LASER-optisches Normal für Heißwasser-Durchfluss

LASER-optisches Normal für Heißwasser-Durchfluss Jonas Steinbock

Arbeitsgruppe 7.52: Neue Verfahren der Wärmemengenmessung

Aktuelle Untersuchungen in der Strömungsmesstechnik, 17.02.2015 , PTB Braunschweig

2 Jonas Steinbock

LASER-optisches Durchflussnormal

3 Jonas Steinbock

Messprinzip

A

dAvQ

4 Jonas Steinbock

Aspekte der Messunsicherheit In

tegr

atio

n

• Messraster

• Interpolation

• Integration

Ges

chw

ind

igke

it

• Kalibrierung

• Messvolumen

• Statistik

Posi

tio

n

• Positionierung

• Geometrie

• Strahlverfolgung

AdAvQ

A... v dA

5 Jonas Steinbock

Messpunktanordnung

[VDI 2640]

6 Jonas Steinbock

Messpunktanordnung nach VDI 2640

[VDI 2640]

7 Jonas Steinbock

Integrationsfehler nach Norm für GH-Profil

[VDI 2640] [DIN-EN-13284]

8 Jonas Steinbock

Strömungsprofil in der Kontraktion

1

2

121

2UU

A

AU

1U2U

[Merzkirch 2005] [Schober 2002]

volU

9 Jonas Steinbock

Integrationsfehler nach Norm für Düsenprofil

10 Jonas Steinbock

Verbesserte Stützpunktanordnung

1. Einteilung der Kreisfläche in flächengleiche Teile

2. Ermittlung der charakteristischen Profilform

3. Bestimmen der angepassten Punktkoordinaten durch

Iteration

4. Auswahl der Anzahl der Traversen nach der

Unregelmäßigkeit des Profils

[Weisse 2014]

11 Jonas Steinbock

• wesentliche Eigenschaften

abbilden

• Referenzdurchfluss

• Messgitter

Analytische Vergleichsprofile

Gersten (2005)

tanh-Ansatz

laminar

Gersten

[Strunck 2011], [Merzkirch 2005]

12 Jonas Steinbock

Raytracing/ Bestimmung des Messortes

Einflussparameter:

• Ausrichtung LASER-Sonde

• Geometrie

• Brechzahlen Wasser, Glas, Luft

• Temperatur

13 Jonas Steinbock

Raytracing / Bestimmung des Messortes

Einflussparameter:

• Ausrichtung LASER-Sonde

• Geometrie

• Brechzahlen Wasser, Glas, Luft

• Temperatur

14 Jonas Steinbock

Unsicherheit des Strahlverlaufs

[Juling 2014] [GUM2008]

Numerical Uncertainty Evaluation,

(C) Jonas Steinbock, PTB Berlin, Version 2015.02.13

case: inputRayMUB3.txt

-------------------------------------------------------------------------------

-------o----------------------------------------------------------------------o

Budget | Ray-Tracing | Input[i] | U[i] | C[i] | (UC)^2 | % |

-------o----------------------------------------------------------------------o

Nr 0 | Position x 0 | 1.87e+01 | 0.00 | 8.59e-01 | 7.371e-29 | 0.00 % |

Nr 1 | Position y 0 | 1.87e+01 | 0.00 | 7.40e-01 | 5.478e-29 | 0.00 % |

Nr 2 | RGlas | 4.43e+01 | 0.10 | 1.78e-14 | 1.052e-30 | 0.00 % |

Nr 3 | IGlas | 3.75e+01 | 0.03 | 1.28e-13 | 4.938e-30 | 0.00 % |

Nr 4 | pipe2Wall | 5.12e+01 | 1.00 | 6.22e-15 | 1.288e-29 | 0.00 % |

Nr 5 | pressureGlas | 3.50e+01 | 0.20 | 0.00e+00 | 0.000e+00 | 0.00 % |

Nr 6 | alphaLens | 5.17e+00 | 0.06 | 1.43e-13 | 2.457e-29 | 0.00 % |

Nr 7 | beamDistance | 4.50e+01 | 0.25 | 3.55e-15 | 2.630e-31 | 0.00 % |

Nr 8 | n00 | 1.00e+00 | 0.00 | 7.99e-10 | 2.130e-29 | 0.00 % |

Nr 9 | n0 | 1.48e+00 | 0.10 | -7.11e-14 | 1.683e-29 | 0.00 % |

Nr 10 | n1 | 1.33e+00 | 0.01 | -2.66e-12 | 5.916e-29 | 0.00 % |

Nr 11 | n2 | 1.47e+00 | 0.10 | -7.40e-14 | 1.826e-29 | 0.00 % |

Nr 12 | n3 | 1.33e+00 | 0.00 | 1.21e-11 | 4.911e-29 | 0.00 % |

Nr 13 | UTraverseX | 1.00e-12 | 0.03 | 9.54e-01 | 2.732e-04 | 31.93 % |

Nr 14 | UTraverseY | 1.00e-12 | 0.03 | 7.24e-01 | 1.574e-04 | 18.39 % |

Nr 15 | X0 | 0.00e+00 | 0.05 | 7.14e-01 | 4.250e-04 | 49.67 % |

Nr 16 | Y0 | 0.00e+00 | 0.05 | -1.18e-14 | 1.169e-31 | 0.00 % |

-------o----------------------------------------------------------------------o

| sum 8.556e-04 | 100.0 % |

o----------------------------------------------------------------------o

| mean value f (input) = 2.646808e+01 |

| combined standard Uncertainty Uc (k=1.00) = 2.925e-02 abs |

| combined standard Uncertainty Uc (k=1.00) = 0.110 % |

| combined standard Uncertainty Uc (k=2.00) = 5.850e-02 abs |

| combined standard Uncertainty Uc (k=2.00) = 0.221 % |

| combined standard Uncertainty Uc(f)(k=2.00) = 5.850e-02 abs |

| combined standard Uncertainty Uc(f)(k=2.00) = 0.221 % |

-------o----------------------------------------------------------------------o

Uncertainty evaluation of Ray-Tracing

------------------------------------------------------------------------------

15 Jonas Steinbock

Wandkorrektur Schwerpunktslage

16 Jonas Steinbock

Wandkorrektur Schwerpunktslage 1D/2D

2

aerf-

2

berf/2

e-e /2)(-b/2)(-a

1

2

1

1

22

2

D

x

D

xs

exI

))2erf(d/-)2(erf(c/*))2erf(b/-)2(erf(a/ 0.5

))2erf(d/-)2(erf(c/)e-(ee*/2.)(

ee

/2)(b/2)(a))b-(0.5(-a

2

)(-0.5y)(-0.5x

2

2222

22

D

D

xs

I

17 Jonas Steinbock

Wandkorrektur Schwerpunktslage 2D

18 Jonas Steinbock

Numerische MUB der Messung

Numerical Uncertainty Evaluation,

(C) Jonas Steinbock, PTB Berlin, Version 2015.02.16

-------------------------------------------------------------------------------

-------o----------------------------------------------------------------------o

Budget | Volume Flow | Input[i] | U[i] | C[i] | (UC)^2 | % |

-------o----------------------------------------------------------------------o

Nr 0 | Diameter | 7.50e-02 | 3.00e-05 | 1.97e-11 | 3.506e-31 | 0.00 |

Nr 1 | LDA-Calib | 0.00e+00 | 5.00e-02 | 1.97e-01 | 9.749e-05 | 15.87 |

Nr 2 | rR[0] | 0.00e+00 | 1.33e-03 | 4.44e-13 | 3.506e-31 | 0.00 |

:

Nr 20 | rR[18] | 9.36e-01 | 1.33e-03 | 8.39e-01 | 1.251e-06 | 0.20 |

Nr 21 | rR[19] | 9.63e-01 | 1.33e-03 | 3.38e+00 | 2.034e-05 | 3.31 |

Nr 22 | rR[20] | 9.87e-01 | 1.33e-03 | 1.67e+01 | 4.939e-04 | 80.42 |

:

Nr 41 | Velo [18] | 1.24e+00 | 1.05e-02 | 7.73e-01 | 6.919e-09 | 0.00 |

Nr 42 | Velo [19] | 1.19e+00 | 4.66e-02 | 8.97e-01 | 2.400e-07 | 0.04 |

Nr 43 | Velo [20] | 9.94e-01 | 1.48e-01 | 5.49e-01 | 8.379e-07 | 0.14 |

-------o----------------------------------------------------------------------o

| sum 6.142e-04 | 100.0 % |

o----------------------------------------------------------------------o

| mean value f (input) = 1.974747e+01 |

| combined standard Uncertainty Uc (k=1.00) = 2.478e-02 abs |

| combined standard Uncertainty Uc (k=1.00) = 0.125 % |

| combined standard Uncertainty Uc (k=2.00) = 4.957e-02 abs |

| combined standard Uncertainty Uc (k=2.00) = 0.251 % |

-------o----------------------------------------------------------------------o

Uncertainty evaluation for LDA-Integration

------------------------------------------------------------------------------

[GUM2008]

19 Jonas Steinbock

Zusammenfassung

• Prototyp für Normal aufgebaut

• Industrietauglich

• Validierungsmessungen finden derzeit statt

20 Jonas Steinbock

Literatur

• [Merzkirch 2005] Wolfgang Merzkirch (Hrsg.): Fluid Mechanics of Flow Metering, Springer Verlag, ISBN 978-3-540-

26275

• [Schober 2002] Strömungsmesstechnik I+II, Vorlesungsskript, TU-Berlin

• [VDI 2640] Netzmessungen in Strömungsquerschnitten

• [DIN-EN-13284] Ermittlung der Staubkonzentration bei geringen Staubkonzentrationen

• [DIN-EN -12599] Lüftung von Gebäuden - Prüf- und Messverfahren für die Übergabe Raumlufttechnischer Anlagen,

2012

• [Weisse 2014] Andreas Weissenbrunner: persönliche Kommunikation

• [Strunck 2011] Volker Strunk et. Al.: Durchflussmessung am optischen Normal für Erdgas unter Hochdruck, Vortrag,

GALA 2011

• [Davis 1975] Philip J. Davis, Philip Rabinowitz: Methods of numerical integration, Academic Press New York, 1975

• [Juling 2014] Markus Juling, persönliche Kommunikation

• [GUM 2008] JCGM 100:2008 (GUM) 5.1.3, Note 2

Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Braunschweig und Berlin

Abbestr. 2-12

10587 Berlin

Dipl.-Ing. Jonas Steinbock

Arbeitsgruppe Neue Verfahren der Wärmemengenmessung

Telefon: 030 3481-7815/7770

E-Mail: Jonas.Steinbock@ptb.de

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