LASER-optisches Normal für Heißwasser-Durchfluss
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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: [email protected]
www.ptb.de