Investigations for the realization and dissemination of the ‚Volume of Water‘ scale with the aid of laser-optical and conventional measurement procedures

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologie-Institut und technische Oberbehörde des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi). Als diese technische Oberbehörde der Bundesrepublik Deutschland hat sie den gesetzlichen Auftrag, neben der Darstellung der SI-Einheiten, die Sicherung der internationalen Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden Ringvergleiche (RV) zwischen den metrologischen Staatsinstituten bzw. zwischen ihren auf Normale rückgeführten Prüfeinrichtungen (Normalmessanlagen, NMA) durchgeführt. Für einen geplanten europäischen Ringvergleich im Bereich ‚Volumen von Wasser‘, welcher an den bereits abgeschlossenen Ringvergleich CCM.FF-K1 angelehnt ist, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit konventionelle Durchflusssensoren aber auch ein neuartiges, auf der Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) basierendes, Messverfahren für ihre Verwendung als Vergleichsnormale zur Volumenstrom-bestimmung charakterisiert. Klassische LDV-Systeme messen die lokale Geschwindigkeit einer Rohrströmung nur auf einem Messpfad (Mittelpfad) und stellen deshalb nur wenige Informationen bei gestörten bzw. unsymmetrischen Anströmbedingungen zur Verfügung. Die Vorraussetzung für die Verwendung der LDV-Messtechnik war somit die Entwicklung einer neuartigen, patentierten 2D-Fensterkammer und der dazu- gehörigen Strahlverfolgungsrechnung. Mit dem vorgestellten Messaufbau ist es erstmalig möglich, das komplette Geschwindigkeitsprofil - mit seinen drei Geschwindigkeitskomponenten - vollflächig über den gesamten Rohrquerschnitt zu erfassen. In diesem Kontext wird erstmalig im Rahmen dieser Arbeit eine ausführliche, quantitative Analyse der Messunsicherheitsbilanz ("Bottom-up-Methode") für die Volumenstromermittlung mit LDV-Messtechnik präsentiert. Bei den konventionellen Durchflusssensoren (DFS) wurden, auf Grund umfangreicher Untersuchungen zur Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, mit dem Magnetisch-Induktiven Durchflusssensor (MID), dem Coriolis-Massen-durchflusssensor (CMD) und dem Ultraschall-Durchflusssensor (USD), drei Messgeräte im Hinblick auf die Eignung als Vergleichsnormale analysiert. Entgegen der determinierten Annahme, dass Durchflusssensoren keine Abhängigkeit vom Strömungsprofil besitzen und somit die Darstellung und Weitergabe der Skala ‚Volumen von Wasser‘ identisch sind, erfolgt in dieser Arbeit erstmals eine klare Trennung zwischen Darstellung und Weitergabe der Skala ‚Volumen von Wasser‘, da gerade das Strömungs-profil einen der größten Unsicherheitstreiber auf die Messabweichung der DFS darstellt und darüber hinaus jede NMA ein anders geartetes Geschwindigkeitsprofil besitzt. Das Ergebnis des geplanten Ringvergleichs ist der so genannte Key Comparison Reference Value (KCRV). Die Aussage, inwieweit der ermittelte Wert jedes Teilnehmers mit dem errechneten KCRV zusammenpasst, gibt eine Auskunft über dessen Messstandard. Da es keine zwingende Vorschrift für die Bildung dieses Referenzwertes gibt, werden im Rahmen der Arbeit mögliche mathematische bzw. statistische Methoden zur Auswertung des geplanten RV untersucht.The Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) is the National Metrology Institute of Germany and the highest technical authority of the Bundesministerium für Wirtschaft und Technology (Federal Ministry of Economics and Technology, BMWi). As this highest technical authority of the Federal Republic of Germany, it has the legal mandate - in addition to the realization of the SI units - to guarantee international comparability. For this reason, interlaboratory comparisons are carried out among the national metrology institutes and/or among their testing devices which have been traced back to standards (standard measuring devices). For a planned European interlaboratory comparison in the field of ‚Volume of Water‘ which will be carried out on the basis of the already concluded interlaboratory comparison CCM.FF-K1, conventional flowrate sensors - but also a novel measurement procedure based on Laser Doppler Velocimetry (LDV) - were characterized within the scope of this work with regard to their use as comparison standards for volume determination. Classical LDV systems measure the local velocity of a pipe flow only on one measurement path (medium path) and provide, therefore, only little information about disturbed or asymmetrical upstream flow conditions. The prerequisite for the use of the LDV measuring technique was thus the development of a novel, patented 2D window chamber and of the associated ray tracing calculation. The presented measuring set-up allows the complete velocity profile - with its three velocity components - to be determined for the first time holohedrally over the whole pipe cross-section. In this context, a detailed quantitative analysis of the uncertainty balance ("Bottom-up method") for volume flow determination with LDV measuring technique is, for the first time, presented within the scope of this work. In the case of the conventional flowrate sensors, three measuring instruments - the Electromagnetic flowmeter (EFM), the Coriolis mass flowmeter (CMF) and the Ultrasonic flowmeter (UFM) - were (due to detailed investigations of the repeatability and reproducibility) analyzed in view of their suitability as comparison standards for volume flow determination. Contrary to the determinate assumption that flowrate sensors are not dependent on the flow profile, and that the realization and dissemination of the ‚Volume of Water‘ scale are, thus, identical, this work will present - for the first time - a clear separation between the realization and the dissemination of the ‚Volume of Water‘ scale, because it is exactly the flow profile which decisively contributes to the uncertainty of the flow sensors. In addition, each standard measuring device has a different velocity profile. The result of the planned interlaboratory comparison is the so-called Key Comparison Reference Value (KCRV). The statements as to which extent the value determined by each participant agrees with the calculated KCRV provides information about the respective measurement standard. As a mandatory prescription regarding the formation of this reference value does not exist, possible mathematical and statistical methods for the assessment of the planned interlaboratory comparison will be investigated within the scope of this work