Charakterisierung und Validierung der hochgenauen Kalibrieranlage für Wärmemengenzähler der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt PTB

Flow rate calibration facilities have the task to establish a flow rate under predefined conditions and to measure this flow rate within a declared uncertainty. To proof the correctness of the declared uncertainty requires in depth understanding of every hardware component. In cases where those components can not be directly isolated and modeled it is necessary to make assumptions and to make experimental validations. After the heat meter calibration rig of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt WZP (Wärmezähler Prüfstrecke) was overhauled, establishing an uncertainty budget for the flow rate range up to 1000 m³/h and from 3 °C to 90 °C was necessary. All relevant components were modeled and characterized. Special attention was payed to the time measurement system, resulting in a novel characterization method hat has been successfully applied. The main objective of this research work is to validate the uncertainty declaration of the flow and heat meter calibration facility of the WZP and to establish for this purpose a methodology to improve the actual state-of-the-art on uncertainty validation methods for flow calibration facilities. The developed methods are capable of detecting several types of unknown systematic influences on the measurement results. But in order to guarantee that no relevant systematic errors are still present a comparison to an external absolute reference was also necessary. This reference was the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan (NMIJ). Reciprocally, the NMIJ considered the WZP as its external reference. The challenge of this bilateral comparison trial was to find a transfer standard that was stable and robust enough to make it possible to relate discrepancies in the comparison results directly with the performance of the facilities and not with that of the flow meter itself. The flow rate and temperature ranges allowed only for ultrasonic flow meter to be considered. To define the required measurement conditions for an ultrasonic flow meter to meet the requirements of the interlaboratory comparison is one of the aims of the present work. It was determined that the most relevant influence quantity besides the flow profile within the flow meter body is the influence of the transducer pockets into the flow and consequently into the flow meter signal. By taking advantage of a specially designed window chamber for performing local velocity measurements within the ultrasonic flow meter, it was possible to determine the magnitude of the errors introduced by the transducer pockets and to define, based on the findings, the best procedure to perform the comparison. The comparison results proved directly the consistency of the measurements for 20 °C. That was not the case for higher temperatures, but considering additionally that the applied validation methods confirmed the internal consistency of the WZP across all temperatures, it can be confirmed that if the results for 20 °C are valid, the measurements at higher temperatures are necessarily also valid. Differences found in the measurement results of both laboratories could be attributed to the flow profile sensitivity of the used flow meter. The findings about ultrasonic flow metering can be used for further flow metering developments.Die Aufgabe einer Durchflusskalibrieranlage ist die Realisierung eines unter vordefinierten Bedingungen bestimmten Durchflusses innerhalb einer vorgegebenen Unsicherheit. Detailliertes Wissen über jede Komponente ist für die Nachweiserbringung dieser Unsicherheit unabdingbar. Wenn die Einflüsse sich nicht isolieren und modellieren lassen, ist es nötig, Vereinfachungen zu treffen und diese auf experimentelle Weise zu überprüfen. Nach der Generalüberholung der Wärmezähler Prüfstrecke der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt (WZP) ist eine erneute Evaluation der Unsicherheitsbilanz der Anlage im Durchflussbereich bis 1000 m3/h und im gesamten Temperaturbereich zwischen 3 °C und 90 °C nötig geworden. Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit ist neue Verfahren und Methoden zu entwickeln, die für die Validierung der Unsicherheitsbestimmung von Durchflusskalibrieranlagen und konkret der WZP angewendet werden können. Die entwickelten Methoden sind in der Lage, verschiedene unbekannte systematische Einflüsse der Messergebnisse zu erkennen, aber um garantieren zu können, dass keine weiteren relevanten sytematischen Fehler einen Einfluss auf die Messergebnisse haben, ist der Vergleich mit einer externen Referenz notwendig. Das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan (NMIJ) diente als externe Referenz, reziprok diente für das NMIJ die WZP als externe Referenz. Die größte Herausforderung für die bilateralen Vergleichsmessungen war ein geeignetes Durchflussmessgerät zu finden, welches stabil und robust genug war, eindeutig die Gründe für eine mögliche Diskrepanz der Performanz der Labore und nicht der eigenen Performanz zuordnen zu können. Die gegebenen Durchfluss- und Temperaturbereiche limitierten die Messprinzipauswahl auf Ultraschall Durchflussmessgeräte. Ziel dieser Arbeit war es auch, die erforderlichen Messbedingungen für die erfolgreiche Durchführung der Vergleichsmessungen zu definieren. Als wichtigste Einflussgröße nach dem Durchflussprofil der Hauptströmung hat sich die Strömung innerhalb der Sensortaschen, die das Messsignal direkt beeinflussen können, herausgestellt. Durch den Einsatz einer speziell dafür entwickelten Fensterkammer war es möglich, das Geschwindigkeitsprofil im Ultraschallmessgerät zu messen und die Magnitude der Fehler zu bestimmen, die durch die Sensortaschen induziert wurden. Durch die gewonnenen Erkenntnisse wurde die beste Vorgehensweise für die Durchführung des Vergleichs definiert. Die Ergebnisse des Vergleichs bei 20 °C können ohne weitere Betrachtungen die Konsistenz zwischen den teilnehmenden Laboren nachweisen. Das ist nicht der Fall für die Versuche bei höheren Temperaturen. Berücksichtigt man aber, dass sich die Messergebnisse innerhalb der Labore bei verschiedenen Temperaturen durch interne Validierungsmethoden als in sich konsistent bestätigt haben, kann man daraus folgern, dass die Messergebnisse für höhere Temperaturen auch valide sind. Die gemessenen Diskrepanzen konnten der Durchflussprofilempfindlichkeit der Durchflussmesstechnik zugeordnet werden. Die Erkenntnisse über die Ultraschalldurchflussmesstechnik können in Zukunft neuen Entwicklungen dienen