörten Strömungsbedingungen finden umfangreiche vom BMWi

geförderte Forschungsarbeiten im Rahmen eines EnEff-Projektes statt.Statusseminar EnEff:Wärme 2016 32

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dr. Michael Dues

ILA R&D GmbH

Dr. Ulrich Müller

OPTOLUTION Messtechnik GmbH

Statusseminar „Energieforschung für die Wärmewende“

Frankfurt, 19.-20. April 2016

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