Project 854 (alle) - EURAMET · len. Für die späteren Untersuchun-gen wurden Zwischenstücke gefer-tigt, die den Übergang vom Norm-Innendurchmesser der Rohre auf den Flansch-Innendurchmesser

Welchen Einfluss haben Ein-baustörungen auf die Mess-ergebnisse von Durchfluss-

sensoren bei Wärmezählern? DieseFrage wird seit einigen Jahren sehrintensiv vom Bundesamt für Eich-und Vermessungswesen (BEV),Wien/Österreich, und der Fernwär-me Wien GmbH untersucht.

Die ersten Messungen zu diesemThema wurden an klassischen Prüf-ständen bei der Fernwärme WienGmbH unter der Leitung von Karl-heinz Lechtermann und am »alten«Prüfstand der BEV unter der Lei-tung von Franz Adunka im Jahr1996 durchgeführt. Ab Ende 1998stand im BEV ein neuer Prüfstandzur Verfügung. Damit waren Mes-sungen mit sehr geringer Messunsi-cherheit möglich [1;2]. Parallel dazuwurde im BEV ein Laser-Doppler-Velozimeter (LDV) in Betrieb ge-nommen, mit dem axiale Strö-mungsprofile nach Störungen auf-genommen wurden. Um Hinweisefür den Einfluss von Störungen zuerhalten, wurden Untersuchungenzum Einfluss der Strömungsausbil-dung an einem Durchflussprüf-stand durchgeführt.

Die im Folgenden dargestelltenErgebnisse sind auszugsweise in[3;4] publiziert. Neuere Messungenam Prüfstand des BEV wurden zumTeil ebenfalls publiziert [4 bis 9]. Diehier vorgestellten Messungen stel-len eine Zusammenfassung derneuesten Erkenntnisse dar. Da dasProjekt jedoch noch nicht beendetist, haben die Aussagen lediglichvorläufigen Charakter.

Die Untersuchungen wurden anWasserzählern durchgeführt, dienach dem Geschwindigkeitsprinziparbeiten (Flügelradzähler, Wolt-manzähler, Ultraschallzähler sowieMID)1. Als Wärmeträger kam Was-ser mit einer Temperatur von 35 °C

zum Einsatz. Im BEV wurden dieMessungen bis zu Einlaufstreckenmit einer Länge von rd. 60 · D aus-geführt (D: Innendurchmesser derAnschlussrohre an Zählern). Länge-re Einlaufstrecken stehen im BEVnicht zur Verfügung. Deshalb wurdedas gesamte LDV-Messsystem desBEV bei der Physikalisch Techni-schen Bundesanstalt in Berlin(PTB-IB) aufgebaut und entspre-chende Messungen an längerenEinlaufstrecken durchgeführt. Er-gebnis dieser Messungen: Ab einerEinlaufstrecke von rd. 92 · D sindkeine merkbaren Einflüsse von Stö-rungen auf das Geschwindigkeits-profil feststellbar.

Für die Untersuchungen wurdennur Edelstahlrohre mit Flanschver-bindungen verwendet. Der Innen-durchmesser der Edelstahlrohreentsprach exakt dem Innendurch-messer der Anschlussflansche deruntersuchten Zähler. Dies einzu-halten war teilweise problematisch,da manche Zählerflansche zwarexakt den gleichen Innendurch-messer wie jene der Zuleitungsroh-re hatten, manche aber deutlicheAbweichungen aufwiesen. Erstwährend der ersten Untersuchun-gen ist diese Diskrepanz aufgefal-

FACHTHEMAWärmemessung

Durchflusssensoren von Wärmezählern

Einfluss von Einbaustörungen aufdie MessgenauigkeitUm den Einfluss von Einbaustörungen auf die Messgenauigkeit von Durchflusssensoren zu untersuchen, werden seit Jahren umfangreiche Messungen durchgeführt. Als Störquellen dienen dabei halbgeöffnete Kugelhähne, 90°-Bögen, Raumbögen sowie Reduzierungen und Erweiterungen. Die Autoren stellen aus-gewählte, praxisrelevante Messergebnisse dar.

50 EuroHeat&Power 34. Jg (2005), Heft 10

Univ.-Prof. Dr. phil. Dr. techn. Franz Adunka, Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen,Wien/Österreich, Leiter des Fachbereiches Durchfluss,Temperatur, Wärmeenergie; Dr. rer. nat. Thomas Lederer, Physikalisch Technische Bundesanstalt, Institut Berlin, Leiter des Fachbereiches 7.6: ThermischeEnergie Bild 1. Aufbau der Einlaufstrecke am Wasserprüfstand des BEV

8677.1

Durchflussrichtung

DN 40

Führungsstifte

Viertelkreisdüse Kugelhahn

Einlaufkanal DN 150

1 Als Geschwindigkeitszähler werden hierDurchflusszähler verstanden, die aus einererfassten Geschwindigkeit durch Integra-tion das Volumen bestimmen. TypischeAusführungsformen sind Flügelrad- undWoltmanzähler, aber auch Ultraschallzäh-ler. Man spricht auch von mittelbaren Volumenzählern.

len. Für die späteren Untersuchun-gen wurden Zwischenstücke gefer-tigt, die den Übergang vom Norm-Innendurchmesser der Rohre aufden Flansch-Innendurchmesserder Zähleranschlüsse in Form einesDiffusors/Konvektors mit einemsehr geringen Öffnungswinkel(rd. 1°) ermöglichten.

Im neueren Teil des Projektes, beidem auch das LDV-System zumEinsatz kam, wurden lediglich Zäh-ler mit den Anschluss-NennweitenDN 40 und DN 50 mit Flanschan-schlüssen untersucht. Die Zählermit der Nennweite DN 40 repräsen-tieren die in großen Mengen einge-setzten Klein-Durchflusssensoren(z.B. Flügelradzähler), die Zählermit der Nennweite DN 50 die Grup-pe der Groß-Durchflusssensoren(z.B. Woltmanzähler). Diese Be-schränkung war notwendig, um auf dem bestehenden Prüfstandmöglichst lange Ein- und Auslauf-strecken realisieren zu können.

1 Was ist eine Strömungsstörung?

Zunächst ist die Frage zu diskutie-ren, was unter einer Strömungsstö-rung zu verstehen ist. Bei einer un-gestörten Strömung liegt ein »aus-gebildetes Profil« vor, d.h. ein Ge-schwindigkeitsprofil, das sich nacheiner unendlich langen Einlauf-strecke ohne Störungen und vor ei-ner unendlich langen Auslauf-strecke ohne Störungen ergibt.Praktisch ist dies zwar nicht mög-lich; nach einer Einlaufstrecke vonrd. 100 · D scheinen jedoch entspre-chend den Messungen bei der PTB-IB keine Abweichungen vom unge-störten Profil mehr zu existieren.

Von einer »Strömungsstörung ers-ter Art« kann gesprochen werden,wenn durch Rohrleitungseinbauten(z.B. Ventile, Kugelhähne, Regler,andere Zähler), durch Quer-schnittsänderungen (z.B. Quer-schnittsverengungen durch Blen-den, Einschnürungen), Diffusoren(Erweiterungen) oder Konfusoren(Verengungen) das Strömungsprofilam Ort des Zählereinbaus verän-dert wird. Aber auch die Rohrlei-tungsführung selbst hat einen Ein-fluss auf das Strömungsprofil: 90°-Bögen verändern das Strömungs-profil genauso wie Raumbögen(Umlenkung der Rohrleitung inzwei Richtungen). Raumbögenkönnen Ablösungen verursachensowie einen Drall erzeugen. Ein un-gestörtes Profil kann daher durch

EuroHeat&Power 34. Jg (2005), Heft 10 51

Bild 2. Änderung des Geschwindigkeitsprofiles in Abhängigkeit vomAbstand zur Viertelkreisdüse

2,5–27

5,0

27

8677.2

4,5

4,0

3,5

3,0

m/s

vx

–18 –9 0 9 18 mmr

achsial 0 Dachsial 2 Dachsial 5 Dachsial 10 Dachsial 20 Dachsial 30 Dachsial 40 Dachsial 50 Dachsial 60 D

Bild 3. In Serie geschaltete MID gleicher Bauart. An den markierten Stellenwurden die Flanschverbindungen gelockert und anschließend wieder gefestigt

Bild 4. Die in Bild 3 beschriebene Vorgehensweise bei der Messung führt zueiner Vergrößerung der erweiterten Messunsicherheit um den Faktor 5

74

8677.3

11 D 15 D

293 436

Zähler 1

Durchflussrichtung

74

11 D 15 D

293 436

Zähler 2

0

0

10 000

8677.4

–0,1

%

l/h

–0,2

–0,3

–0,4

∆F

2 500 5 000 7 500Q

Durchgang 1Durchgang 2Durchgang 3Durchgang 4Durchgang 5

Durchgang 6Durchgang 7Durchgang 8Durchgang 9Durchgang 10Mittelwert

sehr lange Einlaufstecken ohne Stö-rungen, Rotationssymmetrie sowieDrallfreiheit definiert werden.

Näherungsweise war dies amPrüfstand des BEV mit Einlauf-strecken von über 50 · D gegeben.Dies konnte aber erst nach demUmbau der Einlaufstrecke realisiertwerden, in dem ein konischer Ein-lauf durch eine Viertelkreisdüse er-setzt wurde. Zuvor trat durch denBorda-Effekt eine Quasi-Periodi-zität des Geschwindigkeitsprofilesüber der Einlaufstrecke auf. Wiestark sich das Geschwindigkeits-profil nach einer Viertelkreisdüse inder Einlaufstrecke in Abhängigkeitvom Abstand zu dieser Düse ändert,ist in Bild 1 und 2 dargestellt: Un-mittelbar nach der Viertelkreisdüseist das Profil fast kastenförmig; mitzunehmendem Abstand von derDüse nähert sich das Profil immermehr dem ungestörten Strömungs-profil. Jedoch ist auch nach einerEinlaufstrecke ohne Störungen vonLE = 60 · D noch kein stabiler End-zustand erreicht.

Ein weiterer störender Effekt tratdurch nicht exakt zentrische Verbindungen von Rohren mit Zäh-lern aber auch von Rohren unter-einander auf. Solche Störungenwerden hier als »Strömungsstörun-gen zweiter Art« bezeichnet. Dassdiese Einflüsse nicht vernachlässig-bar sind, zeigen Reihenmessungen,die bei einem Euromet-Projektdurchgeführt wurden. In Bild 4 istdas Ergebnis derartiger Reihenmes-sungen gezeigt, in Bild 3 die ent-sprechende Messanordnung. Be-achtlich ist, dass die Zähler über relativ lange Ein- und Auslauf-strecken verfügten (15 · D bzw.11 · D). In jedem Durchgang wurdejede Messung 10 mal wiederholt.Dabei betrug die Messunsicherheiteinschließlich des Beitrages der Wiederholmessungen rd.U = 0,03 %. Nach jeder Messreihewurden die in Bild 3 gekennzeich-neten Schraubverbindungen gelöstund anschließend wieder gefestigt.An den gekennzeichneten Ein- undAuslaufstrecken änderte sich da-durch nichts. Eine 10-maligeWiederholung dieser Vorgehens-weise ergab die in Bild 4 dargestell-ten Fehlerkurven. Die entsprechen-



2 Von der gegenständlichen Bauart wurdeninsgesamt 3 Zähler untersucht, die ver-gleichbare Ergebnisse erbrachten!

Bild 5. Verschiebung der ungestörten Fehlerkurve eines Mehrstrahl-Flügelradzählers durch verschiedene Störquellen. Diese Darstellung wurdeals besonders schlechtes Beispiel ausgewählt. Die meisten Flügelradzählerneuerer Bauart weisen wesentlich geringere Störbeeinflussungen auf 2(∆F = aktuelle Messabweichung in % - Messabweichung des ungestörtenZählers (Index: 0))

10 10 000

8677.5

m3/h

–5

–10100 1 000

Q

0

5

10

15

25%20

∆F

RB, 10 D

RB, 10 D

HKH, 10 D HKH, 5 D

HKH, 0 D

HKH, 2 D

RB, 10 DRB, 0 DHKH, 5 DHKH, 0 DHKH, 2 DHKH, 10 D

Abkürzungsverzeichnis

BEV Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen, Wien/Österreichcmc-Tabellen Tabellen mit den besten Messmöglichkeiten der NMI Europas, die

von der Euromet herausgegeben werdenD Innendurchmesser der Anschlussrohre an Zähler bzw. an die

FensterkammerDif Diffusor (Erweiterung)Ematem European Measurement Association for Thermal Energy MeasurementEuromet Vereinigung Nationaler Metrologie Institute (NMI), Gründung 1988 auf

der Basis eines »Memorandum of Understanding (1987)«, Mitgliedersind europäische Staaten sowie weitere assoziierte Mitglieder. Ziel istdie Zusammenarbeit der nationalen metrologischen Institute (NMI)der Mitgliedsstaaten im technisch-wissenschaftlichen Bereich

F Messabweichung (Fehler) eines Zählers (in %)∆F aktuelle Messabweichung – Messabweichung beim ungestörten

Zähler (alle Angaben in %)HKH halbgeöffneter KugelhahnKH KugelhahnKon Konfusor (Reduzierung)LE ungestörte Einlaufstrecke, üblicherweise in Einheiten des

Innendurchmessers D der an einen Zähler angeschlossenen Rohr-leitungen angegeben

LDV Laser Doppler VelozimeterMID Magnetisch-induktive Durchflusszähler (nicht zu verwechseln mit der

Messgeräterichtlinie der EU, die ebenfalls mit MID abgekürzt wird)NMI Nationales Metrologie Institut, in Österreich das BEV,

in Deutschland die PTBPTB-IB Physikalisch Technische Bundesanstalt, Institut BerlinQ, q Durchfluss (in l/h oder in m3/h)qp Nenndurchfluss eines Zählers in X m3/h. qp dient zur

Kennzeichnung von Durchflusssensoren für WärmezählerRB 90°-RohrbogenRK Raumkrümmer, Raumbogen

de Messunsicherheit erhöhte sichum einen Faktor von rd. 5!

Offensichtlich treten wandnaheEffekte auf, die durch nichtzentri-sche Rohrverbindungen verursachtwerden. Mit einer exakt geführtenRohrverbindung könnte dieses Problem behoben werden. Eine sol-che Verbindung ist jedoch weder beiHeizungsanlagen noch bei Durch-flussprüfständen realisierbar.

2 Bisherige Messergebnisse

2.1 Typische Messergebnisse an ausgewählten ZählernUm den Einfluss einer Strömungs-störung auf einen Durchflusssensor(DFS) bewerten zu können, ist zuBeginn der Durchflussprüfstand,das Volumennormal, hinsichtlichdessen Messunsicherheit zu analy-sieren. In der Vergangenheit wur-den dazu in Nationalen Metrologi-schen Instituten in Europa Messun-sicherheitsanalysen an Durchfluss-prüfständen für Geschwindigkeits-zähler durchgeführt. Diese ergabenmeist sehr geringe Messunsicher-heiten in der Größenordnung vonU = 0,05 % [1;2]. Zur Vereinfachungsind in den folgenden Bildern dieMessunsicherheiten nicht darge-stellt; diese lagen jedoch in der obenangegebenen Größenordnung, also deutlich geringer als die Mess-effekte.

Im Folgenden werden einige aus-gewählte Messergebnisse gezeigt,die für die Praxis relevant sind. AlsStörquellen wurden halbgeöffneteKugelhähne (HKH), 90°-Bögen(RB), Raumbögen (RK) sowie Redu-zierungen (Kon) und Erweiterun-gen (Dif) verwendet. Ein besondersdeutliches Beispiel für den Einflussvon Störquellen bei einem Flügel-radzähler zeigen die Ergebnisse inBild 5. Dieser Einfluss ist allerdingsnicht typisch für Flügelradzählerneuerer Bauart.

In den Bildern 6 und 7 sind Ergeb-nisse von Messungen an Woltman-zählern verschiedener Bauart dar-gestellt. Dabei fällt auf, dass bei ei-nem Zähler der Bauart WP eine ex-treme Empfindlichkeit gegenübereinem knapp vor dem Zähler(Abstand 2 · D) montierten Kugel-hahn vorhanden ist (Bild 6). Bei ei-nem Woltmanzähler der Bauart WSist diese Beeinflussung wesentlichgeringer (Bild 7). Die Messergeb-nisse in Bild 8 zeigen, dass auchUltraschallzähler empfindlich aufStörungen reagieren; vor allem


Bild 6. Einfluss von Störungen auf einen Woltmanzähler der Bauart WP

0,1 100

8677.6

m3/h–30

1 10Q

010

70%

∆F

–20–10

20304050

HKH, 2 DHKH, 5 D

Dif, 2 D

Dif, 10 DKon, 2 D

Dif, 5 D

HKH, 2 DHKH, 5 DKon, 2 DDif, 2 DDif, 5 DDif, 10 D

Bild 7. Einfluss von Störungen auf einen Woltmanzähler der Bauart WS

0,1 100

8677.7

m3/h–1,0

1 10Q

0

2,5%

∆F

–0,5

0,5

1,0

1,5

2,0

HKH 2 D

HKH 5D

RB 5 D

RK 5 D

Dif 2 DDif 10 D

RB 2 D

Kon 2 D

RK 2 D

Dif 5 DHKH, 2 DHKH, 5 DKon, 2 DDif, 2 DDif, 5 D Dif, 10 DRB, 2 DRB, 5 DRK, 2 DRK, 5 D

Bild 8. Einfluss von Störungen auf einen Ultraschallzähler

0,1 100

8677.8

m3/h–20

1 10Q

5%

∆F–10

–5

0

–15

HKH, 2 DHKH, 5 DHKH, 10 D Kon, 2 DDif, 2 DDif, 5 DDif, 10 DRB, 2 DRB, 5 DRK, 2 DRK, 5 D

gegenüber Störungen, die von ei-nem halb geöffneten Kugelhahnhervorgerufen werden. Lediglichbeim MID hielt sich die Störbeein-flussung in Grenzen, wobei dieseGrenzen nicht zu eng definiert wer-den dürfen (Bild 9). Mit diesen we-nigen Beispielen sei das Prinzipiellegezeigt. Für weitere Messergebnissesei auf die in Vorbereitung befindli-che Monografie verwiesen.

2.2 Strömungsprofile nach StörungenDie im vorigen Kapitel gezeigtenFehlerkurven sind offenbar Ergeb-nisse geänderter Strömungsprofile.Deshalb wurden die durch dieunterschiedlichen Störungen her-vorgerufenen Strömungsprofile nä-her untersucht. Dazu wurde derZähler in der Prüfstrecke durch eine»Fensterkammer« ersetzt. Diesehatte etwa die gleiche Länge wie dieuntersuchten Zähler (Bild 10). Mitder Fensterkammer und einem un-geshifteten Laser-Doppler-Velozi-meter (LDV) konnte das Geschwin-digkeitsprofil senkrecht zur Strö-mungsrichtung ermittelt werden(Bild 11). In Bild 12 ist ein solchesProfil in verschiedenen Abständenvon der Störquelle – einem halb ge-öffneten Kugelhahn – dargestellt.Die Durchstrahlungsrichtung isthorizontal. In Bild 13 sind die entsprechenden Profile bei vertika-ler Durchstrahlungsrichtung ge-zeigt. Für diese Messung wurde die Fensterkammer und damit dasgesamte Lasersystem um 90° ge-dreht.

Die Messergebnisse in Bild 12 und13 zeigen sehr deutlich, dass die Ge-schwindigkeitsprofile nahe derFensterkammer sowohl in horizon-taler als auch in vertikaler Richtungstark deformiert und auch unter-schiedlich sind. Mit zunehmenderLänge der Einlaufstrecke ohne Stö-rungen gleichen sich die Profile inhorizontaler und vertikaler Rich-tung immer stärker an; insgesamtsind sie jedoch deutlich flacher alsbei einem Profil ohne Störungen(ausgebildetes Profil). Erst nach ei-ner Einlaufstrecke von rd. 60 · Dkann das Profil als ungestört ange-sehen werden.

Interessante Ergebnisse liefertenauch die Untersuchung der Rohr-strömung in der Fensterkammer,wenn ein halb geöffneter Kugel-hahn nach der Fensterkammermontiert wurde (Bild 14). Auchwenn die Störung unmittelbar hin-



Bild 10. Fensterkammer DN 50. Sie kann um beliebige Winkel um dieStrömungsachse gedreht werden. Die meisten Messungen wurden mit horizontaler und vertikaler Durchstrahlung durchgeführt.

Bild 11. Schematische Anordnung bei den LDV-Messungen und Definitionder Beruhigungsstrecke. In dieser Arbeit wird die Beruhigungsstrecke stetsvom Flansch der Fensterkammer gemessen. Die eigentlicheBeruhigungsstrecke ist bei einer Fensterkammer DN 40 um 3,5 · D größer

8677.11

3,5 D

Fensterkammer

LDV-EbeneGlasfenster

LE

Kugelhahn

Beruhigungs-strecke

Bild 9. Einfluss von Störungen auf einen MID

0,1 100

8677.9

m3/h–0,5

1 10Q

1,0%

∆F

0

0,5

HKH, 2 DHKH, 5 DKon, 2 D

HKH, 2 DHKH, 5 D

Kon, 2 D

ter der Fensterkammer angeordnetwar (LE = 0 · D), konnte praktischkein Unterschied zur ungestörtenStrömung festgestellt werden. Glei-ches gilt für eine Beruhigungs-strecke mit einer Länge von 2,3 · Dnach der Fensterkammer (Bild 15).

In wandnahen Schichten sind dieProfile sicher nicht identisch mit je-nen rein zylindrischer Querschnit-te, tritt doch in den verwendetenFensterkammern im Bereich dereingesetzten Fenster eine Abplat-tung auf. Dies erklärt auch die Ab-weichungen von der idealen Formder Profile, die dem Blasius-Ansatzfolgen müssten.

2.3 Zusammenfassung der MessergebnisseBei den oben dargestellten Messun-gen lag stets eine turbulente Strö-mung vor. Ein Beispiel für die Ab-hängigkeit der Strömungsprofilevom jeweiligen Durchfluss zeigt dasMessergebnis in Bild 16. Hier ist dietypische Abflachung der Profile mitsteigender Reynoldszahl erkennbar.Alle Profile wurden durch ein Poly-nom 6. Grades genähert. Die in denBildern 12 bis 16 eingezeichnetenVerbindungslinien zwischen denMesspunkten stellen das Interpola-tionspolynom dar. Es ist erkennbar,dass das Näherungspolynom aus-reichend genau ist, da es den Mess-werten sehr gut folgt.

Damit konnten sehr einfachMittelwerte bestimmt werden, dieRückschlüsse auf den Einfluss derProfile auf die Messwertbildung imDurchflusssensor ermöglichen.Diese Rückschlüsse sind prinzipiellsehr schwierig, da die Strömungs-verhältnisse in vielen Durchfluss-sensoren sehr komplex sind. Trotz-dem lassen sich mit vereinfachen-den Ansätzen Aussagen über daswesentliche Betriebsverhaltens vonDurchflusssensoren gewinnen.Dies konnte mit einem einfachenModell für einen Flügelradzählervor vielen Jahren gezeigt werden[10;11].

Als erste Kenngröße ist zunächstdie Geschwindigkeit in der geome-trischen Mitte der Messkammer zuverwenden. Für zylindersymmetri-sche Strömungen ist sie die maxi-mal auftretende Geschwindigkeitνmax, zumindest in einigem Abstandder Störung von der Fensterkam-mer. Bei Durchflusssensoren nachdem Turbinenzählerprinzip hat diemaximale Geschwindigkeit wegendes quadratischen Einflusses auf

das treibende Drehmoment einengroßen Einfluss.

Die zweite charakteristische Ge-schwindigkeit sei die linear über ei-nen Messpfad gemittelte Ge-schwindigkeit νlin. Sie entsprichtbeispielsweise jener Geschwindig-keit, die bei einem Einpfad-Ultra-schallzähler gemessen wird.

Die dritte Kenngröße ist die flä-chengemittelte Geschwindigkeit νfl,jene Geschwindigkeit, mit der derFluidtransport verbunden ist. Da-bei wurde einmal das horizontaleund einmal das vertikale Profil alszylindersymmetrisch angenom-men. Da die Symmetrie naturge-

mäß nicht exakt gilt, ergeben sichzwei nicht genau gleiche Werte.

In Bild 17 sind diese Geschwindig-keiten über der Länge der ungestör-ten Einlaufstrecke aufgetragen.Während die maximale Geschwin-digkeit erst nach rd. LE = 60 · D ei-nen annähernd stabilen Endwerterreicht, sind die erforderlichenEinlaufstrecken bei linearer Mitte-lung deutlich geringer, während beiFlächenmittelung bereits nach rd.LE ≈ 10 · D ein annähernd konstan-ter Wert erreicht wird. In Bild 18 istdazu die auf die Werte bei LE = 60 · Dnormierte Fehlerkurve eines Flügel-radzählers qp = 10 (DN 40) gezeigt.


Bild 12. Geschwindigkeitsprofil eines horizontal durchstrahlten Rohres nacheinem halb geöffneten Kugelhahn im Abstand von x · D von derFensterkammer, Q = 20 m3/h

2,5–21

4,1

21

8677.13

3,7

m/s

–14 –7 0 7 14 mm

3,5

3,3

3,1

2,9

2,7

x

v 2,3 D5,8 D

11,6 D23,2 D

46,4 D58 D

LE = 0 D

Bild 13. Geschwindigkeitsprofil eines vertikal durchstrahlten Rohres nacheinem halb geöffneten Kugelhahn im Abstand von x · D von derFensterkammer. Die Kurvenscharen von Bild 12 und 13 unterscheiden sichim Wesentlichen durch die Profile bei LE = 0 · D; Q = 20 m3/h

2,5–21

4,1

21

8677.12

3,7

m/s

–14 –7 0 7 14 mm

3,5

3,3

3,1

2,9

2,7

x

v

2,3 D5,8 D

11,6 D

23,2 D46,4 D58 D

LE = 0 D

Zur leichteren Darstellung wurdenalle Messabweichungen der Kur-venscharen um +5 % verschoben.Wie in Bild 18 erkennbar, treten diewesentlichen Änderungen der Feh-lerkurven im Bereich bis LE = 10 · Dauf. Dieser Wert wurde bisher auchallgemein für Einlaufstrecken emp-fohlen. Bis auf 2 Literaturstellenwurden nach Wissen der Autorendazu aber keine Messergebnissepubliziert [12;13].

Der Wert von LE = 10 · D ist abernur für Mehrstrahl-Flügelradzählereinigermaßen gesichert. Für andereSensorprinzipien kann diese Aus-sage jedoch nicht bestätigt werden.Als Beispiel sind dazu in Bild 19die Fehlerkurven eines Vortexzäh-lers der Nennweite DN 40 gezeigt,der durch einen halb geöffneten Kugelhahn (HKH) gestört wird. Es ist gut zu erkennen, dass der Durchflusssensor durch einenHKH extrem stark gestört wird. Dassdieser Störeinfluss auch für unge-störte Einlaufstrecken von 25 · Dund 50 · D noch bemerkbar ist, zeigtBild 20.

3 Geplante Arbeiten

Die oben dargestellten Ergebnissezeigten im Wesentlichen zweiSchwachpunkte:1. Bei den Messungen wurden Fens-terkammern verwendet, derenQuerschnitte durch den Einbau vonplanparallelen Fenstern deutlichvon der Kreisform abweichen. Da-her wurden sowohl in der PTB alsauch im BEV neue Fensterkammerngebaut, die einen runden Quer-schnitt aufweisen. Damit werdenkeine Profilveränderungen imwandnahen Bereich verursacht.2. Durch formschlüssige Rohrlei-tungsverbindungen und exakteÜbergänge vom Zähleranschlussauf das Zuleitungsrohr soll künftigder in Abschnitt 1 erwähnte Instal-lationseffekt vermieden werden.Diese Maßnahme erscheint not-wendig, um einen Referenzzustandfür die beschriebenen Effekte zu er-halten. Für die praktische Anwen-dung ist dies insofern wichtig, da-mit Zählerhersteller und Anwenderden Einfluss von Strömungsstörun-gen zweiter Art und ihre Auswirkun-gen beurteilen können. Vor allemwird durch diese Effekte auch ohneStrömungsstörungen erster Art dieMessgenauigkeit reduziert!

Durch den Umbau der LDV-Anla-ge im BEV und bei der PTB zu ge-



Bild 15. Geschwindigkeitsprofile horizontal (rot) und vertikal (blau) bei einemhalb geöffneten Kugelhahn im Abstand von 2,3 · D hinter der Fensterkammer

Bild 16. Störfreie Profile für DN 40 und die Durchflüsse: 20 m3/h, 12 m3/hund 4 m3/h, normiert auf die maximal auftretende Geschwindigkeit νmax

2,5–21

4,1

21

8677.15

3,7

m/s

–14 –7 0 7 14 mm

3,5

3,3

3,1

2,9

2,7

x

v

vmax = 4,045 m/shorizontale Durchstrahlung

vmax = 4,056 m/svertikale Durchstrahlung

0,2–21

1,0

21

8677.16

0,9

–14 –7 0 7 14 mm

0,8

0,7

0,6

x

v/vmax

4 m3/h

12 m3/h

20 m3/h

Bild 14. Geschwindigkeitsprofile horizontal (rot) und vertikal (blau) beieinem halb geöffneten Kugelhahn unmittelbar hinter der Fensterkammer

2,5–21

4,1

21

8677.14

3,7

m/s

–14 –7 0 7 14 mm

3,5

3,3

3,1

2,9

2,7

x

v

vmax = 4,045 m/shorizontale Durchstrahlung

vmax = 4,058 m/svertikale Durchstrahlung

shifteten Systemen können nunauch die zirkularen Geschwindig-keitskomponenten gemessen wer-den, die den Drall der Strömungdarstellen. Ein Beispiel für den Drallin der Ausgangsströmung einesWoltmanzählers (Typ WP) konntemit dem neuen System bereits be-stimmt werden (Bild 21).

Die Ergebnisse der unter (1) und(2) geplanten Messungen werdenzu einem späteren Zeitpunkt veröf-fentlicht.

4 Danksagung des erstgenannten Autors

Die Idee für eine umfassendeUntersuchung der Störeinflüsse anDurchflusssensoren nach demPrinzip der Geschwindigkeitszählerliegt 10 Jahre zurück und wurde ge-meinsam mit meinem Freund Karl-heinz Lechtermann von der Fern-wärme Wien GmbH geboren. Mitseiner Hilfe wurden auch die erstenexperimentellen Arbeiten durchge-führt. Karlheinz Lechtermann istleider viel zu früh verstorben, umden Fortgang der Arbeiten verfol-gen zu können. Diese Arbeit ist ihmdaher in Dankbarkeit post mortemgewidmet.

Weiterhin möchte der Autor »sei-nem Mechaniker« Georg Fuchsber-ger danken, der im BEV viele Mess-anordnungen selbst gebaut hat undmir jeden Wusch quasi von den Au-gen abgelesen hat.

Einen Teil der Messungen (Mes-sungen mit Einlaufstrecken über 92 · D) wurden in der PTB-IB durch-geführt. Dort gebührt vor allemDank Dipl.-Ing. Daniel Rodriguesund Dipl.-Ing. Nicolaus Mathies.

Herzlichen Dank auch an dieFernwärme Wien GmbH für diegroßzügige finanzielle Förderung.Besonderen Dank möchte ich demtechnischen Direktor, Ing. FranzSchindelar, sowie Ing. Michael Utzaussprechen.

5 Schrifttum

[1] Adunka, F.: Neue Prüfmöglich-keiten für Wärme- und Wasser-zähler, 1. Teil, EuroHeat & Power, 31 (2002), Heft 10, S. 54-63.

[2] Adunka, F.: Measurement Uncertainty of a Test Rig forWater Meters, XVI Imeko WorldCongress, 25. bis 28. Septem-ber 2000, Hofburg in Wien,enthalten im Tagungsband.


Bild 17. Charakteristische Geschwindigkeiten aus den Profilmessungen. DieKurven mit Quadraten entsprechen einer horizontalen Durchstrahlung, die mitPunkten einer vertikalen Durchstrahlung. Der Bezug νref ist willkürlich

Bild 18. Auf die Messabweichung bei LE = 60 · D normierte Fehlerkurveeines Mehrstrahl-Flügelradzählers. Wegen der logarithmischen Darstellungwurde die Ordinate um +5 % verschoben

00

40

70

8677.17

30

20

10

v/vref

%

10 20 30 40 50 60 DLE

vFl

vmax

vlin

10

10

70

8677.18

%

10 20 30 40 50 60 DLE

∆FQ = 20 000 l/hQ = 12 000 l/hQ = 4 000 l/hQ = 1 000 l/hQ = 500 l/h

Bild 19. Vortexzähler, DN 40, gestört durch einen halb geöffneten Kugelhahnbei unterschiedlichen ungestörten Einlaufstrecken LE. Auf der Ordinate ist dieÄnderung der Fehlerkurve gegenüber der ungestörten Fehlerkurve dargestellt

–300

5

8677.19

%

∆F

0

–5

–10

–15

–20

–25

10 000 20 000 30 000l/hQ

HKH, LE = 25 D

HKH, LE = 50 D

HKH, LE = 0 D

[3] Adunka, F.: Handbuch derWärmeverbrauchsmessung.Grundlagen – Methoden – Probleme, 3. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen, 1999.

[4] Adunka, F.: Einflüsse von ge-störten Geschwindigkeitsver-teilungen in der Rohrströmungauf die Anzeigerichtigkeit vonVolumenmessteilen für Wär-mezähler. Beitrag im PTB-Be-richt: Messanlagen für Volu-menmessteile von Wärmezäh-lern – derzeitiger Stand undkünftige Entwicklungen; Vor-träge des 124. PTB-Seminars,ISBN-3-89429-911-8, Novem-ber 1995.

[5] Adunka, F.: Beeinflussung derMessrichtigkeit von Durch-flusssensoren durch gestörteGeschwindigkeitsverteilungen.Beitrag im PTB-Bericht: Mes-sung thermischer Energie fürden industriellen Bereich; Vor-träge des 154. PTB-Seminars inBerlin-Charlottenburg, ISBN-3-89701-634-6, November 2000

[6] Adunka, F.: Beeinflussung vonDurchflusssensoren von Wär-mezählern durch gestörte Ge-schwindigkeitsverteilungen inRohrleitungen. 11. Gala-Fachta-gung: Lasermethoden in derStrömungstechnik, 9. bis 11.September 2003, Braunschweig.

[7] Adunka, F.: Installation effectsat flow sensors of water meters.The 2nd Middle East MetrologyConference and Exhibition,Bahrain, 10-12 May 2004.

[8] Adunka, F.: Installationseffektebei Wasserzählern. 12. Gala-Fachtagung: Lasermethodenin der Strömungsmesstechnik,7.-9. September 2004, Karlsru-he.

[9] Adunka, F.; Lederer, T.; Mathies,N.; Rodrigues, D.: Installations-effekte bei Wasserzählern. 13.Gala-Fachtagung: Lasermetho-den in der Strömungsmess-technik, 6.-8. September 2005,Cottbus.

[10] Adunka, F.: Ein Modell für denWarmwasser-Flügelradzähler.Technisches Messen tm12(1982), S 453 ff.

[11] Adunka, F.; Kolaczia,W.: ZurFehlerkurve der Flügelradzäh-ler bei Flüssigkeiten mit hoherViskosität, Fernwärme interna-tional FWI-13(1984), H. 6, S.329 ff.

[12] Lohmann, H.: Einfluss vonSchiebern auf die Anzeige vonWoltman-Wassermessern. DasGas- und Wasserfach, 77(1934),Nr. 22, S. 384-388.

[13] Kalkhof, H. G.: ExperimentelleErmittlung des Einflusses vonQuerschnittsänderungen,Krümmern und Absperrschie-bern in der Rohrleitung auf dasmesstechnische Verhalten vonWoltmanzählern, gwf/abwas-ser 116(1975), H. 3, S. 117-121.

�



Bild 20. Fehlerkurven des betrachteten Vortexzählers für LE ≤ 50 · D

Bild 21. Ausgangsströmung unmittelbar hinter einem Woltmanzähler derBauart WP, Nenndurchfluss qp = 15 m3/h, aktueller Durchfluss: 30 m3/h. va ist die axiale Geschwindigkeitskomponente, vz die zirkulareGeschwindigkeitskomponente, die mit dem Drall verbunden ist

[email protected]

[email protected]

www.metrologie.at

www.ptb.de

0

0,5

8677.20

%

0

–0,5

10 000 20 000 30 000l/hQ

HKH, LE = 25 D

HKH, LE = 50 D

–1,0

–1,5

F

ungestörte Einlaufstrecke

–1–25

5

25

8677.21

4m/s

0 mm

3

2

1

0

x–20 –15 –10 –5 5 10 15 20

va; vz

zirkulare Geschwindigkeit vz

achsiale Geschwindigkeit va

Prof. F. Adunka, Vienna, AustriaProf. F. Adunka, Vienna, Austria

Project 854 (2004)Project 854 (2004)Project 854 (2004)

EUROMETEUROMET--meeting in Bratislava, March 2004 meeting in Bratislava, March 2004 22

Background ...Background ...

With heat meters there are measured heat consumptions of colossal dimensions. Special in Austria (8 Million inhabitants) the amount of measuredmeasured heat is from the order 6 6 10109 9 ((billion)billion) EuroEuro

Very important is the accuracy of heat consumption:

1 % measurement uncertainty gives in Austria an uncertainty of ~

600600 mmillionillion EuroEuro


In future we need flow sensors of heat meters/water meters with a class acuracy of

±± 1 %.1 %.

Is this possible?Is this possible?

Yes, at the test rigtest rig, but from what order are the installation effectsinstallation effects?


Analysing the problem...Analysing the problem...

We start a first project in 1995: Experimental measuring of

influences on the error curve (1. part of the project) closed closed publishedpublished

and

measurements of the flow profiles after a disturbance at the place of mounting the meters by a LDLDAA-system (2nd part of the project)

Start of the project: summer 2003


Typical disturbance Typical disturbance –– ball valveball valve

Ball valve, partially openedBall valve, partially opened flow sensorflow sensor

Smoothing length in units of D


Typical flow disturbancesTypical flow disturbances

LALE

Kugelhahn, halb geöffnet

90°-Bogen

LALE

LRB =30 D

LALE

LRB =30 D

Raumkrümmer

Reduzierung der Rohrnennweite um eine Dimension

LALE

DN 25 DN 25DN 20 DN 20

Strömungsrichtung

Ball valve, partially Ball valve, partially openedopened

Elbow (90Elbow (90°°))

Dubble elbow Dubble elbow (2 (2 ×× 9090°°

Diffusor,Diffusor,

ConfusorConfusor


Example: Winged wheel type water meter, multiple jetExample: Winged wheel type water meter, multiple jet


ExampleExample:: WoltmanWoltman metemeterr, t, typeype WPWP

DisturbanceDisturbance

Deformation of the profile

Flow directionFlow direction


half opened ball valve (KH), depending of smoothing lengthhalf opened ball valve (KH), depending of smoothing length


View of the LDV systemView of the LDV system

In 2003 a LDV system was purchasedIn 2003 a LDV system was purchased

We used three windows chambers: DN 100, DN 40 from PTB.We used three windows chambers: DN 100, DN 40 from PTB.DN 50 is selfbuilded in BEVDN 50 is selfbuilded in BEV


Some teststests at DN 40:

Ball valve, partially openedBall valve, partially opened

Diffusor/confuserDiffusor/confuser

Straightener as disturbanceStraightener as disturbance

Narrowing a pipe Narrowing a pipe

Orifice plateOrifice plate....


Some pictures of used disturbancesSome pictures of used disturbances

straightener (Mitsubishi) ball valve ½-open pipe in pipe: DN 40 → DN 50

diffusor 100 mm

→ 107,1 mm straightener and ball valve orifice plate


Influence of ball valves on the profil, horizontal directionInfluence of ball valves on the profil, horizontal direction

Messserie 3Messung 36/31/33/37/39

240/30, N = 20.000horizontal

1/2-geöffneter KH+X D vor FK

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

-0,21 -0,14 -0,07 0 0,07 0,14 0,21

x in dm

v in m/s

M36,2,3DM31, 5,8DM33, 11,6DM37, 23,2DM39, 46,4DM41,58D

Influence decrease with smoothing length LE:

58 D58 D

2,3 D2,3 D


Influence of ball valves on the profil, vertical directionInfluence of ball valves on the profil, vertical direction

Messserie 3Messung 35/32/34/38/40

240/30, N = 20.000vertikal

1/2-geöffneter KH+X D vor FK

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

-0,21 -0,14 -0,07 0 0,07 0,14 0,21

x in dm

v in m/s

M35,2,3DM32, 5,8DM34, 11,6DM38,23,2DM40, 46,4DM42, 58D

2,3 D2,3 D

58 D, full developed58 D, full developed


Influence of a confusor DN 50 to DN 40 (50,0 mm to 43, 1mm)Influence of a confusor DN 50 to DN 40 (50,0 mm to 43, 1mm)



Actuation of the profil by a confusorActuation of the profil by a confusor

ConfusorDN 50 DN 40

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

-0,21 -0,18 -0,15 -0,12 -0,09 -0,06 -0,03 0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21

x in dm

vin m/s

Messwerte M1,0DMesswerte M2,0DMesswerte M4,5,8DMesswerte M5,17,4DMesswerte M3,2,3DMesswerte M9-23,2 DDia-M1,0DDia-M2,0DDia-M3,2,3DDia-M4,5,8DDia-M5,17,4DDia-M8,11,6DDia-M9,23,2DMesswerte M8-11,6D

17,4 D5,8 D

2,3 D

0 D0 D

23,2 D11,6 D

Influence decrease with smoothing length LE:


DiffuserDiffuser



Actuation of the profile by a diffusor DN 32 Actuation of the profile by a diffusor DN 32 DN 40DN 40

Messserie 3Messung 50-59

240/30, N = 20.000horizontal

Diffusor DN 32-DN 40+L E vor FK

2,5

2,7

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

3,9

4,1

4,3

4,5

4,7

4,9

-0,21 -0,18 -0,15 -0,12 -0,09 -0,06 -0,03 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21

x in dm

v in m/s

0 D2,3 D5,8 D8,1 D11,6 D23,2 D46,4 D34,8 D

DN 32: 32,1 mm

DN 40: 43, 1mm

Undisturbed profileUndisturbed profileInfluence decrease with

smoothing length LE:up to 11, D and than increase up

to 46,4 D


Straightener as disturberStraightener as disturber


Straightener and ball valve partially openedStraightener and ball valve partially opened

2,5

3

3,5

4

4,5

-0,21 -0,18 -0,15 -0,12 -0,09 -0,06 -0,03 0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21

x in dm

v in m/s

M 16=5,8DM17=11,6DM20=23,2DM23=46,4DM30=ungestört

L B L E

Strömungsrichtung: Q

Gleichrichter


And further measurements ....And further measurements ....

GALA 2004 GALA 2004 (LDA(LDA--meeting, Karlsruhe, Sept. 04) meeting, Karlsruhe, Sept. 04)

EUROMET EUROMET

flow meeting 2005flow meeting 2005




current research activitiescurrent research activities

(1) Measurement of flow profiles after disturbances

First part of the project is closed: flow profiles in axial direFirst part of the project is closed: flow profiles in axial directionction

you can get the result at diameters DN 40 and DN 50you can get the result at diameters DN 40 and DN 50

Measurement of flow profile for smoothing length greather than 9Measurement of flow profile for smoothing length greather than 90 D 0 D are performed in the PTBare performed in the PTB--IB IB result: no typical influencesresult: no typical influences

Second part: Second part: flow profiles in vertical direction: starts nowflow profiles in vertical direction: starts now

(2)(2) Measurement of disturbances caused by the test rigsMeasurement of disturbances caused by the test rigs

What is an accomplished flow profile?What is an accomplished flow profile?

How to construct the test rig in order to avoid disturbances in How to construct the test rig in order to avoid disturbances in flow?flow?

See also the lecture of See also the lecture of Alfons Witt / arcsAlfons Witt / arcs


first results on winged wheel type water meters first results on winged wheel type water meters –– Qn 10Qn 10

MehrstrahlMehrstrahl--FlFlüügelradzgelradzäählerhler

QnQn 10,10, HyHy

LLBB = 5,8 D= 5,8 D

Confusor Confusor

DN 40 DN 40 DN 50DN 50

LLii = 3,5 D = 3,5 D ≡≡ 0 D per0 D per defdef..

QQ


DNDN 4040––QnQn 10 ... 10 ... partially open ball valve partially open ball valve –– smoothing lengthsmoothing length


error shift with respect to a smoothing length of 60,8 D (ball verror shift with respect to a smoothing length of 60,8 D (ball valve)alve)


influence of an orifice plate x D at inlet of the meterinfluence of an orifice plate x D at inlet of the meter


error shift error shift -- smoothing length of inlet of the meter (orifice plate)smoothing length of inlet of the meter (orifice plate)


old arrangement at test rigold arrangement at test rig

Anordnung am Prüfstand.doc

straightener

≈ 1000 2610 500

390

128 124

Di = 27.5∅heated pipe Di = 24.8∅

pipe (length adjustable)

flow direction

EUROMET-project 669

DN 150

4510


New arrangement at test rigNew arrangement at test rig

390

flow direction

DN 40

23 D (DN 40)

carrier holes

quarter cycle nozzle ball valve150 mm∅.. 40 mm∅


quarter cycle nozzle: DN 150 quarter cycle nozzle: DN 150 →→ DN 40 (bzw. DN 50)DN 40 (bzw. DN 50)


DN 40DN 40––Qn 10 ... partially open ball valve Qn 10 ... partially open ball valve –– smoothing lengthsmoothing length


compare left: old inlet arrangement /right: new arrangementcompare left: old inlet arrangement /right: new arrangement


Next question: is there a swirl in flow?Next question: is there a swirl in flow?

We test this with a special swirl sensor, mounted in a tube

flow directionflow direction

Result: There is no swirl in the Result: There is no swirl in the unundisturbed disturbed flowflow

in case of swirl: in case of swirl:

turbine rotateturbine rotate

winged wheel


future worksfuture works

(1)(1) Influences of disturbed profiles on water meters like ...Influences of disturbed profiles on water meters like ...turbine meters, ultrasonic meters (some types), MIDturbine meters, ultrasonic meters (some types), MID

is just in progressis just in progress

(2)(2) We will improve the connections between pipes We will improve the connections between pipes and investigate the resultsand investigate the resultsconstruct all pipes withconstruct all pipes with carrier holes to avoid fluid shocks at junctionscarrier holes to avoid fluid shocks at junctions

!! This is a research project !! This is a research project

joint with PTB !!joint with PTB !!


EUROMETEUROMET meetingmeeting inin LisboaLisboa, Portugal, Portugal



Works in Works in progressprogress -- disturbances disturbances

Measurement of flow profiles after disturbances

FirstFirst partpart ofof the project is closedthe project is closed:: flow profilesflow profiles in in axialaxial directiondirection;; for diametersfor diameters DN 40 and DN 50 DN 40 and DN 50 ––see thesee the lastlast presentationpresentation in Thessalonikiin Thessaloniki

MeasurementsMeasurements ofof flow profile for smoothing length flow profile for smoothing length greather thangreather than 90 D90 D were carriedwere carried out at PTBout at PTB--IB IB resultresult: : nono typical influencestypical influences

SecondSecond partpart:: flow profilesflow profiles ofof spinsspins –– inin progressprogress


Current research activitiesCurrent research activities

MeasurementMeasurement ofof disturbances caused by thedisturbances caused by the testtestrigsrigs

What isWhat is a a fully developed flow profilefully developed flow profile??

HowHow toto construct theconstruct the testtest rigrig in order toin order to avoid avoid disturbancesdisturbances inin flowflow??

See alsoSee also the lecturethe lecture of of Alfons Witt /Alfons Witt / arcsarcs


Typical arrangementTypical arrangement

multiplemultiple winged wheel type winged wheel type water meter Qnwater meter Qn 1010

LLBB = 5,8 D= 5,8 D

Typical confusor Typical confusor

DN 40 DN 40 DN 50DN 50

LLii = 3,5 D = 3,5 D ≡≡ 0 D per 0 D per defdef..

QQ


Error Error shiftshift ∆∆FF of a of a winged wheel meterwinged wheel meter (DN 40)(DN 40)

∆∆FF = 0 at = 0 at LLEE = 60 D= 60 D

500 l/h

12.000 l/h

20.000 l/h


old design of test old design of test rig with confusorrig with confusor

Anordnung am Prüfstand.doc

straightener

≈ 1000 2610 500

390

128 124

Di = 27.5∅heated pipe Di = 24.8∅

pipe (length adjustable)

flow direction

EUROMET-project 669

DN 150

4510


New design of test New design of test rig quarter cycle nozzle rig quarter cycle nozzle and and straightenerstraightenerquarter cycle nozzle butterfly valve instead of a ball valve150 mm∅.. 40 mm

390

flow direction

DN 40 or DN 50

23 D (DN 40)

carrier holes

straightener


AA new straightener before the nozzlenew straightener before the nozzle

To avoid swirls inthe flow area we use a straightener upstream of the nozzle

designed byAlfons Witt


mounting the straightenermounting the straightener inin thethe testtest rigrig


Quarter cycle nozzleQuarter cycle nozzle

DN 150 DN 150 →→ DN 40 DN 40 (resp. DN 50)(resp. DN 50)


VelocityVelocity profiles afterprofiles after aa quarter cycle nozzlequarter cycle nozzle

2,5

3

3,5

4

4,5

5

-27 -18 -9 0 9 18 27

r in mm

v xin m/s

achsial 0 Dachsial 2 Dachsial 10 Dachsial 20 Dachsial 5 Dachsial 30 Dachsial 40 Dachsial 50 Dachsial 60 DPolynomisch (achsial 50 D)Polynomisch (achsial 40 D)Polynomisch (achsial 30 D)Polynomisch (achsial 20 D)Polynomisch (achsial 10 D)Polynomisch (achsial 5 D)Polynomisch (achsial 2 D)Polynomisch (achsial 0 D)Polynomisch (achsial 60 D)

Undisturbed profiles after a quarter cycle nozzle in units of "D"

0 D

2

10 D5 D

20 D30 D

40 D50 D

60 D


partially openpartially open ball ball valvevalve –– dependence dependence of of curve curve on on smoothing lengthsmoothing length


Arrangement of Arrangement of measurementsmeasurements

LE

smoothing length

KugelhahnKugelhahn

3.5 D

LDALDA--EbeneEbene

Fensterkammer


Test ofTest of Woltman metersWoltman meters, , typetype WPWP

QuestionsQuestions:: InfluenceInfluence of of distance distance between between quarter cycle nozzle quarter cycle nozzle and and the meterthe meter? ?

InletInlet tube tube isis notnotdisturbeddisturbed


Errors Errors against reference curveagainst reference curve at at LLE E = 60 D= 60 D

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000

Q in L/h

∆F in %

LE = 50 DLE = 40 DLE = 20 DLE = 10 DLE = 5 DLE = 2 DLE = 0 D

∆F gegen Mittel aller Messungen von L E ≤ 60 D

0 D

5 D

2 D

10 D

20 D

50 D

40 D

Different Different curves curves ≡≡ different different LLEE


InfluenceInfluence of a halfof a half openedopened ballball valvevalve

-5

5

15

25

35

1.000 10.000 100.000

Q in l/h

∆ F in %

KH, 0 DKH, 2 DKH, 5 DKH, 10 DKH, 20 DKH, 30 DKH, 40 DKH, 50 DKH, 60 Dungestört, 60 Dungestört, 60 D, 2ungestört, 60 D, 3

Störung: HLHDifferenz-Fehlerkurven gegenüber ungestörtem Zustand (L E = Mittel aus 60 D), September 2005

t = 35 °CWP-Qn 15; Nr.: 95516 33-0 (Sensus)

um + 1 % verschoben

LE = 0 D

LE = 2 DLE = 5 D


Elbows before the meterElbows before the meter typetype WPWP

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

1.000 10.000 100.000

Q in L/h

∆ F in %

UL, 0 DUL, 2 DUL, 5 DUL, 10 DUL, 20 DUL, 30 DUL, 40 DUL, 50 DUL, 60 D

Störung: Umlenkung (UL)Differenz-Fehlerkurven gegenüber ungestörtem

Zustand (L E = Mittel aus 60 D), Oktober 2005t = 35 °C

WP-Qn 15; Nr.: 95516 33-0 (Sensus)

LE = 0 D

LE = 2 D

LE = 5 D

LE = 10 D


Velocity Velocity profilesprofiles atat meter typemeter type WP WP outletoutlet

Messserie 5 (Sommer 2005)Ausgangsströmung nach WP 15, Sensus

Q = 30.000 l/hM6: achsiale Geschwindigkeitsverteilung

M7: Radialgeschwindigkeit600 s/30 s; Hi = 10.000 kHz/Lo = 1.000 kHz240 s/30 s; Hi = 10.000 kHz/Lo = 1.000 kHz

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

r in mm

v xin m/s

M6-achsial

M7-radial

Polynomisch (M7-radial)

Polynomisch (M6-achsial)

Axial velocity profile at meter outlet

spin velocity profile at meter outlet


Elbows before the meterElbows before the meter type type WSWS

-2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

100 1.000 10.000 100.000

Q in L/h

∆ F in %

LE = 0 DLE = 2 DLE = 5 DLE = 10 DLE = 20 DLE = 30 DLE = 40 DLE = 50 DLE = 60 D

Fehlerkurvenverschiebung nach Umlenkung

mittlerer Differenzfehler als Funktion von L E

gegen den Mittelwert aller L E = 60 D-Messungen, Anschlüsse zentriert

t = 35 °C; WS-Qn 15; Nr.: 955 2077-04Q krit = 237 l/h

10 D 40 D

2 D

20 D

5 D

60 D

0 D

50 D

30 D


future worksfuture works

(1)(1) InfluencesInfluences ofof disturbed profilesdisturbed profiles onon water meters likewater meters like ......……..

ultrasonic metersultrasonic meters ((some typessome types), ), MAGsMAGs in in progressprogress

(2)(2) improvementimprovement ofof the connections between pipesthe connections between pipes and and metersmeters; ; investigations investigations of of the resultsthe resultsconstructconstruct allall pipes withpipes with carrier holescarrier holes toto avoid fluid shocksavoid fluid shocks atat junctionsjunctions

(3)(3) InfluenceInfluence ofof spinspin onon metersmeters




SubjectSubject

Influence Influence of of the input configuration the input configuration on on the error the error characteristiccharacteristic of a of a metermeter (DN 50)(DN 50)

InfluenceInfluence of of the input configurationthe input configuration onon the profile the profile of of the the tube tube flowflow (DN 50)(DN 50)

InfluenceInfluence of a of a straightener with referencestraightener with reference to EN 1434 to EN 1434 on on the profilethe profile of of thethe tube tube flow flow and on and on the error the error

characteristic characteristic of a of a metermeter

Investigations of


InstallationInstallation configurationconfiguration of of the meters the meters


Undisturbed flow Undisturbed flow in in xx D D from the input from the input arrangement, free of arrangement, free of swirlswirl


An An otherother viewview

The meter The meter underunder testtest


Input Input configurationconfiguration




SchematicSchematic arrangementarrangement of of teststests on on metersmeters


a a „„conecone““ or or a QCN a QCN or or ......

20 D20 D 20 D20 D 20 D20 D DN 150DN 150

DN 150DN 150


a a „„conecone““ or or a QCN a QCN or or ......2 D2 D

Smoothing lengthSmoothing length: : 60 D60 D



SchematicSchematic arrangementarrangement of of the profile measurementthe profile measurement

20 D20 D 20 D20 D 20 D20 D DN 150DN 150


a a „„conecone““ or or a QCN a QCN or or ......Smoothing lengthSmoothing length: : 60 D60 D

Smoothing lengthSmoothing length: : 2 D2 DDN 150DN 150


aa „„conecone““ or or a QCN a QCN or or ......2 D2 D

Windows Windows chamberchamber

Windows Windows chamberchamber


Meter under testMeter under test

type WPtype WP type WStype WS


Profiles of the two types of turbine metersProfiles of the two types of turbine meters

type WPtype WP type WStype WS


Limits for deviation from undisturbed curveLimits for deviation from undisturbed curve

Typical maximum permissible errors: Typical maximum permissible errors: FMPE == ±± 3 %3 %

Permissible errors of influences: Permissible errors of influences: Finf = FMPE/10 == ±± 0,3 %0,3 %

We choose:We choose:


UncertaintiesUncertainties

Each measurement point showed is a Each measurement point showed is a mean of ten repeated measurementsmean of ten repeated measurements

The uncertainty is typical: < 0,1 %The uncertainty is typical: < 0,1 %


First arrangement:

QUARTER CYCLE NOZZLE

First First arrangementarrangement::

QUARTER CYCLE NOZZLEQUARTER CYCLE NOZZLE


Geometry Geometry of of the input arrangementthe input arrangement QCNQCN

113 mm

2,3 D

iinnppuutt ccoonnffiigguurraattiioonn::

qquuaarrtteerr ccyyccllee nnoozzzzllee 16

5

75

280

r = 50

20

18

ffllooww--

ddiirreeccttiioonn


Flow profiles applied Flow profiles applied to to LLEE = 60 D = 60 D after after a QCNa QCN

m/sm/s


Change of Change of the error characteristic the error characteristic of of typetype WPWP

10 % of 10 % of thethe maximum maximum permissible error (3 %)permissible error (3 %)


Change of Change of the error characteristicthe error characteristic of of typetype WSWS

600 l/h = 4 % of 600 l/h = 4 % of qqp

10 % of 10 % of thethe maximum maximum permissible error (3 %)permissible error (3 %)


ResumeResume::

Woltman meter type WP:WP:For ∆F < FMPE/10: LE > 25 D

Woltman meter type WS:WS:For ∆F < FMPE/10: LE > 35 D


Second Second arrangementarrangement::

EDGELESS TUBEEDGELESS TUBE


GeometryGeometry of of the input arrangementthe input arrangement: : edgeless edgeless tubetube

150 mm = 3 D

arrangement: edgless tube

flow direction


Flow profiles appliedFlow profiles applied to to LLEE = 60 D = 60 D afterafter an an edgeless edgeless tubetube

m/sm/s


Change of Change of the error characteristicthe error characteristic of of typetype WPWP



600 l/h600 l/h


ResumeResume::


Woltman meter type WS:WS:For ∆F < FMPE/10: LE > 12 D

without qmin = 600 l/h


Third arrangementThird arrangement::

TUBE PLUGGED INTUBE PLUGGED IN


GeometryGeometry of of the input arrangementthe input arrangement: tube: tube pluggedplugged inin

150 mm= 3 D

arrangement:inserted tube

100 mm= 2 D

flow

direction


Flow profiles appliedFlow profiles applied to to LLEE = 60 D = 60 D afterafter an tubean tube pluggedplugged inin

m/sm/s


Change of Change of the error characteristicthe error characteristic of of typetype WPWP




ResumeResume


Woltman meter type WS: WS: For ∆F < FMPE/10: LE > 10 D


Fourth arrangementFourth arrangement::

CONE CONE with with DDminmin = 60 D= 60 D


Input Input arrangementarrangement: : conecone

150 mm= 3 D

input configuration„cone“

di = 60 ∅

flow

direction

di = 50 ∅

stepstep inindiameterdiameter


Change ofChange of the error characteristicthe error characteristic ofof typetype WPWP

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

0 10 20 30 40 50 60

L E in D

∆ Fgegen 60 D in %

Q = 30.000 l/hQ = 15.000 l/hQ = 10.000 l/hQ = 5.000 l/hQ = 2.500 l/h+FE/10-FE/10

Konus WPungestört


Change ofChange of the error characteristicthe error characteristic ofof typetype WSWS

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

0 10 20 30 40 50 60

L E in D

∆ Fgegen 60 D in %

Q = 30.000 l/hQ = 15.000 l/hQ = 10.000 l/hQ = 5.000 l/hQ = 2.500 l/hQ = 1.500 l/hQ = 600 l/h+FE/10-FE/10

Konus WSungestört


ResumeResume


Woltman meter type WS: WS: For ∆F < FMPE/10: LE > 5 D


Resume of all input configurationsResume of all input configurations

5 D10 D12 D35 DWS

20 D5 D8 D25 DWP

ConeTube plugged in

Edgeless tube

Quarter cycle nozzle

Metertype


Special Special chapterschapters

INFLUENCE OF A STRAIGHTENERINFLUENCE OF A STRAIGHTENER


Straightener Straightener ((referencereference: EN 1434 .. : EN 1434 .. Heat metersHeat meters))


Straightener Straightener in in the pipethe pipe


SchematicSchematic arrangementarrangement of a of a straightenerstraightener

DN 150DN 150

Input Input arrangementarrangement

a a „„conecone““ or or a QCN a QCN or or ......Smoothing lengthSmoothing length: : 60 D60 D


20 D20 D 20 D20 D 20 D20 D

DN 150DN 150

Input Input arrangementarrangement

a a „„conecone““ or or a QCN a QCN or or ......

2 D2 D

ProfileProfile

error error curvecurve


Woltman meter typeWoltman meter type WSWS

meter type WS, input meter type WS, input arrangement:edgeless tubearrangement:edgeless tube


Straightener after inputStraightener after input QCN: distance QCN: distance LLEE from thefrom the WSWS

meter type WS, input meter type WS, input arrangement: quarter cycle arrangement: quarter cycle

nozzlenozzle


SummarySummary

QuestionQuestion:: How much is theHow much is the minimalminimal uncertaintyuncertainty inindynamic water flow measurementdynamic water flow measurement??

Some sourcesSome sources ofof influencesinfluences::

Measurement uncertaintyMeasurement uncertainty: in best: in best casescases <0,03 %<0,03 %

hydraulic influences caused byhydraulic influences caused by

installation configurationinstallation configuration of of the meterthe meter

input arrangementinput arrangement of of the the test test rigrig

flow profilesflow profiles atat installationinstallation ofof the meter underthe meter under testtest


SummarySummary

In the moment: minimum uncertainty In the moment: minimum uncertainty for water for water measurements measurements not smaller than 0,1 %not smaller than 0,1 %

I think: in future there is something to I think: in future there is something to do for the do for the researchersresearchers

Documents

Project 854 (alle) - EURAMET · len. Für die späteren Untersuchun-gen wurden Zwischenstücke gefer-tigt, die den Übergang vom Norm-Innendurchmesser der Rohre auf den Flansch-Innendurchmesser