FH D Fachhochschule Düsseldorf Maschinenbau und Verfahrenstechnik Volumenstrommessverfahren (mit...

FH DFachhochschule DüsseldorfMaschinenbau und Verfahrenstechnik

Volumenstrommessverfahren (mit praktischer Vorführung im Labor)

Frank Kameier Strömungsmechanik, HdT Essen, 15./16.06.2009

Professor Dr.-Ing. Frank Kameier

• Strömungsgeschwindigkeitsmessung - Prandtlsches Staurohr

- Anemometer (Halbschalen / Ultraschall) • Integrale Messverfahren zur Volumenstrombestimmung:

- Ultraschallverfahren - Einlaufdüse (Wirbelfadendüse)- Blende- Venturidüse- Wirbelfrequenzzähler



Beispiel: Prandtlsches Staurohr

2

cp

2

cp 222

211

0

31 ppp

121

pp2c

2 =Staupunkt (c=0)



Druckverlauf entlang des Prandtlschen Staurohrs

aus: Schade/Kunz, 1989.



Prandtlsches Staurohr in kompressibler Strömung

aus: Schade/Kunz, 1989.



AdcV

2

0

R

0

ddrrdA

R

0

drr)r(c2V

[m] [m/s]Radius c(r)

1 0.00000 19.58 0.000901172 0.00383 19.53 0.002684843 0.00766 19.31 0.004445934 0.01149 19.28 0.005777515 0.01532 16.54 0.003635316 0.01915 0.99 0.000250937 0.02298 0 08 0.017696 q_v [m^3/s]

10.67 c[m/s]

32681.8 Reynolds-Zahl"=turbulente Strömung da >3000"

0

5

10

15

20

25

0.00000 0.00500 0.01000 0.01500 0.02000 0.02500

Radius [m]

Str

öm

un

gsg

esch

win

dig

keit

[m

/s]

Reihe1

geschwindigkeitsprofil181002.xls

Volumenstromberechnung aus einem Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr)



„Deutsche“ Bauart: Grundform Halbkugel

Hersteller: Thies Clima

„Dänische“ Bauart: Grundform Kegel

Hersteller: Vektor

Halbschalen- und Ultraschallanemometer für den Einsatz an Windkraftanlagen.



Berechnung des Turbulenzgrades aus der Standardabweichung der Messwerte:

n

1i

2i cc

1n

1c

Tu

Akustische Strömungsmessung: Ultraschallanemometer

Laufzeitanalyse

c

cll

l

a

Empfänger

Sender

c

Anwendung: Turbulenzmessung, Meteorologie, Windenergienutzung



Einwirkung einer turbulenten Anströmung(Turbulenzgrad ca.: 6 %)

-10

-5

0

5

10

15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

c in m/s

Ab

we

ich

un

g in

%

Friedrichs WTGMT 156

Thies WTGMT 280

Thies FH D

Ultraschall METEK

Thies WTGMT282

Friedrichs WTGMT 080_6

Vector WTGMT 501

Young Model 12102

Met One

Einwirkung einer turbulenten Anströmung(Turbulenzgrad ca.: 6 %)

-10

-5

0

5

10

15

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

c in m/s

Ab

we

ich

un

g in

%

Friedrichs WTGMT 156

Thies WTGMT 280

Thies FH D

Ultraschall METEK

Thies WTGMT282

Friedrichs WTGMT 080_6

Vector WTGMT 501

Young Model 12102

Met One

http://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/Veroeffentlichungen/veroeffentlichung_lackmann_deiss.pdf



Ablösung an einer umströmten Kugel:laminare Grenzschicht turbulente Grenzschicht

Totwasser Totwasser

U

U

A

A

A

A

SS

120°

80°U Uoo oo

Bild 5 : Kugelströmung bei laminarer und bei turbulenter Grenzschicht.

Laminare Grenzschicht von S bis A Laminare Grenzschicht von S bis U Turbulente Grenzschicht von U bis A

S Staupunkt A Ablösung

U Umschlag von laminarer in turbulente Grenzschicht

Re < Re Re > Re Kugel kritisch Kugel kritisch



VergleichHalbkugel Kegelstumpf

{Ablösebereich 10° fester Ablösepunkt



Anwendung: Geschwindigkeits- und Turbulenzprofile, Meteorologie, Windenergienutzung

Analyse der Dopplerfrequenz

Akustische Strömungsmessung: SODAR

ac

1ff 01



Geschwindigkeitsprofil

Offshore Messungen (Nov. 2001)(Frequenzen zwischen 1500 und 3000 Hz)

Akustische Strömungsmessung: SODAR



Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen

UltraschallDurchflussmessung von Fluiden mit DrosselgerätenDIN EN ISO 5167 Teil 3 (1998)



Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall:Geschwindigkeitsprofil stromab eines Saugkastens

-200 -100 0 100 200

0

5

10

15

20

25

Geschwindigkeitsprofil 0° mit Saugkasten, =0,087, =1,09, n=1600 U/min

Ultraschall Hitzdraht Blende

c[m

/s]

r[mm]

-150

-100

-50

0

50

100

150

-150-100-50050100150

05

10

15

20

25

c [m

/s]

Y [mm]

X [m

m]



l

a

Empfänger

Sender

c

c

cll

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall –Laufzeitdifferenzverfahren



Aufbau 1 Aufbau 2

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall bei stark gestörten Strömungsprofilen



Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Laufzeitdifferenzverfahren

a

l2

c²a

al2ttt

2II

II2II

II c²a

l2

c²a

cl2ttt

a

cII



Saugkasten – 200mm langes Rohr - Ultraschallaufnehmer

(Aufbau II) qv=2,8m³/s

0 90 180 270 36016

18

20

22

24

26

28

30

32

Mittelwerte

c_Bl.c_Ultra.

c [m

/s]

Saugkastenposition [°]

0 90 180 270 3600

10

20

30

40

MittelwertF

ehle

r [%

]

Saugkastenposition [°]

Volumenstrombestimmung mittels Ultraschall – Messgenauigkeit



Unter welchen Rahmenbedingungen funktioniert das Ultraschallmessverfahren mit hoher Genauigkeit:

- einzelne Messpfade dürfen keine exponierten Werte ermitteln,

- Anzahl der Messpfade muss in Relation zur Störung genügend groß sein,

- Messung besser unmittelbar stromauf von Einbauten.



-0.25 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

y[m]

u[m

/s]

Geschwindigkeitsprofil einer Wirbelfadendüse

!Wirbelfadenduesegamma=1L=1y=linspace(-0.25,0.25)u=gamma.*L./(pi*(L^2-y.^2))plot(y,u)axis([-0.3,0.3,0,0.4])xlabel('y[m]');ylabel('u[m/s]')

22 yLL

u

Druckentnahme



Einlaufdüse (Wirbelfadendüse) (DIN EN ISO 5167)

1

1

21

2 p

2

cp

2

c

mit 0c

p

2AcAV Rohr1Rohr 97,0hier



Einlaufdüse (Wirbelfadendüse) (DIN EN ISO 5167)



Einlaufdüse (FLT-Düse) (DIN EN ISO 5167)



Einlaufdüse – Airmeter für Flugzeugtriebwerke

Airmeter – Einlaufdüse zur Massenstrombestimmung eines Flugtriebwerks, Quelle: Mitarbeiterzeitung BMW Rolls-Royce, Dahlewitz, 1997.



Messblende – DIN EN ISO 5167 Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten in voll durchströmten Leitungen mit Kreisquerschnitt - Teil 2: Blenden, Ausgabe 01-2004



Messblende – DIN EN ISO 5167 - inkompressibel

p2

d4ß1

CV

1

2

4

AD

d

3,0

D

65,3

8,0

D

7,0

D

682

AA

A

Re

10

Re

190000063,00188,0

Re

10000521,0216,00261,05961,0C

eine Messgröße - (Differenzdruck)

[ m3/s ]



Messblende – DIN EN ISO 5167 - kompressibel

[ m3/s ]

[ kg/s ] p2d41

Cq 1

214m

qC

d pv

1 4

24 1

2

1

1 0 41 0 35 4

1

, ,p

p

1Blendedervor1 ppp Isentropenexponent für Luft 14,

zwei Messgrößen



blende_din_en_iso5167_030604.xls

Erforderlich ist ein turbulentes Rohrströmungsprofil mit Re16000 2

(hier: =0.8 Re>10205)

Messblende – DIN EN ISO 5167 - kompressibel



Wirbelfrequenzzähler

Wirbel-Zähler VORTY - Wirbelablösung an einem trapezförmigen Prallkörper

c

h/m4300ˆHz5,347:hier 3

Karmansche Wirbelstraße hinter einemumströmten Zylinder, vgl. Feynman (1974).

Kleine Durchsätze können nicht gemessen werden:

Remin 140000 (Herstellerangabe 20000) cmin 13 m/s (Herstellerangabe 1,9 m/s)



Venturirohr

Ansicht von hinten (Blick stromauf)

statische Druckmessung an 4 Umfangspositionen (pVenturi)



Venturirohr

.Vent2

4V p2

d41

CqV

C = 0,9858 – 0,196 ß4,5

Ansicht von hinten (Blick stromauf)

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