Laser Doppler Velocimetry (LDV) zur Strömungsdiagnose (Grundlagen und Anwendungen) STRÖMUNGSDIAGNOSTIK

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1 EMATEM-Sommerschule 26 Vortragstitel: Laser Doppler Velocimetry (LDV) zur Strömungsdiagnose (Grundlagen und Anwendungen) Autoren: Dr.-Ing. Michael Dues ILA GmbH D 2428 Jülich Dr.-Ing. Ulrich Müller OPTOLUTION GmbH CH 43 Reinach - Folien-Auszüge zur Abgabe an die Teilnehmer - Gliederung. Vorstellung AG Strömungsdiagnostik.. Themenschwerpunkte.2 Partner 2. Laser-Doppler-Velocimetry/Anemometrie 2. Messprinzip 2.2. Gerätetechnik 2.3 Anwendungen 3. LDV in der Durchflussmesstechnik 3. Einsatzgebiete 3.2 Randbedingungen 4. Strömungsdiagnose 4. Grundlagen 4.2 Messtechnologie 4.3 Beispiele. Validierung von Kalibrierprüfständen. Notwendigkeit.2 Vorgaben.3 Richtlinie zur Umsetzung inkl. Kennzahlen.3 Beispiele 6. Empfindlichkeit von DFS auf gestörte Zuströmbedingungen 6. Vorgaben 6.2 Beispiele 6.3 Reaktionen von DFS 6.4 Weitere Einsatzmöglichkeiten 7. Volumenstrom-Erfassung 7. Vorteile und Möglichkeiten 7.2 Ausblick 8. Zusammenfassung 2 Leistungen AG Strömungsdiagnostik: A Dienstleistungen A2 Gerätetechnik

2 . Vorstellung ILA GmbH, D Firmenname:Intelligent Laser Applications GmbH Gründung: 99 durch Dr.-Ing. M. Dues + Dr.-Ing. S. Kallweit Standort: Jülich (bei Aachen/D) Gebiet: Strömungsmesstechnik Angebot: Gerätetechnik und Dienstleistungen Eingesetzte Messverfahren: Laser Doppler Velocimetry (LDV) Particle Image Velocimetry (PIV) Leistungen: Entwicklung, Herstellung und Vertrieb von Gerätetechnik (Optik, Mechanik, Hard- und Software) Durchführung von messtechnischen Dienstleistungen Kalibrierungen Beratungen und Unterstützungen Vertrieb: Via eigenem internationalen Büro in Edinburgh Via Partner: OXFORD Lasers (USA und Japan), OPTOLUTION (Österreich, Schweiz) Via Distributoren in UK, Korea, Taiwan, Australien, Italien, Iran und Lettland.. 3. Vorstellung OPTOLUTION GmbH, CH Firmenname: OPTik + solution Gründung: 2 durch Dr.-Ing. U. Müller Standort: Reinach (bei Basel/CH) Gebiet: Strömungsmesstechnik Angebot: Flexible Nutzung von Know-how und Gerätetechnik Leistungen: Durchführung von Messkampagnen Bereitstellungen von Gerätetechnik Demonstrationen von Messverfahren ( Schnuppertage ) Konsultationen Schwerpunkt sind Dienstleistungen für KMU s bestehend aus: Problemanalyse und Messkonzeption Anpassung und Bereitstellung der Messtechnik Durchführung der Messungen Diskussion, Auswertung und Beratung Enge Kooperation mit ILA Intelligent Laser Applications GmbH, Jülich (D) bzgl. Geräteentwicklungen und Vertrieb (Exklusivität für CH, A) 4

3 2. Laser Doppler Velocimetry/Anemometrie 2. Messprinzip Laser-Doppler-Velocimetry/Anemometrie (LDV/LDA): Punktförmige kalibrierungsfreie Erfassung von mehrdimensionalen Geschwindigkeiten Spannung Roh- Messsignal Spannung gefiltertes Messsignal Spannung Zeit gefiltertes und verstärktes Messsignal Spannung Spektralanalyse Zeit Zeit f D Frequenz Kompakte Halbleiter-LDV-Sonde 2.2 Gerätetechnik 6

4 2.3 Anwendungsbeispiele 7 3. LDV in der Durchflussmesstechnik 3. Einsatzgebiete Strömungsdiagnose: => Erfassung von Geschwindigkeitskomponenten und -verteilungen Verbesserung des Verständnisses der strömungstechnischen Wirkung von Rohrbauelementen (Krümmer, T-Stücke, Abzweigungen, ) Optimierung von strömungskonditionierenden Bauelementen (Gleichrichter, Diffusoren, Konfusoren) Analyse und Verbesserung der Strömungsverhältnisse auf Kalibrier-Prüfständen für Durchfluss-Messgeräte (Durchfluss-Sensoren) Feststellung und Reduzierung der Empfindlichkeit von Durchfluss-Messgeräten nach Einbaustörungen (u. a. Verringerung von notwendigen Einlaufstrecken). Volumenstrom-Ermittlung: => Messung der axialen Geschwindigkeiten und anschl. Berechung Einsatz als Kontroll- und/oder Gebrauchsnormal auf Gross-Prüfständen (Alternative zu Waagen) Überwachung und Kontrolle von Durchfluss-Sensoren (DFS) unter Referenz- und Betriebsbedingungen Vor-Ort-Kalibrierung von DFS (Transfer- und Gebrauchsnormal). 8

5 4. Strömungsdiagnose 4. Grundlagen Ideale Geschwindigkeitsverteilungen (axial - Primärströmung): Laminare Strömung (Re < 2 3) Turbulente Strömung (Re >> 2 3, SCHLICHTING, λ=.3) Berechnete gestörte Geschwindigkeitsverteilungen (axial - Primärströmung) => Realität?? 9 4. Strömungsdiagnose 4. Grundlagen Sekundärströmungen: => tangentiale (Drall) und radiale Geschwindigkeiten Quellen: FLUENT-News /2 (VW) Doorne; Westerweel; Nieuwstadt: Measurement uncertainity of stereoscopic-piv for flow with large out-of plane motion. Exp. Fluids, 2. Hilgenstock; Ernst: Fluid Measurement Instr., 996.

6 4.2. Messtechnologie - Zielsetzung Anforderungen: punktuelle Messungen der Geschwindigkeitskomponenten der Primär- und Sekundär-Strömungen hohe räumliche Auflösung der Messungen vollständige Erfassung des Strömungsquerschnittes keine Beeinflussungen der Strömung durch Einbauten, Fenster, Toträume etc. Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmesser rationelles und automatisiertes Messregime zur Reduzierung der Messzeit Messunsicherheiten von ca. - % Praxistauglichkeit der Messtechnik für den Routinebetrieb und den mobilen Einsatz Randbedingungen: stationäre bzw. quasi-stationäre Strömungsbedingungen des Fluids LDV-Systeme mit Richtungssinn-Erkennung notwendig lichtstreuende Partikel im Fluid (Messzeit!) 4.3 Beispiele Geschwindigkeitsprofile Untersuchungen an PTB Berlin zur Strömungskonditionierung:.3.2. v/v.vol.9.7 PTB_BS_Innenrohr Re 4k Schlichting_Profil PTB_B_Standardfenster Re 4k PTB_B_Tang.Fenster Re 4k Aichelenpunkt PTB_B_Konturfenster Re 8k Einfluss unterschiedlicher Fenstergeometrien DN8 with Nozzle DN8 without nozzle Kontur2 Tan v/vvol 2 Konditionierte Strömung nach Konfusor DN 2/ DN 8.6 Tanvx Tan2vx

7 Beispiele Geschwindigkeitsprofile Untersuchungen bei METAS Bern zur Beurteilung von Prüfständen: v/vvol v /v vol für Profil H: l/h Re =.84 E+3 Tu für Profil H: l/h Re =.84 E+3 v /v vol für Profil H2: l/h Re =.8 E+4 Tu für Profil H2: l/h Re =.8 E+4 v /v vol für Profil H3: 2 l/h Re = 2.92 E+4 Tu für Profil H3: 2 l/h Re = 2.92 E+4 v /v vol für Profil H4: l/h Re =.67 E+4 Tu für Profil H4: l/h Re =.67 E+4 v /v vol für Profil H: l/h Re =.8 E+ Tu für Profil H: l/h Re =.8 E Tu in % Profile in Symmetrieebene Gesamtdarstellung Detaildarstellung v/vvol v /v vol für Profil H: l/h Re =.84 E+3 Tu für Profil H: l/h Re =.84 E+3 v /v vol für Profil H2: l/h Re =.8 E+4 Tu für Profil H2: l/h Re =.8 E+4 v /v vol für Profil H3: 2 l/h Re = 2.92 E+4 Tu für Profil H3: 2 l/h Re = 2.92 E+4 v /v vol für Profil H4: l/h Re =.67 E+4 Tu für Profil H4: l/h Re =.67 E+4 v /v vol für Profil H: l/h Re =.8 E+ Tu für Profil H: l/h Re =.8 E Tu in % v/vvol v /v vol für Profil H3: 2 l/h Re = 2.92 E+4 Tu für Profil H3: 2 l/h Re = 2.92 E+4 v /v vol für Profil H3P: 2 l/h Re = 2.94 E+4 Tu für Profil H3P: 2 l/h Re = 2.94 E+4 v /v vol für Profil H3M: 2 l/h Re = 2.92 E+4 Tu für Profil H3M: 2 l/h Re = 2.92 E Tu in % Profile ausserhalb der Symmetrieebene Position Position 4 v/vvol v /v vol für Profil W3: 2 l/h Re = 2.96 E+4 Tu für Profil W3: 2 l/h Re = 2.96 E+4 v /v vol für Profil W3P: 2 l/h Re = 2.9 E+4 Tu für Profil W3P: 2 l/h Re = 2.9 E+4 v /v vol für Profil W3P2: 2 l/h Re = 2.94 E+4 Tu für Profil W3P2: 2 l/h Re = 2.94 E+4 v /v vol für Profil W3M: 2 l/h Re = 2.9 E+4 Tu für Profil W3M: 2 l/h Re = 2.9 E+4 v /v vol für Profil W3M2: 2 l/h Re = 2.9 E+4 Tu für Profil W3M2: 2 l/h Re = 2.9 E Tu in % Beispiele - Geschwindigkeitsverteilungen Verteilung der axialen Geschwindigkeit in einem Rohr DN 2 Rohrinnendurchmesser = 9,6 mm Fluid: Wasser, T = C, v max =.4 m/s, Re = 4 LDV-Messpunkte im Querschnitt (vgl. Messraster) mit 2 Bursts pro Messpunkt 4

8 4.3 Beispiele - Geschwindigkeitsverteilungen Axiale Geschwindigkeitsverteilungen in einem Venturi-Rohr Wasser mit t = C, Bursts/Messpunkt, Re (D) = 4 8 ) v. max =,93 m/s, 38 Messpunkte 2) v. max = 3,24 m/s, 24 Messpunkte 3) v. max =,934 m/s, 38 Messpunkte 2 3. Validierung von Kalibrier-Prüfständen. Notwendigkeit Hintergrund und Motivation: Zunehmende Anforderungen an Kalibrier-Prüfstände bzgl. Messunsicherheit (, % und weniger), Reproduzierbarkeit und Produktivität die ermittelte Messunsicherheit eines Prüfstandes erlaubt oft nur einen sehr eingeschränkten Vergleich der Prüfstände untereinander, da in den Messunsicherheitsbudgets zwar viele anlagentechnische Parameter (z. B. Eigenschaften des Masters, Umschaltfehler) und die Umgebungsbedingungen Berücksichtigung finden, aber nicht die tatsächlichen Strömungsverhältnisse in der Prüfstrecke (!) Somit sind eigentlich nur Aussagen über die Wiederholunsicherheit des jeweiligen Prüfstandes möglich, zusätzlich können sich die Strömungsverhältnisse (und damit die Messunsicherheiten) innerhalb des Betriebsbereiches des Prüfstandes deutlich verändern Prüfstände dienen jedoch zur Untersuchung der Messunsicherheiten der DFS, die oft von den Strömungsbedingungen am Messort sehr geprägt werden, die in der Praxis als ideal vorausgesetzt werden - aber meist nicht explizit bekannt sind (!) Notwendigkeit von Transfernormalen und Ringversuchen zum Vergleich der Ergebnisse (und Messunsicherheiten) von verschiedenen Prüfständen Ursachenforschung bei auftretenden Abweichungen ist schwierig und komplex => Empfehlung: Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse bei der Analyse von 6 Prüfständen (wird tendenziell zu einer Vergrösserung der realen Messunsicherheiten, aber besseren Vergleichbarkeit der Prüfstände und Ergebnisse führen)

9 . Notwendigkeit EN 434 Zum 3. September 26 wird eine neue Version der EN 434 in Kraft treten (EN ). Im Teil 4, Kapitel 6.22 wird die Untersuchung der Durchfluss-Sensoren (DFS) hinsichtlich ihres messtechnischen Verhaltens bei gestörten Strömungsverhältnissen ( Durchflussstörungen ) innerhalb der Bauartzulassung bzw. des MID-Konformitätsbewertungsverfahrens vorgeschrieben. Ferner werden für die zur Kalibrierung der DFS verwendeten Prüfstände ungestörte und vollausgebildete Strömungszustände, d. h. rotationssymmetrische und drallfreie Geschwindigkeitsverteilungen gefordert. => Wie können diese Vorgaben erfüllt werden?? 7.2 Vorgaben PTB Originalfolie von Dr. Rose, PTB Berlin, FB 7.3 (Stand 3..26): Vollentwickeltes, ungestörtes Strömungsprofil, Orientierung über Untersuchungen von Geschwindigkeitskomponenten a) zulässige axiale Abweichung der laminaren bzw. turbulenten Strömung %... % Abweichung der gemessenen lokalen Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur theoretisch bei voll ausgebildeten radialen Strömungsprofilen erwarteten Geschwindigkeit am Aichelen- Punkt (Ort volumetrischer Strömungsgeschwindigkeit) und im geometrischen Rohrmittelpunkt. Messpfade: quer zur Strömungsrichtung, z. B. mit Hilfe der Laser-Doppler-Velozimetrie unter horizontaler und vertikaler Traversierung, Fehlervergleich zum der realen Strömung unterlegten Verlauf nach dem z. B. /7-Potenzgesetz (in erster Näherung, Reynolds-Zahl abhängig), anzunehmende axiale Verteilung Kennzahlen: Profilfaktor (Einsattelung), Asymmetriefaktor (Zentrizität), Turbulenzgrad Messort: Einbauort Prüfling; Prüfpunkte: q i ;,. q p und q p ; θ Medium : vorzw. C b) tangentiale Abweichung (Drallbildung) max. Drallwinkel 2 Yeh,T., T.; Mattingly, G.,E.: Pipeflow downstream of a reducer and ist effects on flowmeters. In: J. Flow Meas. Instrum. (994), pp Yeh,T.,T.; Mattingly, G.,E.: Laser Doppler Velocimeter studies of the pipeflow produced by a generic header. NIST Technical Note 49;79 p., 4(99) c) Korrekturmaßnahmen (Rohrstreckenführung, kontinuierliche Rohreinziehung, Strömungskonditionierung) 8

10 .2 Vorgaben - Richtlinie Richtlinie zur strömungstechnischen Validierung von Kalibrier-Prüfständen im Rahmen der EN 434 praktische Hilfe zur Umsetzung der Anforderungen für Prüfstands-Betreiber Inhalt mit metrologischen Staatsinstitute PTB, METAS und BEV erarbeitet und abgestimmt Wird der Nachweis nach dieser Richtlinie erbracht, werden die Systematik und der Umfang der Messungen sowie die Dokumentation der Ergebnisse in dem Bericht von der PTB/METAS akzeptiert. Selbstverständlich bleibt die Erfüllung des Nachweises von den Messergebnissen und der Beurteilung dieser durch die Staatsinsitute bzw. Benannten Stellen abhängig. Gliederung:. Zielsetzung und Vorgehensweise 2. Anforderungen an die Validierung 2. Messverfahren 2.2 Messbedingungen 2.3. Darstellung und Auswertung der Messergebnisse 2.4. Akzeptanz der Messsergebnisse 3. Aktueller Stand bzgl. Kennzahlen 3. Einführung 3.2 Axiale Geschwindigkeitskomponente (w) 3.3 Tangentiale Geschwindigkeitskomponente (u) 3.4 Quantifizierung der Kennzahlen Literaturverzeichnis Beispiel für Ergebnisauswertung und -darstellung 9.2 Vorgaben Richtlinie - Anforderungen. Zielsetzung und Vorgehensweise Messtechnische Erfassung der Strömungsverhältnisse => Beschreibung und Quantifizierung mittels Kennzahlen => Vergleich und Beurteilung der ermittelten Werte der Kennzahlen mit Grenzkriterien für praktisch (!) hinreichend ausgebildete Strömungszustände 2. Anforderungen an die Validierung 2. Messverfahren Einsatz berührungsloser Messverfahren => Empfehlung von optischen Messverfahren => Favorisierung der LDV 2.2 Messbedingungen a) Betroffene Kalibrier-Prüfstände Alle Prüfstände, die innerhalb der Eichstellen, der Staatlich Anerkannten Prüfstellen oder gemäss des beantragten MID-Moduls (Konformitätsbewertungs/Akkreditierungs-Verfahren) zur Kalibrierung von DFS eingesetzt werden Alle weiteren Prüfstände, die für Zulassungs-Prüfungen oder andere offizielle Prüfungen (z. B: Befundprüfungen) oder Kalibrierungen eingesetzt werden Derzeitig Übergangsphase bis , in der die metrologischen Staatsinstitute (bzw. die künftigen Benannten Stellen) für jeden Antragsteller individuell festlegen, für welche Prüfstände der Nachweis zu erbringen ist (Kriterien z. B. Bauarten und Mengengerüste der zu kalibrierenden DFS, Konstruktion und Betriebsbedingungen der Prüfstände, u. a. hydraulische Ähnlichkeit und Komplexität) 2

11 .2 Vorgaben Richtlinie - Anforderungen b) Zeitpunkt und Periodizität für den Nachweis Der Nachweis ist Inhalt des Konformitätsbewertungs-Verfahrens. Eine Aktualisierung des Nachweises ist bei jeder baulichen Veränderung, die die Strömungsverhältnisse in der Prüfstrecke betreffen (z. B. Modifizierungen der Zuströmung, des Strömungsantriebs oder der Einspann- Vorrichtungen), notwendig. Eine Wiederholung des Nachweises ist entsprechend der Kriterien für die Konformitätsbewertungs-Verfahren durchzuführen. c) Parameter für die Messungen Messgrössen: Die axiale Geschwindigkeit und der zugehörige Turbulenzgrad. Die tangentiale Geschwindigkeit als Mass für den Drall in der Strömung. Empfehlungen: Während der Messungen sollte zusätzlich der vom Gebrauchsnormal gemessene Volumenstrom mit einer zeitlichen Auflösung von mindestens 6 Sekunden aufgezeichnet werden. Zusätzlich kann die Konstanz der Volumenströme durch LDV-Messungen an einem ausgewählten Punkt im Strömungsquerschnitt (Rohrmitte oder AICHELEN-Punkt) über eine Mindestzeitdauer von 6 Minuten kontrolliert werden. 2.2 Vorgaben Richtlinie - Anforderungen Messort: Der Ort des. Zählers in der Prüfstrecke unabhängig vom Einsatzzweck des Prüfstandes zu Einzel- oder Serienprüfungen. Ggf. sind Baugruppen zur Strömungskonditionierung der Prüfstrecke vorzuschalten. Nennweite der Rohrstrecke am Messort: Die Original-Nennweite des in die Prüfstrecke führenden Rohres (d. h. ohne Reduzierungen oder Erweiterungen) bzw. des Rohres der Einspannvorrichtung oder der strömungskonditionierenden Baugruppe oder der den grössten auf dem Prüfstand zu kalibrierenden Zählern entsprechende DN oder entsprechend individueller Festlegungen der metrologischen Staatsinstitute. bzw. Benannten Stellen Anforderungen an die Messstrecke: Realisierung eines absatzarmen Übergangs zwischen dem Rohr der Prüfstrecke und dem Rohr am Messort (maximaler Versatz von % bezogen auf den effektiven Rohrinnen-Durchmesser). Prüfpunkte: Die Volumenströme q i,,q p und q p entsprechend der gewählten Rohr-Nennweite und dem grössten Dynamikbereich der zu kalibrierenden DFS. Die Fluid-Temperaturen, die den maximalen bei der Kalibrierung verwendeten Temperaturen entsprechen ( ± C oder ± C oder 8 ± C). 22

12 .2 Vorgaben Richtlinie - Anforderungen Der Wasserdruck entsprechend den Betriebsbedingungen des Prüfstandes. Weitere Prüfbedingungen: Bei wählbarem Strömungsantrieb für den Prüfstand (z. B. via Hochbehälter oder via Pumpen) ist vorzugsweise Pumpenbetrieb zu wählen. d) Auflösung und Messunsicherheit Anzahl Messpunkte über den Strömungsquerschnitt: Messung der axialen Geschwindigkeit: Mindestens zehn Profile entlang der Durchmesser-Ebenen mit jeweils mindestens 2 Messpunkten. Messung der tangentialen Geschwindigkeit: Messung mindestens eines Profils entlang einer Durchmesser-Ebene. Befindet sich vor der Prüfstrecke ein 9 -Krümmer so muss sich die Messebene ausserhalb von ± 4 zur Krümmungsebene befinden (vorzugsweise senkrecht zur Krümmungsebene). Messunsicherheit: Sicherstellung einer maximalen Messunsicherheit (entspricht doppelter Standardabweichung) von % für die Bestimmung der lokalen Geschwindigkeit (inkl. der Unsicherheit für die Bestimmung des Messortes) Vorgaben Richtlinie Darstellung + Akzeptanz 2.3 Darstellung und Auswertung der Messergebnisse Der zu erstellende Bericht muss folgende Kapitel bzw. Informationen beinhalten: Kurzbeschreibung des Prüfstandes bzw. Beifügung einer entsprechenden Dokumentation als Anlage Eingesetzte Messtechnik und Messaufbau zur Strömungsdiagnostik Versuchsystematik (Messaufbau und Messbedingungen) Grafische Darstellung der Messergebnisse Berechnung der Kennzahlen (vgl. Kapitel 3 und Anlage ) Zusammenfassung. 2.4 Akzeptanz der Messsergebnisse In der derzeitigen Übergangsphase erfolgt die Beurteilung der Strömungsverhältnisse auf ihre Zulässigkeit individuell durch die Benannten Stellen bzw. die metrologischen Staatsinstitute. Nach Vorliegen der Ergebnisse von aktuell laufenden Forschungsvorhaben werden Akzeptanzbereiche für die jeweiligen Kennzahlen definiert und veröffentlicht, bei denen die Strömungsverhältnisse als ausreichend ausgebildet, rotationssymmetrisch und drallfrei beurteilt werden. 24

13 .2 Vorgaben Richtlinie - Kennzahlen 3. Aktueller Stand bzgl. Kennzahlen Die Beurteilung der Rohrströmung erfolgt mittels Kennzahlen, die einen schnellen und einfachen Rückschluss auf die Strömung zulassen, auch für den Praktiker zu handhaben sind und wenn möglich auch bereits für ähnliche Anwendungen Verwendung finden. Axiale Geschwindigkeitsverteilungen => zu beurteilen sind: Die Profilform, d. h. eine Abplattung, Einsattelung oder Anspitzung gegenüber der vollständig ausgebildeten Strömung => Profilfaktor Die Asymmetrie der Geschwindigkeitsverteilung, d. h. z. B. eine Verlagerung des Schwerpunktes aus der Rotationssymmetrie-Ebene => Asymmetriefaktor und Der maximale Turbulenzgrad in einem bestimmten Bereich (z. B. Kernbereich) der Strömung als Mass für die Schwankungsgeschwindigkeit bzw. Unruhe in der Strömung => Turbulenzfaktor. Drall(tangentiale Geschwindigkeitsverteilungen): Maximale tangentiale Geschwindigkeit in der Strömung => Maximaler Drallwinkel 2.2 Vorgaben Richtlinie - Kennzahlen Definitionen der Kennzahlen: a) Profilfaktor K P = ( wm w) dr = w D vol 2w vol ( w m r w) d R mit wm Geschwindigkeit in Rohrmitte () w örtlicher Geschwindigkeit bei w 2 vol volumetrische Geschwindigkeit = V/( π R ) w vol Der Profilfaktor K P ist zu normieren auf die vollausgebildete laminare (HAGEN POISEULLE) oder turbulente Geschwindigkeitsverteilung (GERSTEN & HERWIG) => K P,s => K P / K P,s Geschwindigkeitsverteilung nach GERSTEN & HERWIG (für Wand und Kernströmung): w r / R) 2 Re = w Re ( τ mit vol Z + r + Z y, = D R R wτ Reτ = ν 2 ( ) ln r 2, r y + + ln +, 3,4 R,4 R + + r w = τ w = τ r y Reτ, y R = Reτ R ν ν R + r R und D w Re = vol ν ( ) = ln.27y y π + arctan ln( y ) + D y (.27y ).27y

14 .2 Vorgaben Richtlinie - Kennzahlen Definitionen der Kennzahlen: b) Asymmetriefaktor K A = 2R r rwd( ) R r w d( ) R in % d) Maximaler Drallwinkel c) Turbulenzfaktor K Tu mit w =,3 Re w w m w vol N m vol N 8 Geschwindigkeitsverhältnis aus Normprofil φ max = arc tan ( v max / w vol ) 27.2 Vorgaben Richtlinie - Kennzahlen 3.4 Quantifizierung der Kennzahlen Ziel ist es für die einzelnen Kennzahlen Akzeptanzbereiche festzulegen, bei deren Einhaltung von einem hinreichend ausgebildeten (praktisch auf Kalibrier-Prüfständen realisierbaren) Strömungszustand ausgegangen werden kann: K K K x. min x x.max mit K x Profilfaktor bzw. Asymmetriefaktor Für den Drall ist die Angabe eines maximalen tolerierbaren Drallwinkels ausreichend, gleiches gilt für den Turbulenzfaktor. Generell ist die Festlegung von Akzeptanzbereichen für die Kennzahlen schwierig, da bisher keine Erfahrungswerte und ähnliche Empfehlungen vorliegen. Einzig in der DIN ISO 67- (Durchflussmessung mit Wirkdruck-Messgeräten) findet sich die Forderung, dass für akzeptable Strömungsbedingungen von Wirkdruck-Messgeräten eine maximale Abweichung von % der lokalen axialen Geschwindigkeit gegenüber der maximalen lokalen axialen Geschwindigkeit des nach D (!) angenommenen vollausgebildeten drallfreien Strömungszustandes und ein maximaler Drallwinkel von 2 nicht überschritten werden dürfen. Für den konkreten Fall der Beurteilung von Rohrströmungen auf Kalibrierprüfständen erscheinen diese Grenzen als zu streng. Augenblicklich laufen Forschungsvorhaben bei den metrologischen Staatsinstituten für die praxistaugliche Festlegung der Akzeptanzbereiche der Kennzahlen. 28

15 Beispiel für Validierung von Prüfständen Messaufgabe: Ermittlung von ungestörten Geschwindigkeitsverteilungen gemäss EN 434 und Vergleich mit idealen Verhältnissen Messobjekt: Wärmezähler-Prüfstand von METAS DN 2 Geradrohr DN hydraulische Schauarmatur Spanneinheit Zuströmung via Raumkrümmer in yz- und xy-ebene 73 Geradrohre DN 27 2 Fensterkammer mit Glasrohr Einziehung Einziehung Kugelhahn Messebene DN => DN2 DN2 => DN2 Gleichrichterbaugruppe Störkörper DN2 => Geradrohr mit Erweiterung DN D 2,D D 7,D 2D Messstrecke in DN 2 (d i = 2, mm) Nenn-Volumenströme: l/h, l/h, 2 l/h Temperaturbereich: 4 C bis C Wasserdruck: 7,2 bar 29.3 Beispiel für Validierung von Prüfständen Q N = l/h (laminarer Strömungszustand) 2D stromab von Strömungsgleichrichter-Baugruppe (SGL); w.vol =,49 m/s, Re = 2 y/r Isolinien für Turbulenzgrad in % x/r w/w.vol y/r Z x/r Y X x/r y/r.4.6 w/w.vol w/w.vol

16 Y Z X.3 Beispiel für Validierung von Prüfständen Q N = l/h 2D von SGL; w.vol =,466 m/s, Re = 6 Q N = 2 l/h 2D von SGL; w.vol = 2,26 m/s, Re = Beispiel für Validierung von Prüfständen Ergebnisdarstellung: DN 2 Q N = l/h Re N = 6 2 y/r Theta = 9 w/w.vol x/r y/r x/r w/w.vol y/r Theta = 9 w/w.vol x/r Linien gleichen Turbulenzgrades (in %) arc tan (v/w.vol) in 8 8 Drallwinkel x/r arc tan (v/w.vol) in 32

17 .3 Beispiel für Validierung von Prüfständen Ergebnisdarstellung: Q in m 3 /h: K p.s:.497 Re: θ max in :.66 K Tu in %: 3.77 DN 2 Q N = l/h Re N = 6 2 Vollprofile Theta K p K p/k p.s K A in % Tu max in %* dq in % arithmet. Ø u=2s in % * im Bereich Profil Profil 9 Profil v/v.vol, v.theo/v.vol..9 Tu in % v/v.vol v.theo/v.vol eingestellter Volumenstrom:.497 m3/h integrierter Volumenstrom:.499 m3/h dq in %:.4 Re: Tu in % v/v.vol, v.theo/v.vol..9 Tu in % v/v.vol v.theo/v.vol eingestellter Volumenstrom:.497 m3/h integrierter Volumenstrom:.498 m3/h dq in %: -.24 Re: Tu in % v/v.vol, v.theo/v.vol..9 Tu in % v/v.vol v.theo/v.vol eingestellter Volumenstrom:.497 m3/h integrierter Volumenstrom:.4996 m3/h dq in %: 2 Re: Tu in % Theo.Profil nach Gersten&Herwig Kp:.98.7 Kp.s:.628 Kp/Kp.s:.72 KA: -.4 % Theo.Profil nach Gersten&Herwig Kp: Kp.s:.628 Kp/Kp.s:.28 KA: -2 % Theo.Profil nach Gersten&Herwig Kp: Kp.s:.628 Kp/Kp.s:.96 KA: -3 % Empfindlichkeit von DFS auf gestörte Zuströmbedingungen 6. Vorgaben Originalfolie von Dr. Rose, PTB Berlin, FB 7.3 (Stand 3..26): Problemkreis: Einfluss von Durchflussstörungen auf die Messunsicherheit von Durchflusssensoren keine Untersuchung zum Einfluss gestörter Strömungsprofile notwendig bei: q p /q i 2: + Genauigkeitsklasse 3 + V m >,4 m/s bei q i oder Verwendung Lochgleichrichter als untrennbarer Bestandteil des Durchflusssensors + q p /q i : + Genauigkeitsklasse 2 oder 3 + V m >,2 m/s bei q i sonst: Untersuchung zur Ermittlung minimaler ungestörter Zulaufrohrstrecken zwischen Störkörper und Durchflusssensor (Vorgabe in Einbau- und Prüfanleitung) Beleg des Bemessungsbereiches q i bis q p auf Einhaltung der MPE, größte Einflüsse gestörter Profile (Drall) bei kleinen Durchflüssen zu erwarten Empfehlung: stets prüfen 34

18 6. Vorgaben Originalfolie von Dr. Rose, PTB Berlin, FB 7.3 (Stand 3..26): nachteilig: große Dimensionen, hoher Materialbedarf bleibender, stark von der Reynolds-Zahl abhängiger Druckverlust; wird sich schnell zusetzen! schlecht zu kalkulierende Pumpenförderleistung (Kennlinienfeld)! strömungsberuhigende Wirkung von Gleichrichtern ist abhängig von der Reynolds-Zahl und vom Abstand zum Durchflusssensor /Adunka/, /Drochner,Rose/, /Dopheide/ Beispiel Messaufgabe: Ermittlung von Geschwindigkeitsverteilungen nach Störkörpern gemäss EN 434 und Vergleich mit ungestörten Verhältnissen Messobjekt: Wärmezähler-Prüfstand von METAS DN 2 Fensterkammer Geradrohr DN mit Glasrohr hydraulische Einziehung Einziehung Schauarmatur Geradrohre DN Kugelhahn Messebene Spanneinheit DN => DN2 DN2 => DN2 Gleichrichterbaugruppe Störkörper DN2 => DN2 Geradrohr mit Erweiterung D 2,D D 7,D Zuströmung via Raumkrümmer in 2D yz- und xy-ebene Messstrecke in DN 2 (d i = 2, mm) Nenn-Volumenströme: l/h, l/h, 2 l/h Temperaturbereich: 4 C bis C Wasserdruck: 7,2 bar 36

19 Beispiel Störkörper: Normblende (Flächen-Verblockung 7,2 %) nach EN 434 Abstand zur Messebene D Normblende nach EN 434 Abstand zur Messebene D Halbblende (Flächen-Verblockung %) Abstand zur Messebene D Drallerzeuger (linksdrehend) Abstand zur Messebene D Beispiel Q N = l/h (laminar): w.vol =,4 bis,48 m/s; Re = 2 46 a) Ungestört (2D nach SGL) b) D nach Normblende c) D nach Normblende d) D nach Halbblende e) D nach Drallerzeuger a) y/r x/r w/w.vol b) y/r x/r.8.. w/w.vol c) y/r x/r.7. w/w.vol d) y/r x/r.7 w/w.vol e) y/r x/r.7 w/w.vol

20 6.2 Beispiel Q N = 2 l/h (turbulent) w.vol = 2,26 bis 2,36 m/s; Re = a) Ungestört (2D nach SGL) b) D nach Normblende c) D nach Normblende d) D nach Halbblende e) D nach Drallerzeuger Beispiel Maximaler Drallwinkel für verschiedene Strömungszustände: 4

21 6.4 Weitere Einsatzmöglichkeiten Einsatzmöglichkeiten der erweiterten LDV-Messtechnologie zur Strömungsdiagnose: Optimierung der Innengeometrie von DFS bzgl.: Empfindlichkeit gegenüber gestörten Strömungsverhältnissen Druckverlust Anlauf sowie unterer Messbereichsgrenze Wechselwirkung zwischen Geometrie und Messunsicherheit Validierung von CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationen als Entwicklungs- Werkzeug (qualitativ und quantitativ) Verbesserung des Verständnisses von grundlegenden Problemstellungen: Strömungscharakteristiken in der Nähe des Umschlagpunktes (=> Reduzierung der Messunsicherheiten) Kalt-/Warmversatz von Fehlerkurven Untersuchungen zu praxisrelevanten Problemstellungen: gegenseitige Beeinflussung von DFS auf Serienprüfständen ( => Minimierung der Abstände) Optimierung der Strömungsführung bei Kalibrier-Prüfständen 4 7. Volumenstrom-Erfassung 7. Vorteile und Möglichkeiten Nutzung der Vorteile des LDV-Verfahrens zur Durchflussmessung: LDV ist kalibrierungsfrei und unabhängig von Alterungseffekten LDV ist ein Primärmessverfahren Hervorragende Langzeitstabilität Berührungslose Erfassung von Geschwindigkeitsverteilungen unter nahezu beliebigen Betriebs- und Einbaubedingungen Berechnung des Volumenstromes mittels diverser Algorithmen mit Unsicherheiten von kleiner als % Technischer Fortschritt: Zunehmende Miniaturisierung von Laserlicht-Quellen Verfügbarkeit hoher Rechnerleistungen Möglichkeiten der Mikrooptik 42

22 8. Zusammenfassung Vorstellung der berührungs- und kalibrierungsfreien Laser Doppler Velocimetry (LDV) Voraussetzungen: optische Transparenz, lichtstreuende Teilchen ohne Schlupf Anwendungen in der Durchflussmesstechnik zur a) Strömungsdiagnose: vollflächige Erfassung der Primär- und Sekundärströmung in Rohrleitungs-Querschnitten unter Praxisbedingungen durch Verwendung von neuartigen Fensterkammern, geeigneter Strahlverfolgungsrechnung und speziellem Messregime (Patent) Teilautomatisierung der verwendeten kompakten LDV-Messysteme und Reduzierung des Aufwandes realisiert (ermöglicht Schritt in die industrielle Anwendung) Einsatz zur strömungstechnischen Validierung von Kalibrier-Prüfständen von DFS Einsatz zur Ermittlung gestörter Geschwindigkeitsverteilungen Beurteilung von Strömungszuständen mittels Kennzahlen b) Volumenstrom-Ermittlung (für Spezialanwendungen) Erfahrungen bzgl. Ermittlung von Volumenströmen von Gas, Fernwärme und Trinkwasser mittels LDV-Messwerten bei stationären/instationären sowie ungestörten/gestörten Strömungen Eröffnung neuer Möglichkeiten durch vollflächige Erfassung von Geschwindigkeitsverteilungen z. B. zur Überprüfung von DFS bei gegenüber der Kalibrierung veränderten Strömungsverhältnissen und als Transfernormal. Dienstleistungsangebote zum schnellen Einstieg und angepasste Gerätetechnik sind vorhanden. 43 AG Strömungsdiagnose A Dienstleistungen Vorbereitungen seitens Auftraggeber: Strömungsanalyse und -optimierung von Prüfständen mit LDV: a) IST-Analyse bei verschiedenen Fluid-Bedingungen (Q, T, DN, Einbausituation) Messungen der axialen und tangentialen Geschwindigkeitsfelder Visualisierung der Ergebnisse Interpretation b) ggf. Vorschläge zur Optimierung des Strömungszustandes inkl. Variantenstudien mit CFD c) ggf. Nachweis des optimierten Zustandes durch Messungen d) Berechnung der Kennzahlen und Verfassung eines PTB/BEV/METAS-konformen Abschlussberichtes Bereitgestellte Gerätetechnik: LDV-System mit Richtungssinnerkennung, mehrachsiger Traversierung und spezieller Software zur Strahlverfolgungs-Berechnung Fensterkammer mit angepassten Innendurchmessern (mehrere!) Streuteilchen für das Seeding Realisierung der Einbindung der Fensterkammer in die Rohrleitung (z. B. Losflansche) Zugabemöglichkeit von Streuteilchen zur Erhöhung der Datenrate 44

23 AG Strömungsdiagnose A Dienstleistungen Kundennutzen: Nachweis der Anforderungen der EN und der Auflagen der metrologischen Staatsinstitute und Benannten Stellen gemäss MID Zeiteinsparungen und Kosteneffizienz durch Wegfallende Einarbeitungszeiten Schnelle Problemlösung und Fehlende Fixkosten Zugriff auf Know-how bzgl. Strömungsoptimierung und Strömungsbewertung (Kennzahlen) Komplette Berichtserstellung und Verteidigung gegenüber Konformitätsbewertungs- Stellen Nutzung von neutralen Kontakten zu PTB/BEV/METAS und anderen Behörden und Institutionen Nutzung und Kennenlernen von angepasster High-end-Gerätetechnik bei minimalem Risiko 4 AG Strömungsdiagnose A Dienstleistungen Weitere Dienstleistungen:. Strömungsdiagnose (mittels LDV und PIV) Messung von Geschwindigkeitsfeldern von definiert gestörten Strömungszuständen Messung von Geschwindigkeits-Verteilungen in Durchfluss-Sensoren unterschiedlicher Bauart (Problematik: optischer Zugang) Erfassung der realen Strömungszustände bei Einbaubedingungen der DFS Bewertung der Strömungsverhältnisse Validierung von CFD-Ergebnissen und Beiträge zur Optimierung der Codes 2. Volumenstrom (mittels LDV) Überwachung und Kontrolle von DFS im Einbauzustand (Punktmessungen) Ermittlung des Volumenstromes und Vergleich mit DFS (Messunsicherheit heute ca. %) Sonder-Applikationen (z. B. Aufklärung von Bilanzunsicherheiten) 46

24 AG Strömungsdiagnose A2 Gerätetechnik Preise für LDV-Systeme und Zubehör:. LDV-System: ab D-Messonde mit Richtungssinnerkennung (integrierter Nd:YAG-Laser 7 mw) Controller, A/D-Board und Software inkl. Traversierungs-Ansteuerung und Strahlverfolgung Traversierungen: ab Zweiachsige Traversierung (ca. 3 mm Verfahrweg) Controller Fensterkammern: ab 4 abhängig von Bauart, Grösse und Universalität Diverses: Engineering für spezielle Lösungen nach Aufwand Schulung und Konsultationen inklusiv 47

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