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Volume 90 Issue 9 - Special Issue: Metrological Competence Centre for Wind Energy/Metrologisches Kompetenzzentrum für Windenergie

Issue of tm - Technisches Messen

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Contents
Journal Overview

Publicly Available August 28, 2023

Frontmatter

Page range: i-iii

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Editorial

Publicly Available July 5, 2023

Metrologisches Kompetenzzentrum für Windenergie

Andreas Fischer, Frank Härtig

Page range: 533-534

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Short Communication

August 14, 2023

Das Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) an der PTB

Frank Härtig, Julia Hornig

Page range: 535-539

Abstract

Zusammenfassung Mit dem Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) hat die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) eine Infrastruktur zur hochgenauen Messung großer dreidimensionaler Bauteile mit Abmaßen bis 5 m × 4 m × 2 m sowie großer Drehmomente bis 5 MN⋅m geschaffen. Die Drehmomenten-Normalmesseinrichtung ist bereits für die Erzeugung und Messung von Drehmomenten bis 20 MN⋅m ausgelegt. Zusätzlich verfügt das CCW über eine Einrichtung, mit der sich Wind-LIDAR-Systeme quantitativ erfassen lassen. Diese Messeinrichtungen mit ihren zugehörigen Messverfahren sind in ihrer Messgenauigkeit weltweit bisher unerreicht. Wie sich heute zeigt, zahlt es sich aus, dass die PTB bereits vor der Energiewende mit diesen Entwicklungen begonnen hat, um auf die bestehenden messtechnischen Herausforderungen Antworten auf die wirtschaftlichen, politischen und gesellschaftlichen Fragen zu geben. Alle drei Messverfahren werden in diesem Beitrag zusammenfassend angesprochen. Ausführliche Erläuterungen finden sich in weiteren Beiträgen dieser Ausgabe.

Research Articles

June 21, 2023

Rückführung dimensioneller Messungen an Großbauteilen für Windenergiesysteme

Karin Kniel, Daniel Heißelmann, Matthias Franke

Page range: 540-547

Abstract

Zusammenfassung Die hochgenaue und zuverlässige Messung von Großbauteilen für Windenergiesysteme auf Groß-Koordinatenmessgeräten (Groß-KMG) ist für deren störungsfreien Einsatz unter höchsten Belastungen unerlässlich. Um der Industrie auf diesem Gebiet Kalibrierungen auf höchstem Niveau sowie weitere messtechnische Unterstützung anbieten zu können, wurde in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ein Groß-KMG etabliert. In diesem Beitrag werden die jüngsten Entwicklungen zu neuen Ansätzen für die Geometriefehlererfassung für große Messvolumina vorgestellt. Darüber hinaus gibt es Einblick in die Optimierungsstrategie für das neuartige Kalibrierverfahren M3D3 sowie in die Erweiterung des Virtuellen Koordinatenmessgerätes (VCMM) für die simulationsbasierte Messunsicherheitsbestimmung auf Groß-KMG.

July 20, 2023

Das Virtuelle Koordinatenmessgerät – ein Digitaler Metrologischer Zwilling

Frank Härtig, Karin Kniel, Daniel Heißelmann

Page range: 548-556

Abstract

Zusammenfassung Koordinatenmessgeräte (KMG) sind universell einsetzbare Längenmessgeräte zur Erfassung dreidimensionaler Objekte. Bei einer Messung unterliegen die einzelnen Messpunkte individuellen Einflüssen, die zur Messunsicherheit der Messergebnisse beitragen. Sind alle signifikanten Einflüsse erfasst, kann ein Messprozess mit dem sogenannten Virtuellen Koordinatenmessgerät (VCMM) vollständig simuliert werden. Ein wesentliches Ziel des VCMM ist die automatische Berechnung eines Messergebnisses unter Angabe eines Messwertes und seiner zugehörigen Messunsicherheit. Dies ist insbesondere für die noch in der Entwicklung befindlichen Rückführung für dimensionelle Messaufgaben an Großbauteilen für die Windenergie von Bedeutung, da materielle Normale in der erforderlichen Größe oftmals nicht zur Verfügung stehen. Für derart neue metrologische Herausforderungen werden Digitale Metrologische Zwillinge (D-MT), die wie das VCMM einen Messprozess vollständig abbilden, von zentraler Bedeutung. Dieser Beitrag beschreibt erstmalig die Definition für einen D-MT und die daraus resultierenden grundlegenden Anforderungen. An Messaufgaben wird gezeigt, welche Kriterien für vertrauenswürdige Eingangsdaten eines D-MT erfüllt sein müssen. Darüber hinaus wird auf die wichtige Unterscheidung zwischen systematisch bekannten, systematisch unbekannten und zufälligen Abweichungen eingegangen. Abschließend wird beschrieben, wie die zuverlässige Nutzung eines D-MT validiert und quantifiziert werden kann.

May 23, 2023

Verzahnungsmetrologie für Windenergieanlagen

Martin Stein, Karin Kniel

Page range: 557-564

Abstract

Zusammenfassung In der PTB ist innerhalb der letzten Dekade umfangreiche Forschung zur Entwicklung einer zuverlässigen Messtechnik für Großverzahnungen betrieben worden. Die Arbeiten waren wesentlich für den Aufbau eines Kompetenzzentrums WIND, das im Jahr 2021 in den Wirkbetrieb gegangen ist. Mit dem Ziel, über eine weltweit einzigartige metrologische Infrastruktur Kalibrierdienstleistungen für Verzahnungen mit Durchmessern von einigen Metern anbieten zu können, sind systematisch die für eine aufgabenspezifische Rückführung erforderlichen Aspekte untersucht und entwickelt worden. In diesem Übersichtsartikel werden die wichtigsten Ergebnisse vorgestellt. Ein Großverzahnungsnormal mit einem Durchmesser von 2 m und einer Masse von fast 3 t konnte mit Unsicherheiten unterhalb von 3,5 µm ( k = 2) kalibriert werden und dient seither als Referenz für alle weiteren Untersuchungen. Dazu gehört die Charakterisierung der wichtigsten Unsicherheitseinflüsse wie Temperatur, Messgeräteabweichungen und Werkstückmasseneffekte.

Open Access July 5, 2023

Parasitic load components for torque and force calibration: a Digital Twin concept

Kai Mienert, Oksana Baer, Claudiu Giusca, Andrea Prato

Page range: 565-575

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Abstract

The 5 MN·m standard torque machine within the Competence Centre for Wind Energy (CCW) was developed at PTB. The Digital Twin (DT) of the torque transducer mounted inside the machine was developed to enable errors eliminations and resources optimization during operation. The machine can apply not only torque, but also bending moments and shear forces. At the same time, the DT concepts of force measurement devices and their application for static, continuous and dynamic calibrations was developed to improve calibration processes, preserve data quality and collect calibration data for improved decision making. In order to illustrate the functionality of both developed DT concepts, a study of parasitic load components in both devices is carried out using simulation with ANSYS and ABAQUS engineering software. The validation of the DT models was carried out using traceable measurements. The way to combine both concepts for comprehensive shading of the standard torque machine is discussed.

August 4, 2023

Design der 5 MN·m Drehmoment-Normalmesseinrichtung

Holger Kahmann, Kai Geva, Christian Schlegel, Rolf Kumme, Frank Härtig

Page range: 576-585

Abstract

Zusammenfassung Dieser Artikel beschreibt den finalen Aufbau und das Funktionsprinzip der neuen 5 MN·m Drehmoment-Normalmesseinrichtung (Dm-NME) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Die Maschine ist für mechanische Mehrkomponentenbelastung ausgelegt und kann neben dem Drehmoment, eine Axialkraft, Biegemomente und Querkräfte auf den Prüfling übertragen. Das Design der Maschine ist so optimiert, daß die Einflüsse parasitärer Komponenten auf das Hauptdrehmoment weitgehend reduziert werden.

July 12, 2023

Windkanalmesseinrichtung für das bistatische PTB-Wind-Lidar

Stefan Oertel, Michael Eggert, Paul Wilhelm, Julia Hornig

Page range: 586-594

Abstract

Zusammenfassung Im Zusammenhang mit dem Erreichen der Klimaziele durch den Einsatz erneuerbarer Energien wurde in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in den letzten Jahren ein bistatisches Wind-Lidar (Light detection and ranging) entwickelt und aufgebaut. Dieses Wind-Lidar ermöglicht die für Windenergieanlagen notwendige Rückführung von Windgeschwindigkeiten in Höhen von 5 m bis 250 m mit kleinsten Messunsicherheiten in beliebigem Gelände, und stellt damit erstmals eine unabhängige Alternative zu bisher eingesetzten, kostspieligen Windmessmasten dar. Der geplante Einsatz des PTB-Lidars als rückgeführtes Transfernormal im Bereich der Windfernmessung erfordert neben vorherigen Vergleichsmessungen mit anderen Windfernmesssystemen in freiem Gelände auch eine detaillierte Untersuchung des PTB-Lidars unter kontrollierbaren Strömungsbedingungen zur Validierung seiner Messunsicherheit und Überwachung seiner Langzeitstabilität. Aus diesem Grund wurde im Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) der PTB ein neuer, speziell konstruierter Windkanal mit einem Laser-Doppler-Anemometer (LDA) als Strömungsgeschwindigkeitsnormal auf einer Plattform in 8 m Höhe errichtet. Dies ermöglicht es, das PTB-Lidar unterhalb der Messstrecke des Windkanals zu positionieren und auf die SI-Einheiten-rückgeführte Strömungsgeschwindigkeitsmessungen mit dem Wind-Lidar durchzuführen. Der Windkanal nach Göttinger Bauart hat eine offene Messstrecke mit einer Länge von 75 cm und einer Querschnittsfläche von 50 × 50 cm 2 . In der Messstrecke wird eine hohe Strömungshomogenität und ein niedriger Turbulenzgrad von <0,35 % im Geschwindigkeitsbereich von 1 m/s bis 30 m/s erreicht. Die erweiterte Messunsicherheit des LDA-Referenznormals beträgt 0,16 %. Sämtliche im Windkanal durchgeführten Vergleichsmessungen zeigen eine Geschwindigkeitsabweichung zwischen dem Lidar-System und dem LDA-Referenznormal von unter ±0,5 %. Eine Optimierung der Methode zur Positionierung und damit Lokalisierung des Lidar-Messvolumens in der Windkanalmessstrecke über einen dünnen Partikelfilm führte zu einer reproduzierten Verringerung der Geschwindigkeitsabweichung auf circa −0,10 %.

June 5, 2023

Ein mobiles System zur vektoriellen Messung der Windgeschwindigkeit

Paul Wilhelm, Michael Eggert, Stefan Oertel, Julia Hornig

Page range: 595-603

Abstract

Zusammenfassung Das an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelte Wind-Lidar misst Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Messhöhe mit hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung sowie geringer Messunsicherheit. Das mobile PTB-Wind-Lidar ermöglicht hochgenaue und auf die SI-Einheiten rückführbare optische Windfernmessungen in Höhen zwischen 5 m und 250 m, wie sie in der Windindustrie und Meteorologie benötigt werden. Da das System keine geländeabhängigen Korrekturfaktoren benötigt, ermöglicht es präzise und hochaufgelöste Messungen auch vor und im Nachlauf von Windenergieanlagen. In diesem Artikel werden der Aufbau und die Funktionsweise des Messsystems beschrieben, einschließlich der bistatischen Geometrie, des faseroptischen Aufbaus, der Signalverarbeitung und der Messvolumengeometrie. Die hohe Auflösung des Messsystems wird anhand von ausgewählten Datensätzen erstmals in Form von Spektrogrammen verdeutlicht. Eine Zusammenstellung zuvor publizierter Vergleichsmessungen zeigt die Leistungsfähigkeit des PTB-Wind-Lidars auf. Die Vergleichsinstrumente umfassen ein Ultraschallanemometer, ein Laser-Doppler-Anemometer sowie ein Schalensternanemometer.

June 12, 2023

Temperature and pressure effects on the response behavior of anemometers

Alina Roß, Nicholas Balaresque, Andreas Fischer

Page range: 604-612

Abstract

Cup anemometers are within the most used wind speed sensors for the wind energy industry. Wind tunnel calibrations under controlled conditions are required, but during operation uncontrolled environmental conditions occur. This is accounted for in the IEC 61400-50-1:2022 international wind measurements standard, which specifies sensor classification based on their response to external conditions, due to the influence parameters turbulence, air temperature, density, and upflow angle. Temperature and density effects are not covered appropriately in the IEC 61400-50-1:2022, since it assumes that air temperature only influences the bearing friction of a cup anemometer. No guidance is provided on evaluating variations in density, which depends on temperature and pressure. To investigate this, two cup anemometers are measured in Deutsche WindGuard’s Climatic Wind Tunnel, where density is changed by varying pressure and temperature independently. The results show that the sensor’s response to temperature can have other effects than an increase in ball bearing friction. Using pressure or temperature to modify density can even cause opposing results. Hence, varying temperatures and pressures independently is crucial to characterize a sensor’s response. The results correspond to cup anemometers, but the methodology is applicable on all sensors.

Open Access February 1, 2023

On-site contactless visualization of the laminar-turbulent flow transition dynamics on wind turbines

Daniel Gleichauf, Felix Oehme, Ann-Marie Parrey, Michael Sorg, Nicholas Balaresque, Andreas Fischer

Page range: 613-623

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Abstract

Thermographic flow visualization is already an established imaging method to localize the laminar-turbulent flow transition on the rotor blades of operating wind turbines, while a steady flow state is assumed. To understand the potential of thermographic flow visualization for the investigation of unsteady flow phenomena, its capability to detect the change of the flow transition position due to a wind gust is studied. Previously laminar flow regions become turbulent with the gust, which means a sudden increase of heat transfer between surface and fluid and, thus, a decrease of surface temperature. The latter is detected by evaluating the difference of thermographic images before and during the wind gust. The achievable sensitivity and the temporal resolution are limited by the thermodynamic properties of the rotor blade and the fluid flow, as well as by the natural rotor blade heating with the sun’s radiation. As a result of theory and experiments on real wind turbines, the feasibility to detect flow state changes in the order of seconds is proven. This opens upthe analysis of unsteady flow phenomena on wind turbines by means of thermographic flow visualization.

About this journal

Objective

The journal promotes dialogue between the developers of application-oriented sensors, measurement systems, and measurement methods and the manufacturers and measurement technologists who use them.

Topics

The manufacture and characteristics of new sensors for measurement technology in the industrial sector
New measurement methods
Hardware and software based processing and analysis of measurement signals to obtain measurement values
The outcomes of employing new measurement systems and methods

Volume 90 Issue 9 - Special Issue: Metrological Competence Centre for Wind Energy/Metrologisches Kompetenzzentrum für Windenergie

Issue of tm - Technisches Messen

Frontmatter

Metrologisches Kompetenzzentrum für Windenergie

Das Kompetenzzentrum für Windenergie (CCW) an der PTB

Abstract

Rückführung dimensioneller Messungen an Großbauteilen für Windenergiesysteme

Abstract

Das Virtuelle Koordinatenmessgerät – ein Digitaler Metrologischer Zwilling

Abstract

Verzahnungsmetrologie für Windenergieanlagen

Abstract

Parasitic load components for torque and force calibration: a Digital Twin concept

Abstract

Design der 5 MN·m Drehmoment-Normalmesseinrichtung

Abstract

Windkanalmesseinrichtung für das bistatische PTB-Wind-Lidar

Abstract

Ein mobiles System zur vektoriellen Messung der Windgeschwindigkeit

Abstract

Temperature and pressure effects on the response behavior of anemometers

Abstract

On-site contactless visualization of the laminar-turbulent flow transition dynamics on wind turbines

Abstract

Design der 5 MN·m Drehmoment-Normalmesseinrichtung