Setup and validation of a laseroptical flow standard for the metrological traceabilility of a high temperature flow test-rig

Abstract

Gedruckt erschienen im Verlag Carl Schünemann GmbH, ISBN 978-3-95606-385-5Die klassischen gravimetrischen oder volumetrischen Methoden zur Kalibrierung von Durchflussmessgeräten sind aufgrund ihrer drucklosen Ausführung in ihrer Anwendung für das Medium Wasser auf Temperaturen unter 100 °C beschränkt. Eine Kalibrierung unter Prozessbedingungen ist daher zum Beispiel für Anwendungen in der Kraftwerkstechnik nicht möglich. Zur Ausweitung des metrologisch abgesicherten Kalibrierbereichs wird in der vorliegenden Arbeit eine Methode zur druckbeaufschlagten Rückführung von Durchflusssensoren auf Basis der Laser-Doppler-Anemometrie entwickelt, umgesetzt und validiert. Mittels Laser-Doppler-Anemometrie wird die Geschwindigkeitsverteilung des strömenden Fluids in einer Rohrleitung gemessen, die Integration des Geschwindigkeitsfeldes über dem Messquerschnitt bestimmt den Durchfluss. Kernstück der Arbeit ist eine umfassende Analyse der Messunsicherheit des laseroptischen Durchflussnormals. Zur Bestimmung der Messunsicherheit werden unter anderem die folgenden Einflussgrößen in ihrer Auswirkung auf den Volumenstrom quantifiziert: Datenrate, Turbulenz, Wandeffekt, Gradienteneffekt, Strahlverfolgungsrechnung und Diskretisierungsverfahren. Die realisierte Messunsicherheit liegt zwischen 0,15 und 0,19 % (k = 2). Zur Validierung des Unsicherheitsbudgets werden Vergleichsmessungen des laseroptischen Volumenstromnormals mit einer gravimetrischen Durchflussmessanlage, die eine Unsicherheit von 0,04 % (k = 2) bietet, durchgeführt. Die festgestellten absoluten Abweichungen betragen im Mittel 0,04 und maximal 0,09 %. Abschließend wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Anwendung bei höherer Mediumtemperatur diskutiert.The commonly applied volumetric or gravimetric traceability chain for water flow is only feasible for temperatures below 100 °C, due to the non-pressurized design. A calibration in respect to the process condition which apply in a thermal powerplant is therefore not possible. In order to expand the field of metrological traceable flow calibrations, this thesis outlines the concept, realisation and validation of a traceable laseroptical flow standard, which enables a pressurized calibration of flow meters. Laser Doppler Anemometry measurements are performend to determine the spatial velocity profile in the crossection of a pipe. The flow rate is derived by integration of the velocity profile. The main topic of this thesis is an extensive uncertainty analysis for the laseroptical flow standard. The following influencing quantities, among others, have been quantified in respect to their effect on the volume flow rate: datarate, turbulence, wall effect, gradient effect, ray tracing and discretisiation. A resulting measuring uncertainty between 0.15 and 0.19 % (k = 2) has been achieved. A validation of the uncertainty budget has been made by comparision of the laseroptical flow standard to a gravimetric flow test rig, which is characterized by an uncertainty of 0.04 % (k = 2). The asserted mean of the absolute deviation is 0.04, and the maximum deviation 0.09 %. Concluding remarks for the transferability of the results to higher medium temperatures are given