seeon d dopheide wendt

Zur bertragbarkeit von Untersuchungsergebnissen aus dem Wasser- und GaszhlerbereichDietrich DopheidePTB Braunschweig, Fachbereich Gase

Gudrun WendtPTB Braunschweig, Fachbereich Flssigkeiten1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

u/um

0,0 1,0 0,5

1. Internationale EMATEM-Sommerschule 23. August 2005

Inhaltsbersicht

Anforderungen aus MID, CEN und OIML zur strmungstechnischen Strfestigkeit von Wasserzhlern Beispiele von bisher im Flssigkeitsbereich durchgefhrten Vorstrungsuntersuchungen Informationen ber das PTB-Forschungsprojekt Installationseffekte an Gaszhlern im Hinblick auf die neuen Zulassungstests fr Wasserzhler Laufende und geplante Forschungsarbeiten im Fachbereich Flssigkeiten Diskussion

Anforderungen aus MID, CEN und OIML MID Annex MI-001: Wasserzhler Keine spezifischen Festlegungen zu Fragen der Installation der Wasserzhler

MID Artikel 10: Harmonisierte Normen und normative Dokumente Verweis auf Normen und normative Dokumente, deren Fundstellen im Amtsblatt der Europischen Union, Reihe C, verffentlicht wurden

CEN: EN 14 154 OIML: R 49

Water meters 2005 Water meters intended for the metering of cold potable water 2003

Anforderungen aus CEN: EN 14 1545.3 Strmungsprofilempfindlichkeitsklassen (Flow profile sensitivity classes): - Bei den Tests nach Teil 3 drfen keine signifikanten Fehler auftreten. - Hersteller muss auf Grundlage der Prfergebnisse entspr. Klassen festlegen

Anforderungen aus OIML: R 49 5.3 Installation conditions:5.3.4 If the accuracy of the water meter is likely to be affected by disturbances in the upstream or downstream pipeline (for example due to the presence of bends, valves or pumps), the water meter shell be provided with a sufficient number of straight pipe lengths, with or without a flow straightener, as specified by the manufacturer, so that the indications of the installed water meter meet the requirements of 3.2.1 or 3.2.2 with respect to the maximum permissible errors and according to the accuracy class of the meter.

Tests nach CEN und OIMLFlow disturbance tests: Test procedureUsing the types 1, 2 and 3 flow disturbers, determine the error (of indication) of the meter at a flowrate between 0,9 Q3 and Q3 for each of the installations shown.

Wirbelerzeuger (Swirl generator) linksdrehendSchnitt X - X X45 1.52

D E

Einzelheit - FlgelH

Nuttiefe = 0,76

C

B

A

F

15

d10

G R=0,25 max.

45

1.5x45

X

Material: Edelstahl DN A25 50d10

B38 64

C25 50

D

E

F

G

H Rauhtiefe, alle Flchen 3,2

Experimentier- u. Wasserzhlerprstand

41,920 41,820 69,900 68,780

15,5 12,5 9,38 12,7 0,75 28,0 25,0 17,72 25,5 1,50

- Strungsgenerator DN 25 u. 50 Teil 3.1M=1:1 PTB 1.52 05.03.04 Schmst-50-31.skd

Wirbelerzeuger (Swirl generator) rechtsdrehendSchnitt X - X X45 1.52

D E

Einzelheit - FlgelH

Nuttiefe = 0,76

C

B

d10

15

A

F

G R=0,25 max.

45

1.5x45

X


B38 64

C25 50

D

E

F

G

H Rauhtiefe, alle Flchen 3,2


41,920 41,820 69,900 68,780

15,5 12,5 9,38 12,7 0,75 28,0 25,0 17,72 25,5 1,50

- Strungsgenerator DN 25 u. 50 Teil 3.2M=1:1 PTB 1.52 05.03.04 Schmst-50-32.skd

Strungsgenerator (Flow disturber)Schnitt X - X X45 1.52

D F

C

B

G

R=0,25 max.

1,5x45

E

X

A

d10


B38 64

C25 50

D

E

F6,0 6,0

G21,875 43,750


41,920 41,820 69,900 68,780

15,5 12,5 28,0 25,0

Rauhtiefe, alle Flchen

3,2

- Strungsgenerator DN 25 u. 50 Teil 4M=1:1 PTB 1.52 05.03.04 Schmst-50-4.skd

Frage 1 Warum Flow disturbance tests?

Annahme Ideale Strmungsbedingungen in der Rohrleitung: - Laminares/vollausgebildetes turbulentes Profil, - Drallfreiheit, - Achsensymmetrie Realitt Irregulre, gestrte, nicht voraussagbare Strmungsbedingen durch: Zhler reagieren - Krmmer, Absperrorgane, Filter, unterschiedlich auf Querschnittsvernderungen, die vernderten unsachgerecht eingebaute Dichtungen

Bedingungen

Messfehler !

Beispiel: Verschiebung der Fehlerkurve Woltman-Zhler WP nach teilgeffnetem Kugelhahn

Adunka 2003 [1]

Beispiel: Fehlerkurve Woltman-Zhler WS hinter 90- KrmmerAbstand zwischen Zhler und Krmmer a/D

a/D = 0

a/D = 2

a/D = 5

a/D = 10

Referenzkurve fr a/D = 75

Kalkhof 1975 [2]

Beispiel: Verschiebung der Fehlerkurve Ultraschall-Zhler hinter Raumkrmmer

Halttunen 1990 [3]

Beispiel: Verschiebung der Fehlerkurve Wirbelzhler hinter Einzel- und Raumkrmmer

Einzelkrmmer

Raumkrmmer

Mottram 1991 [4]

Beispiel: Verschiebung der Fehlerkurve MID hinter 90 - Krmmer (DN 50)Winkel gegenber Magnetfeld des MID

Lim, Chung 1999 [5]

Frage 2

Feststellung: Alle Messergebnisse beziehen sich auf reale Rohrstrmungen Keine Ergebnisse zu den standardisierten Strkrpern

Bilden die standardisierten Strkrper die realen Strmungsstrungen ab ?

Frage 3

Gibt es Mglichkeiten einer Systematisierung?

Rohrleitungskonfigurationen und Strungen Gibt es Mglichkeiten, den Strmungszustand nach einer Strung zu beeinflussen?

Strmungszustand, Geschwindigkeitsverteilung

Reaktion des Zhlers

Neue Zhler ?

Informationen ber das PTB-Forschungsprojekt Installationseffekte an Gaszhlern im Hinblick auf die neuen Zulassungstests fr Wasserzhler aus MID, OIML und CEN1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

1,5 1,0 0,5 0,0 1,0 0,5u/um

Forschungsvorhaben Installationseffekte

Erste Untersuchungen am Gaszhlerprfstand der PTB

Forschungsvorhaben Installationseffekte

Rechnergesteuerter Prfstand zur Erfassung installationsbedingter nderungen von Strmungsprofilen im Einlauf von Gaszhlern

Forschungsvorhaben InstallationseffekteVerschiebetischLDA 2

Filter Fenster

Dsenstaffel

Installationskonfiguration

Drehtisch

LDA 1

Turbinenradgaszhler

zur Pum pe

Schrittm otoransteuerung Druck Temperatur Feuchte

Filter 1

Filter 2 Transientenrecorder Schnittstellen Prozerechner

Rechnergesteuerter Prfstand zur Erfassung installationsbedingter nderungen von Strmungsprofilen im Einlauf von Gaszhlern

Rohrformstck fr den optischen Zugang zur Rohrstrmung

A

Rohrformstck druckfeste Planplatte Einstze mit Folien

A

100 m Glasfolie zur Erhaltung der Rohrkontur

Seitenansicht

Schnitt A-A

Ungestrtes voll entwickeltes Strmungsprofilz D = 200 mm y x1,5

28 D1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

Rohrformstck mit Mefenster

0,0 1,0 0,5

u/um

Ungestrtes voll entwickeltes Strmungsprofil

1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 0,0 -0,5 -1,0 y/Rz/R

0,0 1,0 0,5

Axiales Strmungsprofil, normiert auf die mittlere Strmungsgeschwindigkeit um

u/um


28 D1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R


0,0 1,0 0,5

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R

z/R

u/um


1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1Tangentiales Strmungsprofil, normiert auf die mittlere Strmungsgeschwindigkeit um

z/R

y/R


28 D1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R


0,0 1,0 0,5

1,0 0,8 0,6

30 % 20r/R

0,4 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R

1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5y/Rz/R

0 1,0 0,5

Tu

10

z/R

u/um


Untersuchte Einlaufkonfigurationen

D = 200 m m

z y x

Einzelkrmmer5 D

10 variabelD

R o h rfo rm s t c k m it M e fe n s te r

1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0z/R

1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

1,5 1,0

u/um

u/um

0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

0,0 1,0 0,5 0,0 -0,5 y/R

0,0 1,0 0,5

0,5 0,5

1,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/Rr/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R

2 D Einlauf

5 D Einlauf

10 D Einlauf

u/um

z/R

z/R

R z/

D = 200 mm 10 variabelD

z y x

Doppelkrmmer rechtsdrehendRohrformstck mit Mefenster 5D

1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 0,0 -0,5 -1,0 y/RR z/

1,5 1,0u/um

1,5 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

u/um

0,0 1,0 0,5

0,5 0,5

0,5 0,5

1,0

1,0

z/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 y/R r/R 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 v/um = 1 y/R

y/Rr/R

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

r/R

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

v/um = 1

2 D Einlauf

5 D Einlauf

10 D Einlauf

z/R

u/um

z/R

Gestrte Strmung1.

u/ um 1.20 1.15 1.04 0.94 0.83 0.73 0.62 0.52 0.41 0.31 0.20 0.10 -0.01 -0.10

Deformation des axialen Geschwindigkeitsprofils Entstehen zweier gegenlufiger Wirbel bergang in einen Wirbel Dauerhafte Rotation der gesamten Rohrstrmung

2. 3. 4.

3

4 2

1

CFD Simulation of a double bend out of plane by ruhrgas FLUENT v5, RNG k-, Q=635,9 m3/h- Re=65.000, p=1 bar

Hilgenstock 1996 [6]

z D = 200 mm x 10variabel D y Rohrformstck mit Mefenster

Doppelkrmmer linksdrehend

5D

1,5 1,0u/um

1,5 1,0u/um

1,5 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

0,0 1,0 0,5

0,5 0,5

1,0

0,5 0,5

1,0

z/R

z/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

1,0 0,8 0,6 0,4

y/R r/R

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

y/R r/R

0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

z/R

u/um

y/R

r/R

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

v/um = 1

v/um = 1

v/um = 1

2 D Einlauf

5 D Einlauf

10 D Einlauf

D = 200 mm D1 = variabel 150 mm 10 variabel D y

z x

Doppelkrmmer mit Halbblende rechtsdrehend


Halbblende mit ffnung zum Auenbogen des ersten Krmmers

5 D1

1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

1,5 1,0u/um

1,5 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

u/um

0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/Rz/R

0,0 1,0 0,5

0,5 0,5

1,0

0,5 0,5

1,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/Rr/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R r/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R

2 D Einlauf

5 D Einlauf

10 D Einlauf

u/um

z/R

z/R

R z/

Untersuchte Gleichrichterformen

Untersuchte Gleichrichterformen

Profilentwicklung nach GleichrichternAlle Profile 3 D nach StrungD = 200 mm 10 3 DD z y x


5D

1,5 1,0u/um

1,5 1,0u/um

1,5 1,0 0,5 1,0 0,0 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0R z/

0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 0,0 -0,5 y/RR z/

0,0 1,0 0,5 -0,5 y/R

0,0 1,0 0,5

0,5 0,5

1,0

Untersuchte Konfiguration: Doppelkrmmer in gleicher Nennweite

u/um

Profilentwicklung nach Gleichrichtern

2 D nach Strung o.GR

5 D nach Strung o.GR

5 D nach Strung und Rohrbndel-Gleichrichter

Untersuchte Konfiguration: High-level-Strung

Profilentwicklung nach Gleichrichtern

y

z x

3D

Profilentwicklung nach Gleichrichternhalf pipe area plate

2D

position of perforated plate5 D1 flow

1,5 1,0 0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 0,0 -0,5 -1,0 y/Rz/R1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/R

1,5 1,0

1,5 1,0u/um u/umy/R

u/um

0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0 z/R 0,0z/R

0,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,0z/R

0,0 1,0 0,5

0,0 1,0 0,5 -0,5y/R

0,0 1,0 0,5 0,0 -0,5y/R

z/R

z/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 r/R 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1 y/Rr/R

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 v/um = 1

5 D Einlauf o.GR

Lochblende direkt nach Strung

Lochblende 2 D nach Strung

Profilentwicklung nach Gleichrichtern Bewertung der Effizienz

Nach Raumkrmmer

Nach High-Level-Strung

Fr Rohrbndel Axiale Profildeformation 1 D nach Gleichrichterausgang im Vergleich zur Situation ohne Gleichrichter (Restverformung) Rohrlnge bis zur Halbierung der axialen Profilverformung (Abklinglnge)

Fr Zanker

Fr Rohrbndel

Fr Zanker

> 100 %

< 50 %

> 400 %

< 100 %

10 D

1D

4D

7D

Quantifizierung der Gleichrichtereffizienz fr Rohrbndel- und Zankergleichrichter fr die Anwendung in der industriellen Praxis

Profilentwicklung nach Gleichrichtern Bewertung der Effizienz

Aktueller Stand der Normungsaktivitten im Gasbereich

Neues Konzept: - Vorstrungsplatte [7] als Ersatz fr Rohrkrmmer-Konfiguration - Liefert vergleichbare Profile

1,5

1,0

u/u m ; w/u m

0,5

0,0

-0,5axial u/u m tangential w/u m

-1,0

air; 1 bar CH4; 42 bar

-1,5 -1,00

-0,75

-0,50

-0,25

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

r/R

Turbinenradgaszhler mit integriertem Gleichrichter

Vorstrungsfest

Laufende und geplante Forschungsarbeiten im Fachbereich Flssigkeiten

Aktivitten im Fachbereich Flssigkeiten

Beantwortung der Fragen:

Bilden die standardisierten Strkrper die realen Strmungsstrungen ab ?

Was kann vom Gas auf Wasser/Flssigkeiten bertragen werden?

Aktivitten im Fachbereich Flssigkeiten Durchflussbereich: 0,01 ... 60 m3/h Messunsicherheit: Urel < 0,05 % Anwendung: Untersuchung von Haushaltswasserzhlern Entwicklung von Transfernormalen Neue Testverfahren (Zulassung, Marktberw.)

Neuer Wasserzhler-Prfstand der PTB in Braunschweig

Aktivitten im Fachbereich FlssigkeitenDN 50-Fenster, brechzahl- und konturangepasst

Sende-/Empfangskopf vom LDA-System

Profilmessungen nach Disturbern und nach realen Raumkrmmern und Vergleich der Profile, beginnend mit NW 50 mm, danach kleiner

Aktivitten im Fachbereich FlssigkeitenForschungsvorhaben PTB Eichbehrden: Hauptaufgabenstellung: Entwicklung von transportablen Transfernormalen fr strmendes Wasser als Normalprfeinrichtungen fr Befundprfungen am Einbauort Zu erwartender Nutzen: - Erhhung der Messsicherheit, - Verkrzung von Messzeiten, - Optimierung von Prfablufen, - Erleichterung der Arbeit des Prfpersonals vor Ort, - Mglichkeit der berprfung von Messgerten am Einbauort unter den tatschlich vorherrschenden Betriebsbedingungen. Bearbeitungsstand: - Technische Lsungen gefunden - Prfverfahren und ablufe werden zur Zeit erarbeitet - siehe auch Vortrag auf Prfstellenleiter-Kolloquium Juni 2005 in Wrzburg - weiterer Erfahrungsaustausch erwnscht

AnhangLiteraturverzeichnis[1] [2] Franz Adunka: Installationseffekte bei Wasserzhlern. BEV 2004 Kalkhof, H.-G.: Experimentelle Ermittlung des Einflusses von Querschnittsnderungen, Krmmern und Absperrschiebern in der Rohrleitung auf das metechnische Verhalten von Woltmanzhlern. gwf-wasser/abwasser 116 (1975), 117-121 Halttunen, J.: Installation effects on ultrasonic and electromagnetic flowmeters: a model-based approach. Flow Meas. Instrum., Vol.1 (1990), 287-292 Mottram, R.C.: Vortex flowmeters Installation effects. Flow Meas. Instrum., Vol.2 (1991), 56-60 Ki Won Lim; Myung Kyoon Chung: Numerical investigation on the installation effects of electromagnetic flowmeter downstream of 90 elbow laminar case. Flow Meas. Instrum., Vol.10 (1999), 167-174 Hilgenstock, A.; Ernst, R.: Analysis of installation effects by means of computational fluid dynamics CFD vs experiment? Flow Meas. Instrum., Vol.7 (1996), 161-171 Kramer, R.; Mickan, B.; Wendt, G.; Hotze, H.-J.; Hirlehei, U.: Einrichtung zur Erzeugung definiert gestrter Strmungsprofile in Rohrleitungen. Diensterfindung 2000

[3] [4] [5] [6] [7]

Die Ergebnisse der Vorstrungsuntersuchungen in der PTB sind zusammenfassend u.a. beschrieben in: Wendt, G.; Mickan, B.; Kramer, R.; Dopheide, D.: Systematic investigation of pipe flows and installation effects using laser Doppler anemometry Part I. Profile measurements downstream of several pipe configurations and flow conditioners. Flow Meas. Instrum., Vol.7 (1996), 141-149 Mickan, B.: Systematische Analyse von Installationseffekten sowie der Effizienz von Strmungsgleichrichtern in der Grogasmengenmessung. Dissertation. Shaker Verlag Aachen 1999

seeon d dopheide wendt

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