Burger, Birgit

Börsch, Michael

Ebersoldt, Andreas

Erni, Pascal

Feldbusch, Fridtjof

Grohmann, Steffen

Janzen, Andreas

Lietzow, Ralph

Oertig, Daniel

Schön, Heinz

Stamm, Michael

KITopen

KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-GemeinschaftINSTITUT FÜR TECHNISCHE THERMODYNAMIK UND KÄLTETECHNIK www.kit.eduEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebA. Janzen, M. Börsch, B. Burger, A. Ebersoldt, P. Erni, F. Feldbusch, R. Lietzow, D. Oertig,H. Schön, M. Stamm, S. Grohmann, DKV-Tagung 2016, Kassel, AA I.20, 18.11.2016Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik2 18.11.2016 Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebMotivationKeine kommerzielle Verfügbarkeit von kryogenen DurchflusssensorenKryogene Kalibrierung aufwendig und teuerExtrapolation werksseitiger Kalibrierungen zu tiefen Temperaturen nur mit sehr großer Unsicherheit möglichEntwicklung eines kommerziellen Durchflusssensors für kryogene Anwendungen mit der WEKA AG, SchweizKurzvorstellung der neuen thermischen MessmethodeVorstellung des experimentellen AufbausPrototypmesssystem im Vergleich zu einem VenturirohrInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik3 18.11.2016Funktion der EigenkalibrierungEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetrieb   B1'ln''pmTRcT   A' ''pQmc T TEnergiebilanz Fluid: Energiebilanz Fluid + WÜ:?Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik4 18.11.2016Funktion der EigenkalibrierungEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetrieb   B1'ln''pmTRcTEnergiebilanz Fluid + WÜ:?SystematischeUnsicherheitInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik5 18.11.2016EXPERIMENTELLER AUFBAUKryogene ExperimenteEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik6 18.11.2016TATF′ TF′PrototypmesssystemPrototypsensor3 Temperaturmessstellen (Cernox CX-1050-Sensoren)ṁHelium = 0,2 …12 Τg sT = 4 …300 K, p ≤ 5 MPa Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetriebdi = 6 mmH = 49 mmLges = 280 mmInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik7 18.11.2016Einbau in B250-KontrollkryostatEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebB250 Kontrollkryostat(TOSKA Anlage)PrototypTIR PDIPIVenturiTIR1TIR2TIR3HIR2kW-Helium-KälteanlageEinbau des Prototypen in TOSKA-AnlageKryogenes Helium aus 2 kW-KälteanlageVenturirohr als VergleichsmesssystemInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik8 18.11.2016Einbau in B250-KontrollkryostatEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebB250 Kontrollkryostat(TOSKA Anlage)PrototypTIR PDIPIVenturiTIR1TIR2TIR3HIR2kW-Helium-KälteanlageEinbau des Prototypen in TOSKA-AnlageKryogenes Helium aus 2 kW-KälteanlageVenturirohr als VergleichsmesssystemInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik9 18.11.2016Größe klein kleinDruckverlust gering hochKalibrierung Eigenkalibrierung Betrieb im Labor bei T = TUṁmax / ṁmin 60 3 – 5 Rel. Unsicherheit 1 - 2 %, Istwert (GUM Typ A) 5 %, Schätzwert (GUM Typ B)Magnetfeldeinfluss - -Messeinrichtungen - Δp, pabs und TAufwand / Kosten Serienprodukt ↓ Unikate ↑Vergleich der MesssystemeEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik10 18.11.2016Vergleich der MesssystemeEigenentwicklung einer Mess-und AuswerteelektronikEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetriebschroff.pentair.comInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik11 18.11.2016Vergleich der MesssystemeEigenentwicklung einer Mess-und AuswerteelektronikEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebAnfällig fürLeckagenMessfehler durch LeckagenLecktests notwendigschroff.pentair.comTΔp pabsInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik12 18.11.2016ERGEBNISSEKryogene ExperimenteEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik13 18.11.2016Erste Messreihe 2015 – ErgebnisseMessungen bei 20 und 70 KGroße Abweichungen zwischen beiden MesssystemenṁPrototyp ≈ 3 ṁVenturiWorin liegt die Ursache für die Abweichung begründet?Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebPrototypmesssystem?Venturirohr?0 5 10 15 2005101520 20 K 70 K  ṁPrototyp / g/s ṁVenturi / g/s ± 5 %Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik14 18.11.2016Erste Messreihe 2015 – AnalysePrototypmesssystemFehler in der T-Messungdurch Konstruktion unterbundenThermische Analyse des SensorsBeeinflussung durch Strahlung und Wärmeleitung möglich70 % ሶQ-Verlust notwendig für Übereinstimmung der Datenaus thermodynamischer Sicht unmöglich (1. Hauptsatz)Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebThermischeStrahlungWärmeleitungPrototypmesssystem misst richtig!Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik15 18.11.2016Erste Messreihe 2015 – AnalyseVenturirohrKalibrierung im LaborAuslegung: ሶm = 60 g/sMessung: ሶm < 12 g/sDruckmesstechnikMessung zu kleiner ∆p-Werte ṁVenturi∝ ∆p ↓Leckage war Ursache für Abweichungen!Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebB250 Kontrollkryostat(TOSKA Anlage)PrototypTIR PDIPIVenturiTIR1TIR2TIR3HIR2kW-Helium-KälteanlageLeckageInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik16 18.11.2016Neue ErgebnisseNeue Messungen nach Behebung des Lecks bei 30, 50 und 70 KMessmethoden stimmen im Rahmen ihrer Messunsicherheiten übereinEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetrieb4 6 8 10 124681012 30 K 50 K 70 K  ṁPrototyp / g/s ṁVenturi / g/s ± 5 %Eigenkalibrierung funktioniert bei kryogenen Einsatzbedingungen!Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik17 18.11.2016Neue ErgebnisseNeue Messungen nach Behebung des Lecks bei 30, 50 und 70 KMessmethoden stimmen im Rahmen ihrer Messunsicherheiten übereinEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebEigenkalibrierung funktioniert bei kryogenen Einsatzbedingungen! 4 6 8 10 124681012 30 K 50 K 70 K  ṁPrototyp / g/s ṁVenturi / g/s ± 5 %Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik18 18.11.2016Exemplarische MessungenEinfluss von T-SchwankungenSchwankungen am Eintritt:~ 400 mKT-Änderung durch ሶQ:ΔTFluid,max = TAus − TEin = 110 mKErgebnis Prototyp:ṁ = 11,9 g/s (± 1,0 %, k = 1)Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebEintritt24,624,925,2T / K0 2000 4000 60000,00,30,6TFluid / KDatenpunkt / -AustrittT-Schwankungen haben keinen Einfluss auf Eigenkalibrierung!ΔTFluid,maxInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik19 18.11.2016Exemplarische MessungenEinfluss von ṁ-SchwankungenEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetrieb4 6 8 10 124681012 30 K 50 K 70 K  ṁPrototyp / g/s ṁVenturi / g/s ± 5 %Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik20 18.11.2016Exemplarische MessungenEinfluss von ṁ-SchwankungenSchwankungen im Durchfluss(Min.-Max.-Wert):ΔṁVenturi ≈ 0,33 g/s ≙ 5,70 %Ergebnis Prototyp:ṁ = 5,87 g/s (± 5,78 %, k = 1)Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetrieb0 3000 6000 90005,45,65,8Datenpunkt / -ṁVenturi / g/s ṁ-Schwankungen wirken sich unmittelbar auf die Unsicherheit des Prototypen aus!Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik21 18.11.2016ZusammenfassungPrototypmesssystem nach neuem thermischen Messprinzip aufgebaut Fähigkeit zur Eigenkalibrierung Systematische Messunsicherheiten haben keinen Einfluss Keine zusätzlichen Messeinrichtungen notwendigAnfängliche Abweichungen aufgrund eines Lecks im VenturisystemNach Behebung des Lecks:Übereinstimmung beider Messsysteme im Rahmen ihre Unsicherheiten Fähigkeit zur Eigenkalibrierung erfolgreich nachgewiesen T-Schwankungen haben keinen Einfluss auf Eigenkalibrierung Messunsicherheit stellt ein Maß für Schwankungen im Durchfluss darEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik22 18.11.2016AusblickEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebEnde2016Frühjahr2017November2017Nullserie für FeldtestsFeldtests Optimierung Automatisierung Transiente MessungProjektabschlussInstitut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik23 18.11.2016AusblickEigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im AnlagenbetriebEnde2016Frühjahr2017November2017Nullserie für FeldtestsFeldtests Optimierung Automatisierung Transiente MessungProjektabschlussVielen Dank für Ihre Aufmerksam eit!

Eigenkalibrierung eines neuen kryogenen Durchflusssensors im Anlagenbetrieb

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