Entwicklung eines neuen Messverfahrens zur Durchflussmessung in der Kryotechnik
Andreas Janzen
Am KIT wurde ein Messprinzip erfunden, dass sich durch seine Fähigkeit zur Eigenkalibrierung auszeichnet. Die Eigenkalibrierung basiert auf einem thermischen Messprinzip, bei dem ein Fluid einen Wärmeübertrager durchströmt. Aus der Energiebilanz des Fluids und des Wärmeübertragers lassen sich zwei unabhängige, analytische Gleichungen ableiten, die von Temperaturen und Wärmeströmen abhängen. Diese Eingangsgrößen unterliegen statistischen und systematischen Messabweichungen, die zur Folge haben, dass die aus beiden Gleichungen berechneten Massenströme voneinander abweichen. Die Eigenkalibrierung minimiert diese Streuung und eliminiert dabei alle systematischen Messabweichungen. Die resultierende Unsicherheit der Messung hängt dann nur noch von den statistischen Messabweichungen der Eingangsgrößen ab. Durch die einzigartige Fähigkeit zur Eigenkalibrierung entfällt eine werksseitige Kalibrierung. Stattdessen lässt sich das Messsystem im Betrieb, unter seinen realen Einsatzbedingungen, gegen sich selbst kalibrieren. Für die Kryotechnik stellt dies einen entscheidenden Vorteil dar, der erstmalig eine kryogene Durchflussmessung mit einer eindeutig spezifizierten Unsicherheit und einer hohen Messgenauigkeit ermöglicht.
Auf dem Konzept der Eigenkalibrierung basierend, beschreibt diese Arbeit die Entwicklung eines kryogenen Durchflussmesssystems. Ausgehend vom Messsystemdesign erfolgt eine detaillierte Beschreibung von kryogenen Experimenten, die erfolgreich die Eigenkalibrierung validieren. Des Weiteren werden theoretische Grundlagen zum Messprinzip diskutiert und alle Unsicherheiten quantifiziert. Das entwickelte Messsystem lässt sich in einem Bereich von 0,2 g/s bis 12 g/s, bei Temperaturen von ca. 2,2 K bis 300 K und Drücken bis 25 bar einsetzen. Abschließende kryogene Experimente belegen die erfolgreiche Entwicklung und zeigen, dass eine Durchflussmessung über einen großen Anwendungsbereich mit einer erweiterten Unsicherheit von +/-1,2% vom Messwert möglich ist.
