Anemometer-Kalibrier-Windkanäle: ISO 17025 & MEASNET

Die meisten Windkanäle sind Testanlagen: Das Modell ist das Prüfobjekt, und der Windkanal bildet die Umgebung. Ein Kalibrier-Windkanal kehrt dieses Verhältnis um. Hier ist der Windkanal das Messinstrument, und das Objekt in der Strömung wird anhand dessen beurteilt.

Diese Umkehrung ändert alles daran, wie die Anlage spezifiziert wird. Niemand verlangt von einem Kalibrier-Windkanal beeindruckende Geschwindigkeiten oder eine riesige Messstrecke. Gefragt ist vielmehr eine Referenz-Windgeschwindigkeit, die mit einem Messunsicherheitsbudget vor einer Akkreditierungsstelle verteidigt werden kann.

1. Was die Normen tatsächlich fordern

Für den Windenergiesektor – den größten einzelnen Treiber für die Nachfrage nach Anemometer-Kalibrierungen – sind die maßgeblichen Dokumente die IEC 61400-12-1 und die MEASNET Anemometer Calibration Procedure . Die aktuelle Version 3 (Dezember 2020) wendet Anhang F der IEC 61400-12-1, Ausgabe 2 (2017) an; frühere Versionen des Verfahrens bezogen sich auf die Ausgabe von 2005. Es lohnt sich also zu prüfen, auf welche Revision sich ein bestimmtes Labor oder ein Kunde tatsächlich bezieht, bevor man eine Konformität zusichert.

Zwei Anforderungen an die Strömungsqualität stehen dabei im Mittelpunkt:

Axiale Turbulenzintensität unter 2 % an der Anemometerposition.
Strömungshomogenität von 0,2 % über die vom Anemometer abgedeckte Fläche.

Darüber hinaus wird erwartet, dass das Labor selbst für die relevanten Messgrößen nach ISO/IEC 17025 akkreditiert ist, wobei eine nationale Akkreditierung (z. B. durch die DAkkS in Deutschland) und die MEASNET-Mitgliedschaft den Weg zu anerkannten Kalibrierungen ebnen. Die Vergleichbarkeit wird durch Ringversuche (Round Robin) zwischen den Instituten nachgewiesen, bei denen ein durchschnittlicher Übereinstimmungswert von 1 % oder besser gefordert wird.

Beachten Sie die Größenordnung dieser Zahlen: Sie sind streng, aber es handelt sich nicht um die Turbulenzwerte von unter 0,1 %, die für die aerodynamische Forschung mit geringer Turbulenz gefordert werden. Ein Kalibrier-Windkanal ist auf Stabilität und Rückführbarkeit optimiert, nicht auf die geringstmögliche Turbulenz.

2. Warum diese Zahlen schwerer zu erreichen sind, als es scheint

Das Instrument blockiert seine eigene Referenz. Ein Schalensternanemometer in einer kleinen Messstrecke ist kein vernachlässigbares Hindernis. Die Größe der Messstrecke muss so gewählt werden, dass die Blockade für die zu kalibrierenden Instrumente innerhalb der Grenzwerte des Verfahrens bleibt – weshalb der Ansatz „Wir nehmen einfach einen kleinen Windkanal“ schon bei der ersten Akkreditierungsprüfung scheitert.

Die Referenzgeschwindigkeit muss rückführbar sein. Geschwindigkeit wird abgeleitet, nicht direkt gemessen: aus Differenzdruck, Luftdichte und somit aus kalibrierter Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitsmesstechnik, die jeweils eine eigene Rückführbarkeitskette und einen eigenen Beitrag zum Messunsicherheitsbudget aufweist.

Stabilität ist wichtiger als der Messbereich. Kalibrierpunkte liegen typischerweise in einem moderaten Geschwindigkeitsbereich, und jeder Punkt muss lange genug stabil gehalten werden, um eine Mittelwertbildung zu ermöglichen. Eine feine, wiederholbare Geschwindigkeitsregelung im unteren Bereich ist ein schwierigeres technisches Problem als eine hohe Höchstgeschwindigkeit.

Homogenität wird gemessen, nicht nur behauptet. Der Wert von 0,2 % gilt für die gesamte Fläche, die das Anemometer einnimmt. Das bedeutet, dass die Messstrecke kartiert und diese Kartierung aufrechterhalten werden muss.

Das Gebäude ist Teil der Messunsicherheit. Die Temperaturstabilität des Labors, barometrische Messungen und sogar die Bewegungen des Personals beeinflussen die Ergebnisse auf diesem Niveau.

3. Konsequenzen für das Design

Ein Kalibrier-Windkanal ist eine kleine Maschine, die mit Toleranzen auf Instrumentenniveau gebaut wird:

Hohes Kontraktionsverhältnis mit Wabengitter und mehreren Strömungssieben, so dimensioniert, dass die erforderliche Turbulenzintensität und Strömungshomogenität auf der Messebene erreicht werden.
Dimensionierung der Messstrecke zur Einhaltung der Blockadegrenzwerte für die jeweilige Instrumentenfamilie, nicht für den größtmöglichen vorstellbaren Sensor.
Eine definierte, wiederholbare Halterung für das Prüfobjekt mit fester Geometrie relativ zur Referenzsonde.
Integrierte Referenzmesstechnik – Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit – bei der Kalibrierintervalle und Rückführbarkeit von Anfang an eingeplant sind.
Antrieb und Steuerungssystem auf Stabilität abgestimmt , insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten, einschließlich der Frage, wie schnell sich der Windkanal nach einer Änderung des Sollwerts stabilisiert.
Klimakontrolle des Raumes , nicht nur der Strömung.
Automatisierung und Datenverarbeitung , die ein Zertifikat mit einer Angabe zur Messunsicherheit erstellen, denn der Durchsatz entscheidet darüber, ob das Labor ein Geschäft oder ein Hobby ist.

4. Der Business Case

Das Suchvolumen für dieses Thema ist gering; die Kaufabsicht ist jedoch nahezu absolut. Windparkentwickler, unabhängige Messinstitute und Turbinen-OEMs benötigen kalibrierte Anemometrie. Die Rekalibrierung erfolgt periodisch und nicht nur einmalig, und die Akkreditierung schafft eine verteidigbare Marktposition: Ein akkreditiertes Labor in einer Region, in der es bisher keines gibt, übernimmt Aufträge, die derzeit ins Ausland vergeben werden.

Dieselbe Anlage bedient in der Regel eine breitere Palette von Sensoren als nur Schalensternanemometer – Ultraschallanemometer, Pitotrohre, Strömungssensoren, HLK- und Prozessmesstechnik –, vorausgesetzt, die Messstrecke, das Montagekonzept und das Messunsicherheitsbudget wurden entsprechend ausgelegt.

5. Was bei der Beschaffung zu spezifizieren ist

Die angestrebte Akkreditierung und die Verfahren, die Sie erfüllen müssen. Dies bestimmt die gesamte Spezifikation und kann nicht nachträglich hinzugefügt werden.
Die zu kalibrierenden Instrumentenfamilien mit ihren Abmessungen – dies legt die Größe der Messstrecke durch die Blockadegrenzwerte fest.
Der Geschwindigkeitsbereich und die erforderliche Stabilität , einschließlich der Einschwingzeit pro Messpunkt.
Das angestrebte Messunsicherheitsbudget , aufgeschlüsselt nach Einzelbeiträgen.
Der Durchsatz , der die Automatisierung, das Design der Halterungen und den Anteil manueller Prozesse bestimmt.
Der Plan für Ringversuche (Round Robin) , denn die Vergleichbarkeit mit anderen Instituten macht Ihre Zertifikate erst wertvoll.

6. Häufige Fehler

Der Kauf eines Allzweck-Windkanals in der Hoffnung, ihn akkreditieren zu können. Die Strömungsqualität an einem bestimmten Punkt ist erreichbar; eine dokumentierte Strömungshomogenität über den gesamten Instrumentenbereich mit Rückführbarkeit ist jedoch eine bewusste Designentscheidung.
Die Behandlung der Messunsicherheit als nachträgliche Aufgabe. Sie ist eine grundlegende Anforderung an die Architektur.
Eine zu klein dimensionierte Messstrecke. Blockadegrenzwerte verzeihen keine Fehler, und die Vergrößerung einer fertigen Messstrecke ist keine Modifikation, sondern ein neuer Windkanal.
Die Vernachlässigung der Laborumgebung. Eine exzellente Strömung in einem instabilen Raum führt zu instabilen Ergebnissen.
Die Planung ausschließlich für Schalensternanemometer. Der Sensormix ändert sich; der Windkanal bleibt bestehen.

7. Spezifikation mit Zuversicht

Ein Kalibrier-Windkanal ist eine kleine, präzise, unspektakuläre Maschine, die jahrzehntelang Geld einbringt – vorausgesetzt, ihre Spezifikation geht von der Akkreditierung aus und arbeitet sich von dort rückwärts vor.

Wir entwerfen und bauen Kalibrier- und Nieder-Turbulenz-Windkanäle nach genau dieser Logik: zuerst die erforderliche Messunsicherheit, dann die Strömungsqualität, dann die Geometrie, dann der Antrieb. Weiterführende Literatur:

improving flow quality

und unser

comparison of wind tunnel types

Teilen Sie uns mit, welche Akkreditierung und welche Instrumente Sie benötigen, und wir liefern Ihnen ein Konzept für die Messstrecke, ein Ziel für die Strömungsqualität und eine Struktur für die Messunsicherheit, mit der Sie arbeiten können.

Quellen und Anmerkungen

MEASNET Anemometer Calibration Procedure, Version 3 (Dezember 2020), in der festgelegt ist, dass Anhang F der IEC 61400-12-1 Ausgabe 2 (2017) angewendet wird, wobei frühere Versionen des Verfahrens (V1 1997, V2 2009) an die Ausgabe von 2005 gebunden waren: MEASNET Anemometer Calibration Procedure.
Eine axiale Turbulenzintensität von unter 2 % an der Anemometerposition und eine Strömungshomogenität von 0,2 % über die vom Anemometer abgedeckte Fläche spiegeln die in der Kalibrierpraxis der Windenergie verwendeten Werte wider; das aktuelle MEASNET-Verfahren selbst verweist den Leser für die genauen Klauseln auf den Normentext der IEC 61400-12-1 Ausgabe 2:2017, bei dem es sich um ein kostenpflichtiges Dokument handelt, das wir hier nicht wiedergegeben haben. Überprüfen Sie die aktuellen numerischen Grenzwerte anhand dieses Normentextes, bevor Sie diese in eine Spezifikation aufnehmen.
ISO/IEC 17025-Akkreditierung und MEASNET-Mitgliedschaft als Grundlage für anerkannte Kalibrierungen: Ammonit wind tunnel, DIN EN ISO/IEC 17025 and MEASNET, IDR-UPM anemometer calibration laboratory.
Die Designrichtlinien (Dimensionierung der Messstrecke bezüglich Blockade, Referenzmesstechnik, Stabilität bei niedrigen Geschwindigkeiten, Automatisierung) entsprechen der Ingenieurspraxis von TunnelTech.

Kalibrier-Windkanäle: Erfüllung der Anforderungen nach ISO/IEC 17025, IEC 61400-12-1 und MEASNET