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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
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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
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Vorstellung ILA Research and Development
Sensor CalibrationLaser Doppler Velocimetry
LDV - Profile Sensors Temperature Measurement FRS
LDV - Volume Flow Metering
LDV- Long Range Optics
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 3
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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.
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 4
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 5
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 6
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 7
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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
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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)
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 9
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3. Messtechnologie
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 10
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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
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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
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 13
Gegenüberstellung von Simulations- und Messergebnissen nach einer Störungsgeometrie
Simulation von relevanten Störungsgeometrien in Rohrleitungen und Vergleich mit
Messergebnissen
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Vergleich CFD-Rechnungen mit LDV-
Messung am Normalprüfstand
Error Q: 1.17 %
MessungSimulation (k-ω)
Error Q: -0.64 %
Doppelkrümmer
4. Zwischenergebnis PTB Berlin
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 14
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P
T
B
T
U
B
Messungen 6,14D hinter Blende; Re = 50k
4. Vergleich Messungen PTB/TUB
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 15
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• 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)
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 16
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5. Messunsicherheiten - Haupteinflussgruppen
17Statusseminar EnEff:Wärme 2016
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5. Messunsicherheiten - Rohrgeometrie an der LDV-Messposition
Innenseite der ausgebohrten Rohrronde
150 150A B
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 18
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 19
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 20
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5. Messunsicherheiten - Normalisierung
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 21
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
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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
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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
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 23
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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.
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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%
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 25
DFS der Klasse 2; n = 66 DFS der Klasse 3; n = 29
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7. Statistik der bisher durchgeführten Messungen
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 26
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8. Zertifikat mit messstellenspezifischem Unsicherheitsbudget
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 27
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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
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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)
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 29
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11. Referenzen (Auswahl mit Genehmigungen)
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 30
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11. Referenzen – Projekt Australien 2015
Statusseminar EnEff:Wärme 2016 31
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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
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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