Berührungslose Durchflussmessungen im Dienste der Meeresforschung

Permanente Durchflussmessungen an Bord eines Forschungsschiffs zur Unterstützung von Schallgeschwindigkeitsmessungen und Kalibrierung akustischer Echolotsysteme für die Ozeankartografie

Forschungsschiffe übernehmen vielfältige Aufgaben auf den Meeren unserer Welt. Sie sind wissenschaftliche Labore 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, Ozeanographie und Meteorologie.

Das 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 BRIESE SCHIFFAHRTS GmbH & Co. KG / Abt. FORSCHUNGSSCHIFFFAHRT. Die Missionen der METEOR unterstehen dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Deutschen Forschungsgemeinschaft, in deren Namen sie die Meere und Ozeane unserer Erde erforscht.  

In diesem Zusammenhang erfüllt FS METEOR unter anderem zwei konkrete Arbeitsaufträge: Zum einen ermittelt sie mithilfe eines sogenannten Thermosalinographensystems typische ozeanografische Parameter wie Leitfähigkeit, Salzgehalt, Temperatur und Dichte des Oberflächenwassers (bis ca. 6 m 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 zum anderen darin, die sich aufgrund der schwankenden ozeanografischen Parameter verändernde Schallgeschwindigkeit zwischen 1400 m/s und 1800 m/s an der Oberfläche der Ozeane kontinuierlich zu messen, um akustische Echolotsysteme mit jeweils korrigierter Schallgeschwindigkeit kalibrieren und Meeresböden in Folge exakt vermessen und kartografieren zu können. Falsch berechnete Schallgeschwindigkeiten führen zu Fehlern in der Echolotkalibrierung und letztlich zu einer fehlerbehaftenen Ozeankartografie.

An das Durchflussmesssystem wurden seitens des Betreibers mehrere 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, frei von strömungsbeeinflussenden Geometrien, konstruieren zu können. 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 durch die im Verlauf entstehende Beratung eine geeignete Durchflussmesseinrichtung. Installiert wurden folglich zwei eingriffsfreie Clamp-on-Ultraschalldurchflussmesser des Typs KATflow 100 an PVDF-Rohrleitungen der Nennweite DN 25 ... 40 mm an Bord der METEOR.

Für die genaue Ermittlung der Schallgeschwindigkeit wesentliche ozeanografische Parameter wie Leitfähigkeit, Salzgehalt, Temperatur und Dichte des Mediums Seewasser werden während der Fahrt der METEOR andauernd ermittelt und aufgezeichnet. Dazu wird das 8-18 °C 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. Wie die Reederei selbst ausführt: „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, führen die Messergebnisse der kontinuierlichen Durchflussmessungen auf der METEOR zu Rückschlüssen auf Systemzustände im Hinblick auf organischen Bewuchs und Sedimentierung in den Rohrleitungssystemen und an Sensoren und natürlich ob Pumpen- und Ventilsteuerungen ordnungsgemäß gesetzt werden. „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.

„Die BRIESE SCHIFFAHRTS GmbH & Co. KG hat mit den Durchflussmessystemen von Katronic hier einen zuverlässigen Partner für diesen Zweck gefunden. Seit 2014 können die Wissenschaftler damit ausfallfrei eine verlässliche Validierung und Einordnung der ermittelten Daten durchführen.” Bis heute misst das System Durchflüsse in wissenschaftlichen Analysesystemen für Reinseewasser und archiviert diese als Nachweis für die Forschung.

Bildnachweis: LEITSTELLE DEUTSCHE FORSCHUNGSSCHIFFE / Universität Hamburg