Einfluss von Gasbegleitstoffen auf die Mess- und Regeltechnik

Dr. Klaus Steiner

Gedankenexperiment zur Messung

• Aufgabe: Alle Anwesenden messen den Durchmesser des Balls mit einem Lineal. • Frage: Wie sieht das Ergebnis aus?

Gedankenexperiment zur Messung

• Aufgabe: Alle Anwesenden messen den Durchmesser des Balls mit einem Lineal. • Frage: Wie sieht das Ergebnis aus? Die Messergebnisse streuen um einen

Mittelwert.

Häu

figke

it de

sM

esse

rgeb

niss

es

Messwert

Mittelwert

Gedankenexperiment zur Messung

• Aufgabe: Alle Anwesenden messen den Durchmesser des Balls mit einem Lineal. • Die Messergebnisse sind normalverteilt. Der Mittelwert weicht vom „wahren“ Wert

ab, der praktisch durch das Prüfstandsnormal gegeben ist.

Häu

figke

it de

sM

esse

rgeb

niss

es

Mittelwert„wahrer“ Wert

Messwert

Gedankenexperiment zur Messung

• Aufgabe: Alle Anwesenden messen den Durchmesser des Balls mit einem Lineal. • zufällige Messabweichung fz = Einzelwert - Mittelwert

systematische Messabweichung fs = „wahrer“ Wert - Mittelwert

Häu

figke

it de

sM

esse

rgeb

niss

es

Mittelwert

Einzelwert

„wahrer“ Wert

fzfs

Messwert

Gedankenexperiment zur Messung

• Aufgabe: Alle Anwesenden messen den Durchmesser des Balls mit einem Lineal. • Die Standardabweichung s ist ein Maß für die Streuung der Einzelwerte.• 68, 95 bzw. 99 % der Messwerte liegen innerhalb von s, 2s bzw. 3s. • Messunsicherheit U: Messwert liegt mit 95 % Wahrscheinlichkeit innerhalb der

doppelten Standardabweichung 2s um den Mittelwert.

Häu

figke

it de

sM

esse

rgeb

niss

es

Mittelwert

Einzelwert

„wahrer“ Wert

Messwert

fs fz

2s2s

Messabweichung und –unsicherheit von Gaszählern

• Blaue Kurve zeigt Messabweichungen während der Eichung/Kalibrierung • Rote Punkte zeigen Streuungen von Wiederholungsmessungen eines USZ • Messabweichung f ≈ (Mess-) Genauigkeit; Messunsicherheit U ≈ (Mess-) Präzision

genau &präzise

genau &unpräzise

ungenau &präzise

ungenau &unpräzise

±U1 ±U2

Mes

sabw

eich

ung

f [%

]

Messabweichung und –unsicherheit im Eichschein

• Angaben zu Messabweichungen und Messunsicherheiten bei der Eichung des Gaszählers können dem Eichschein entnommen werden.

Quelle: PTB-Prüfregel Band 30

Messabweichung(früher Messfehler)

Messunsicherheit U

Hinweis zur doppeltenStandardabweichung

Prüfdurchfluss /Betriebsfluss

Gasarteneinfluss

• Welchen Einfluss hat die Gasartenänderung auf die Mess- und Regeltechnik?

10

11

12

13

14

15

16

0 5 10 15 20 25 30

Hol

land

Wes

er/E

ms

H-Gas H-Gas + 10% H2 L-GasR

ussl

and

Nor

dsee

Dän

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kB

ioer

dgas

Bio

erdg

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PG

Lybi

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dgas

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Nig

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LN

GÄ

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en L

NG

Bre

nnw

ert [

kWh/

m³]

Wob

be In

dex

[kW

h/m

³]

Quelle: Open Grid Europe, Erdgaswerte 2016; Gasqualitäten im veränderten Energiemarkt, DIV-Verlag, München, 2014; G 260

Bre

nnw

ertb

erei

ch

G260

Wob

be H

-Gas

Wob

be L

-Gas

Volumetrische Metrologie H2-reicher Erdgase

• H2-induzierte systematische Messabweichungen von Erdgaszählern beivol. H2-Anteilen < 10% sind gering aber feststellbar.

Zähler 1: USZ

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Gesamt-Volumenstrom QB [m³/h]

Mes

sabw

eich

ung

F [%

]

Basis 30bar 0% H2 2,5% H2

5% H2 7,5% H2 10% H2

Zähler 2: TRZ

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Gesamt-Volumenstrom Q B [m³/h]M

essa

bwei

chun

g F

[%]

Basis 30bar 0% H2 2,5% H2

5% H2 7,5% H2 10% H2

Quelle: Dr. Klaus Steiner u.a.: gwf-Gas/Erdgas, 5(2013) 344-347

Messabweichungen bei der Messung von CO2

• Deutliche druck- und gasartabhängige systematische Messabweichungen vonErdgaszählern bei der Messung von gasförmigem CO2.

Quelle: Dr. Klaus Steiner u.a.:gwf-Gas/Erdgas, 12(2012) 968-971

pigsarTM Measurement Standard SN 10508684 Turbine Meter

-2,5-2,0-1,5-1,0-0,50,00,51,01,52,02,5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000Flowrate [m³/h]

Erro

r[%

]

pigsar30.09.2011 25 bar

Terasen CO24.8 bar

Terasen CO216.5 bar

pigsar05.12.2011 25 bar

pigsarTM Measurement Standard SN 10508684 Turbine Meter

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

10.000 100.000 1.000.000 10.000.000Reynolds Number (Re)

Erro

r [%

]

pigsar30.09.2011 25 barTerasen CO24.8 bar

Terasen CO216.6 bar

pigsar05.12.2011 25 barAir Silvolde2007

PTB-2008-package

Durchflussdiagramme eines ELSTER Reglers*

• Gasartenabhängige Durchflusskoeffizienten verursachen gasspezifische Leistungsdaten

* MitteldruckreglerQuelle: Dr. Harald Dornauf: Gasdruckegelung, Verlag Moderne Industrie, Landsberg, 1995

Messunsicherheiten

• Messunsicherheiten werden durch instabile Störgrößen verursacht wie z.B.: Drall, Schwingungen, Wirbel, Schall, Druckentspannung, Rohrrauigkeit, Korrosion und gestörte Strömungen

Bildquelle: Wirbelstraße von ELSTER-Instromet, Strömungssimulation Dr. Schmücker, E.ON Ruhrgas

Gasgeschwindigkeitm/s

45 mm

10 mm

Vorstörungen

• Vorstörungen vergrößern Messabweichungen und Messunsicherheiten• 8-Pfad USZ, Vermeidung von Bögen, Raumkrümmer, Hindernisse in

Rohrleitungen oder angepasste Einlauflängen begrenzen den Einfluss von Vorstörungen

Bildquelle: Honeywell Journal; Kundenmagazin 1/2017, S. 3-5

Gasdruckregel- und Messanlagen

• Messabweichung und Messunsicherheiten in Gasdruckregel- und Messanlagen müssen mit den Rechenregeln der Fehlerfortpflanzung aus den Einzelbeiträgen berechnet werden*.

* z.B.: Dr. Klaus Steiner, Messunsicherheiten in Gasmessanlagen, gwf Gas + Energie, 7-8 (2017) 48-56

Vb

Tb pb

Gasbeschaffen-heitsmessung

nb

bnbn pT

pTK

VV

1

E = Vn · Hs

cpTfZZK

n

b ,,

Zustandsmengen-umwertung

Energiemenge

Druck- und/oderMengenregler

MID-Zähler

Einfluss von Gasbegleitstoffen auf die Mess- und Regeltechnik

16

Dr. Klaus Steiner

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