Eingriffsfrei Durchfluss messen

Forschungsschiffe übernehmen vielfältige Aufgaben auf den Meeren unserer Welt. Sie sind wissenschaftliche Labors­ auf hoher See und unverzichtbare Instrumente, wenn es um das Verständnis des Erdsystems geht. Bearbeitet werden eine ganze Reihe von marinen Forschungsfeldern in den Bereichen der Biologie, Geologie, Geophysik, Glaziologie, Geochemie, Ozeanografie und Meteorologie.

Die FS Meteor ist ein global operierendes, multidisziplinäres Forschungsschiff im Eigentum der Bundesrepublik Deutschland, betrieben und koordiniert durch die Leitstelle Deutsche Forschungsschiffe / Universität Hamburg und bereedert durch die Abteilung Forschungsschifffahrt des Unternehmens Briese Schiffahrts. Die Missionen des Schiffs Meteor unterstehen dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in deren Namen sie die Meere und Ozeane erforscht.

In diesem Zusammenhang erfüllt FS Meteor unter anderem zwei Arbeitsaufträge: Zum einen ermittelt sie mithilfe eines sogenannten Thermosalinographensystems typische ozeanografische Parameter wie Leitfähigkeit, Salzgehalt, Temperatur und Dichte des Oberflächenwassers bis circa sechs Meter Tiefe und stellt die gewonnenen Resultate wissenschaftlichen Datenbanken und Analysesystemen an Land zur Verfügung. In der Meeresforschung tätige Forschungsinstitutionen und -gruppen können sich dieser Daten später bedienen. So geben in einem Delta gemessene Temperaturveränderungen zum Beispiel Aufschlüsse darüber, wie Süßwassereinträge ins Meerwasser variieren. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf Klima- und Meeresströmungsveränderungen und führt letztlich zu einem tatsächlichen Abbild der heutigen Ozeanzirkulation. 

Der zweite Arbeitsauftrag der Meteor besteht darin, die sich aufgrund der schwankenden ozeanografischen Parameter verändernde Schallgeschwindigkeit zwischen 1.400 und 1.800 Meter pro Sekunde an der Oberfläche der Ozeane kontinuierlich zu messen, um akustische Echolotsysteme mit jeweils korrigierter Schallgeschwindigkeit kalibrieren. Auf diese Weise können Meeresböden exakt vermessen und kartografiert werden. Falsch berechnete Schallgeschwindigkeiten führen zu Fehlern in der Echolotkalibrierung und letztlich zu einer fehlerhaften Ozeankartografie.

An das Durchflussmesssystem wurden seitens des Betreibers spezielle Anforderungen gestellt. Die für die Forschung wesentlichste Charakteristik war dabei eine berührungslose Durchflussmessung des Seewassers, also eine Vermeidung des Kontakts mit invasiven Messsonden, Metallen oder Kunststoffen, um das Seewasser chemisch nicht zu beeinflussen und dadurch Analyseergebnisse zu verzerren. Auch sollte die Prozesssensorik möglichst kompakt konfektioniert sein, um kurze Rohrleitungswege konstruieren zu können, die frei von strömungsbeeinflussenden Geometrien sind. Da mehrere übergeordnete Systeme über Schnittstellen mit Messresultaten aus dem Prozess versorgt werden müssen, galt es, Geräte zu finden, die eine große Auswahl und Flexibilität an Schnittstellen mitbringen.

Die Reederei wurde hier bei Katronic fündig und bezog nach einer Beratung des Herstellers eine geeignete Durchflussmesseinrichtung. Installiert wurden zwei eingriffsfreie Clamp-on-Ultraschalldurchflussmesser des Typs Katflow 100 an PVDF-Rohrleitungen der Nennweite DN 25 bis 40 Millimeter an Bord der Meteor.

Während der Fahrt der Meteor werden andauernd Parameter ermittelt und aufgezeichnet, welche für die genaue Ermittlung der Schallgeschwindigkeit wesentlich sind, wie Leitfähigkeit, Salzgehalt, Temperatur und Dichte des Mediums Seewasser. Dazu wird das acht bis 18 Grad Celsius kalte Meerwasser in Durchflusssystemen permanent durch Mess-Container gepumpt. Für die Steuerung und Überwachung der Anlagentechnik sind hierbei die Prozessparameter Durchfluss und Druck von elementarer Bedeutung, die für die spätere Validierung der Daten ebenfalls überwacht und aufgezeichnet werden. Ohne valide Prozessparameter gibt es keine validen Messergebnisse.

Zusätzlich im Betrieb befindliche optische Messverfahren erfordern kontinuierliche Durchflüsse, um Verwirbelungen vor den Optiken der Sensoren zu vermeiden. Für die Regelung dieser Messeinrichtungen sind konstante, driftfreie und temperaturstabile Durchflussmengenermittlungen eine zwingende Voraussetzung. Die Reederei führt aus: „Während sich die hochpräzisen und exotischen wissenschaftlichen Sensoren im laufenden Betrieb oftmals als Diven aufführen, sollten die prozesstechnischen Sensoren genau das Gegenteil sein. Stabilität, Zuverlässigkeit und Robustheit sind hier gefordert.”

Ganz allgemein betrachtet, erlauben die Messergebnisse der kontinuierlichen Durchflussmessungen auf dem Forschungsschiff Rückschlüsse auf Systemzustände. Dabei geht es um organischen Bewuchs und Sedimentierung in den Rohrleitungssystemen und an Sensoren und den ordnungsgemäßen Einsatz von Pumpen- und Ventilsteuerungen. „Der Durchflussmesser spielt insgesamt eine zentrale Rolle. Ohne Durchflusserfassung ist eigentlich alles gegenstandslos, was wir in diesen Systemen messen”, so Herr Wolf, einer der verantwortlichen technischen Inspektoren der Reederei. Seit 2014 nutzen die Wissenschaftler diese Durchflussmesssysteme, um die ermittelten Daten ausfallfrei zu validieren und einzuordnen. Bis heute misst das System Durchflüsse in wissenschaftlichen Analysesystemen für Reinseewasser und archiviert diese als Nachweis für die Forschung.