VTT MIKESin keskeinen lakisääteinen tehtävä on vastata kansainvälisen mittayksikköjärjestelmän eli SI-järjestelmän toteutuksesta Suomessa. Tähän tehtävään kuuluu mm. mittanormaalien ylläpitäminen, kehittäminen sekä mittauskyvykkyyksien vertailu kansainvälisesti. Luotettavat ja tarkat virtausmittaukset ovat keskeisiä esimerkiksi teollisuuden prosessien hallinnassa ja optimoinnissa ja niissä käytettävät mittalaitteet tulisi kalibroida säännöllisesti. VTT MIKES tarjoaa virtauskalibrointeja kolmella kalibrointilaitteistolla, joista yksi on gravimetrinen veden punnitukseen perustuva laitteisto ja kaksi muuta perustuvat veden suljettuun kiertoon ja referenssivirtausmittareihin.

Jotta mittaustulokset ovat vertailukelpoisia, kaikki yksittäiset tulokset tulee olla jäljitettävissä katkeamattomalla kalibrointien ketjulla tunnettuun mittanormaaliin eli fysikaalisten suureiden tapauksessa SI-mittayksiköihin. Kalibroinnin yhteydessä on aina ilmoitettava myös kalibroinnin epävarmuus. Lisäksi jäljitettävyyteen vaaditaan kalibrointien tekijältä pätevyys tehdä kalibrointeja. Tämä tarkoittaa esimerkiksi akkreditointia, jonka Suomessa myöntää kalibrointilaboratorioille FINAS. Kansalliset mittanormaalilaboratoriot ovat erilaisessa asemassa, koska ne usein tuottavat jäljitettävyyden akkreditoiduille laboratoriolle. VTT MIKES on allekirjoittanut Suomen puolesta CIPM MRA -sopimuksen (Kansainvälisen paino- ja mittakomitean vastavuoroinen tunnustamissopimus), jolla kansalliset metrologialaitokset osoittavat antamiensa kalibrointitodistusten kansainvälisen vastaavuuden. Sopimus edellyttää muun muassa säännöllistä kansainvälisiin vertailumittauksiin osallistumista. Kaikki VTT MIKESin kalibrointipalvelut ovat myös ISO17025:2017- ja ISO9001:2015-standardien mukaisia.

Gravimetrinen vai referenssimittariin perustuva kalibrointi?

VTT MIKESin nestevirtauslaboratoriot sijaitsevat Kajaanissa Renforsin rannan yritysalueella entisen paperitehtaan tiloissa. Tarkimmat, gravimetriset virtausmittaukset tehdään vaakamittauksilla, joissa mittarin läpi mennyt vesi ohjataan vaakaan punnittavaksi. Suljettuun kiertoon perustuvissa laitteistoissa on referenssinä joko elektromagneettiset tai coriolis-virtausmittarit, joiden lukemaa verrataan kalibroitavan mittarin lukemaan.

Kalibrointiin valitaan tapauskohtaisesti asiakkaan tarpeisiin parhaiten soveltuva laitteisto halutun tilavuusvirtausalueen, kalibroitavan mittarin koon sekä vaaditun mittaustarkkuuden perusteella. Gravimetrisen laitteiston epävarmuus on 0,05 %, kun se referenssimittareihin perustuvissa laitteistoissa on 0,3 %. VTT MIKESin nestevirtauslaboratoriossa pienimmät putkikoot kalibroitaville laitteille ovat DN15 ja suurimmat DN500. Mittarit, joissa on tyypillisesti laippaliitäntä tällä välillä, saadaan kiinnitettyä referenssilaitteistoihin ja kalibroitua. Mitattava tilavuusvirtaus on pienimmillään 0,1 l/s ja isoimmissa putkissa päästään 750 l/s oleviin tilavuusvirtauksiin. Kalibroitavana käy kaikentyyppisiä virtausmittareita, usein miten elektromagneettisia, ultraääni-, ja coriolis-virtausmittareita sekä paine-eromittareita. Vuosittainen kalibrointimäärä Kajaanin laboratoriossa on noin 50 mittaria vaihdellen hieman vuosittain. Virtausmittareiden kalibrointivälin asettaa mittarin omistaja ja se on tavallisesti 1–3 vuotta.

Tarkin kalibrointi gravimetrisessä laitteistossa

Tarkin tapa kalibroida virtausmittari on kalibroida se vaakaa vasten lentävällä aloitus- ja lopetusmenetelmällä. VTT MIKESissä on käytössä 6000 kg ja 800 kg vaa’at, joista valitaan sopiva kullekin tilavuusvirtausnopeudelle. Laitteistossa pumpataan säiliöstä vesi kiertämään virtausmittarin läpi jatkuvasti tasaisella nopeudella ja vaa’an ohijuoksutuksen kautta se palautuu takaisin säiliöön. Vaa’an ohella laitteiston tärkeä osa on divertteri, joka pääpiirteittäin koostuu nousuputkesta, suuaukosta, kääntöpellistä sekä ajanottolaitteesta. Kalibrointimittauksen aikana vesivirtaus ohjataan divertterin kääntöpellin avulla vaakaan, missä mittarin läpi mennyt vesi punnitaan. Lopuksi punnitustulosta verrataan mittarilta kerättyyn tulokseen ja kalibrointituloksena on mittarin näyttämä virhe.

Gravimetrisen laitteiston tarkoissa mittauksissa mittausajan määritys näyttelee tärkeää osaa. Kalibroitavalta mittarilta kerätään tuloksia mittausajan verran ja samalla vesi ohjataan vaakaan, missä se lopuksi punnitaan. Vesivirtaus ohjataan vaakaan kääntöpellin avulla, joka myös samalla aloittaa ja lopettaa kalibroitavan virtausmittarin tulosten tiedonkeruun. Aika, jolloin mittarin tuloksia tallennetaan, vastaa vaakaan ohjatun vesimäärän ajanjaksoa. Divertterin kääntöpellin liike on tehty nopeaksi ja toistettavaksi, koska laitteiston maksimivirtaamalla 200 l/s divertteri vaikuttaa eniten mittausepävarmuuteen. Divertterin toinen tehtävä on muuntaa pyöreä putkivirtaus suorakaiteen muotoiseksi suihkuksi, jotta kääntöpelti voi leikata ja kääntää sen vaakaan ja ohijuoksutukseen mahdollisimman nopeasti.

Riittävän pitkillä suorilla osuuksilla virtausmittarin tulopuolella varmistutaan täysin kehittyneestä putkivirtausprofiilista, jotta mittarin tulokset ovat luotettavia. Myös divertterin toiminnan osalta tasainen virtausprofiili on tärkeää, jotta vaakaan saadaan kääntöpellin ohjauksen aikana oikea määrä vettä.

Tutkimustyötä teollisuuden tarpeisiin

Kalibrointien ja lakisääteisten tehtävien lisäksi VTT MIKESissä tehdään suurealueisiin liittyvää tutkimusta. Nestevirtauksen osalta tutkimustyö keskittyy ultraäänivirtausmittauksen kehittämiseen. Ultraäänellä on tehty virtausmittauksia 1950-luvulta lähtien ja varsinkin ultraäänen kulkuaikamittaukseen perustuva menetelmä on kehittynyt vuosikymmenten saatossa erityisesti teollisuudessa suosituksi virtausmittausmenetelmäksi, koska se mahdollistaa virtausmittauksen myös putken ulkopuolelta.

Tutkimustyötä ultraäänivirtausmittauksiin liittyen on tehty Kajaanissa vuodesta 2022 alkaen perustuen putken ulkopuolelta tehtävään ultraäänen vaihe-eromittaukseen ja antureiden kiinteään etäisyyteen, jollaisia mittareita markkinoilla on hyvin vähän. Kalibrointilaboratorio onkin oivallinen paikka mittalaitekehitykselle juuri hyvin tunnettujen ja tarkkojen referenssilaitteistoiden vuoksi. Myös mittausepävarmuuden arviointi on luonnollisesti mukana mittalaitekehityksessä alusta alkaen.

VTT MIKESissä kehitettävälle ultraäänilaitteistolle on tehty alustava mittausepävarmuusanalyysi ja täysissä, paineellisissa putkissa on laitteiston mittausepävarmuudeksi tai -tarkkuudeksi laskettu 1,4 % (k = 2). Tämä on samaa luokkaa kaupallisten ultraäänivirtausmittareiden kanssa. Tutkimustyö jatkuu edelleen mittausten uusittavuuden parissa sekä eri sovelluskohteisiin. Seuraavaksi pureudutaan ultraäänellä sellun virtausominaisuuksien mittaukseen ja myös uusia sovelluskohteita selvitellään.

Virtausmittausten osalta on osallistuttu laajasti myös EU:n rahoittamiin metrologian tutkimushankkeisiin liittyen esimerkiksi biodieselin virtausmittauksiin, kotitalousvesimittareiden dynaamisen toiminnan mittauksiin sekä monifaasivirtauksiin, joka on kiinnostava tutkimusaihe myös tulevaisuudessa. Esimerkiksi viimeisimmässä SAFEST-projektissa tutkittiin eri polttonesteiden vaikutusta käytettävissä oleviin virtausmittareihin kenttäolosuhteita vastaavissa olosuhteissa. VTT MIKESissä mitattiin -20 °C - 35 °C lämpötiloissa dieselin ja biodieselin vaikutusta virtausmittarin näyttämään. Tutkimushankkeiden tuloksia julkaistaan kansainvälisissä konferensseissa, joista virtausmittausten osalta kolmen vuoden välien järjestettävä FLOMEKO-konferenssi on eräs laajimmista ja kiinnostavimmista.