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Main Title: Rückgeführte Volumenstrommessung mittels ortsaufgelöster Laser-Doppler-Anemometrie
Translated Title: Traceable volume flow rate measurement using high spatial resolution laser Doppler anemometry
Author(s): Juling, Markus
Advisor(s): Kraume, Matthias
Lederer, Thomas
Referee(s): Ziegler, Felix
Kraume, Matthias
Adunka, Franz
Lederer, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Für die Steigerung der Energieeffizienz und der Ausgangsleistung thermischer Kraftwerke kommt der Reduzierung der Unsicherheit der Volumenstrommessung eine Schlüsselrolle zu. Die derzeitige Unsicherheit von etwa 2 % lässt keine optimale Regelung zu und limitiert durch notwendige Sicherheitsreserven die Ausgangsleistung. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Laseroptischen-Volumenstrom-Normal (LVN) können Volumenstrommessgeräte zukünftig direkt im Kraftwerk mit einer Unsicherheit von 0,15 % kalibriert werden. Dadurch kann die Unsicherheit der Volumenstrommessung reduziert und die Ausgangsleistung angehoben werden. Mit dem LVN werden an mehreren über den Querschnitt der Rohrleitung verteilten Positionen die Fluidgeschwindigkeiten mithilfe der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) gemessen. Daraus wird das Geschwindigkeitsprofil rekonstruiert und integriert, um den Volumenstrom zu berechnen. Bei der LDA liegt im Wandbereich ein Teil des 2000 μm langen Messvolumens außerhalb der Strömung. Dadurch weicht der gemessene Volumenstrom um bis zu 0,63 % ab. Für das LVN wird ein ortsaufgelöstes LDA entwickelt, mit dem diese Abweichung auf 0,04 % reduziert wird. Durch die Überlagerung zweier Messvolumina mit variierendem Interferenzstreifenabstand wird die Ortsauflösung von rund 2000 μm auf 6 μm reduziert. Für die Überlagerung der Messvolumina werden zwei Positioniersysteme entwickelt, mit denen die Positionierunsicherheit von bisher rund 5500 μm auf 67 μm reduziert wird. Es werden zwei Verfahren entwickelt, mit denen die Ausrichtung der LDA-Sonde zum Positioniersystem und zur Rohrleitung erstmalig vermessen wird. Die Winkelabweichungen werden dadurch jeweils von bisher etwa 1 ° auf 0,005 ° und die Positionierunsicherheit von rund 800 μm auf 4 μm reduziert. Durch die Überlagerung der beiden Messvolumina kann das vorwärtsgestreute Licht aus dem Messvolumen detektiert werden, das eine bis zu 1000-fach höhere Intensität als das bisher detektierte, rückgestreute Licht aufweist. So wird das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor 10 verbessert, die maximale LDA-Datenrate von etwa 400 Hz auf 2500 Hz gesteigert und die Messzeit auf ein 1/10-tel reduziert. Durch diese Verbesserungen konnte die Unsicherheit der Volumenstrommessung mit dem LVN von 4,5 % auf 0,15 % reduziert werden. Abschließend wird eine Vergleichsmessung zwischen dem LVN und der Wärmezählerprüfstrecke (WZP) durchgeführt. Die WZP ist das nationale Normal der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zur Darstellung des Volumenstromes mit einer Unsicherheit von 0,04 %. Der Vergleich zeigt eine mittlere Abweichung von weniger als 0,01 % und eine maximale Abweichung von 0,07 %. Damit kann der prognostizierte Unsicherheitswert für das LVN von 0,15 % bestätigt werden.
Precise volume flow rate measurements are very important for controlling power plants. Due to the current uncertainty of the volume flow rate measurement of about 2 % the process is not controlled efficiently. Therefore, the maximum power output is reduced. With a newly developed laser optical volume flow rate standard (LVN) it will be possible to calibrate flow meters on site within the power plant to reduce the uncertainty of the flow rate measurement and increase the power output. For the LVN, the velocity profile within the pipe is measured with laser Doppler anemometry (LDA). The profile is integrated to calculate the volume flow rate. Since a conventional LDA has a measurement volume length of about 2000 μm, the near wall region cannot be resolved. This leads to an offset of the volume flow rate of about 0,63 %. To overcome this limitation a high resolution LDA was developed. Therefore, a LDA measurement volume with a constant fringe spacing is overlaid with a LDA measurement volume with a diverging fringe spacing. This way, the position of a particle passing the measurement volume can be determined with a spatial resolution of 6 μm. With the high resolution LDA the influence of the near wall region on the volume flow rate is reduced from 0,63 % to 0,04 %. To implement the high resolution LDA it is necessary to overlay the measurement volumes of two LDA probes within the pipe. This requires a very low uncertainty for the positioning of the LDA measurement volumes. Therefore, two positioning systems are developed to reduce the positioning uncertainty from commonly up to 5500 μm to 67 μm. Furthermore, two measurement methods are developed to precisely align the LDA probes to the positioning system and to the pipe. With these methods the angular deviation of the alignment is reduced from 1 ° to 0,005 °, which reduces the positioning uncertainty for the measurement volume from 800 μm to 4 μm. Additionally, overlapping the two measurement volumes allows to measure the forward scattered light of the particles instead of the conventionally measured backscattered light. The forward scattered light has a 1000 times higher intensity. As a result, the signal-to-noise ratio is 10 times higher, the maximum data rate is improved from 400 Hz to 2500 Hz and the measuring time is reduced to a 10th. With all of the aforementioned improvements it is possible to achieve an uncertainty for the volume flow rate measurement with the LVN of 0,15 % compared to 4,5 % for a conventional LDA setup. A comparison of the LVN with the national primary standard for thermal energy (WZP) at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) with an uncertainty of 0,04 % shows a maximum deviation of 0,07 % and therefore confirms the predicted uncertainty of the LVN of 0,15 %
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5514
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5170
Exam Date: 25-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 8-Jun-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::532 Mechanik der Fluide, Mechanik der Flüssigkeiten
Subject(s): LVN
LDA
LDV
Messunsicherheit
Volumenstrommessung
Energieeffizienz
Normal
Kalibrierung
Laser Doppler Anemometrie
Laser Doppler Velocimetrie
Messvolumen
Ortsauflösung
Positionierung
Vorwärtsstreuung
Datenrate
measurement uncertainty
volume flow rate measurement
energy efficiency
standard
calibration
laser Doppler anemometry
laser Doppler velocimetry
measurement volume
spatial resolution
positioning
forward scatter
data rate
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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