DE102007040970B3

DE102007040970B3 - Messverfahren und Messanordnung zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Fluids in einer Rohrleitung

Info

Publication number: DE102007040970B3
Application number: DE200710040970
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Lederer; Ulrich Dr. Müller; Michael Dr. Dues
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-08-29

Abstract

Ein Messverfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Fluids, das in einer axialen Längsrichtung durch eine Rohrleitung strömt, mit den Schritten: Bestimmen wenigstens eines Messpunktes in einer Messebene (15) der Rohrleitung, Messen der axialen Geschwindigkeit des Fluids an dem wenigstens einen Messpunkt mittels einer berührungslosen optischen Messeinrichtung (41) und Ermitteln des Volumenstroms des Fluids durch die Messebene (15) aus der gemessenen axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt, lässt sich schnell und genau durchführen, wenn der wenigstens eine Messpunkt durch die folgenden Schritte bestimmt wird: Vorgeben einer Mehrzahl von Punkten in der Messebene (15), Messen der axialen Geschwindigkeiten des Fluids an der Mehrzahl von Punkten, Vergleichen der axialen Geschwindigkeiten mit vorgegebenen Referenzverteilungen, Auswählen einer Referenzverteilung aus den Referenzverteilungen in Abhängigkeit des Vergleichs und Bestimmen des wenigstens einen Messpunktes aus der ausgewählten Referenzverteilung. Ferner wird eine Messanordnung zum Durchführen des Messverfahrens vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Fluids, das in einer axialen Längsrichtung durch eine Rohrleitung strömt, mit den Schritten des Oberbegriffs von Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft ferner eine Messanordnung zum Messen eines Volumenstroms eines Fluids in einer Rohrleitung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 11.
Fluide sind sowohl Flüssigkeiten als auch Gase. Um das Messverfahren durchführen zu können, ist es erforderlich, dass das in der Rohrleitung strömende Fluid Licht reflektierende Teilchen aufweist.
Der Volumenstrom eines Fluids in einer Rohrleitung wird mit Durchflusssensoren (DFS) gemessen.
Es gibt DFS, die in eine Rohrleitung eingesetzt und den Volumenstrom mit direktem Kontakt zu dem Fluid messen. Ein bekannter Durchflusssensor dieser Art ist der Turbinenradzähler. Das durch den Turbinenradzähler durchströmenden Fluid treibt ein Turbinenrad mit Turbinenschaufeln an, dessen Achse mit der Rohrmittelachse zusammenfällt. Die Winkelgeschwindigkeit des Turbinenrades ist ein Maß für den durch den Turbinenradzähler hindurch tretenden Volumenstrom.
Der direkte Kontakt des Turbinenradzählers mit dem Fluid stellt eine unerwünschte Störung des Fluids dar, die zu einer Ungenauigkeit der Messung des Volumenstroms führt.
Der direkte Kontakt eines DFS mit dem zu messenden Fluid lässt sich durch den Einsatz von optischen Messeinrichtungen zum berührungslosen Messen der axialen Geschwindigkeiten des Fluids vermeiden. Bekannt ist es beispielsweise, die axialen Geschwindigkeiten der Licht reflektierenden Teilchen mit Hilfe der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA bzw. LDV) einzusetzen. Ein derartiges optisches Messverfahren ist bei Wendt, Mickan, Kramer and Dopheide „Systematic investigation of pipe flows and istallation effects using laser Doppler anemometrie – Part I., Profile measurements downstream of several pipe confirgurations and flow conditioners" in Flow Meas. Instrum., Vol. 7, No. 3, 4, pp, 141–149, 1996, beschrieben. Ein optisches Messverfahren zur Messung von Geschwindigkeitsprofilen mittels LDV ist in der nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2006 039 489.5 offenbart.
Aus der US 5,982,478 sind ein gattungsgemäßes Messverfahren und eine gattungsgemäße Messanordnung bekannt. Nachteilig ist, dass entweder eine große Anzahl an Messpunkten gewählt werden muss oder aber der gemessene Volumenstrom mit einem vergleichsweise hohen Fehler behaftet ist.
Messverfahren und Messanordnungen, bei denen kein Vergleich der axialen Geschwindigkeiten mit vorgegebenen Referenzverteilungen vorgenommen wird, sind aus der WO 03/005 040 A1 , der US 6,542,226 B1 , der US 5,905,568 A und der US 4,919,535 A bekannt. Es ergeben sich hier die gleichen Nachteile wie oben beschrieben.
Nachteilig an den bekannten Verfahren zum Messen des Volumenstroms eines Fluids in einer Rohrleitung ist in anderen Worten, dass sie die realen Strömungsverhältnisse nicht berücksichtigen. Die realen Strömungsverhältnisse sind jedoch für den Einsatz eines DFS unter praxisnahen Bedingungen wichtig, da sie das Messergebnis beeinflussen. Insbesondere wenn große Volumenströme von Fluiden gemessen werden sollen, die nach ihrer Menge bezahlt werden (beispielsweise Kraftstoffe), wirken sich bereits geringe Messungenauigkeit wirtschaftlich stark aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem Volumenströmen von Fluiden in Rohrleitungen unter praxisnahen Bedingungen schnell und genau bestimmt werden können. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung be reitzustellen, mit der Volumenströme von Fluiden in Rohrleitungen unter praxisnahen Bedingungen schnell und genau bestimmt werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Messverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Messverfahren zeichnet sich gegenüber bekannten Messverfahren dadurch aus, dass vor der Messung des Volumenstroms systematisch der wenigstens eine Messpunkt bestimmt wird, an dem die Messung der axialen Geschwindigkeit erfolgt, die für die Ermittlung des Volumenstroms zugrunde gelegt wird. Der wenigstens eine Messpunkt berücksichtigt aufgrund seiner erfindungsgemäßen Bestimmung den realen Strömungsverlauf des Fluids. Die Berücksichtigung des realen Strömungsverlaufs des Fluids ermöglicht eine effektive Messung des Volumenstroms, insbesondere wird eine schnelle und zugleich genaue Messung des Volumenstroms erreicht.
Um den realen Strömungsverlauf des Fluids berücksichtigen und den wenigstens einen Messpunkt systematisch auswählen zu können, wird zunächst eine Mehrzahl von Punkten in der Messebene (Querschnittsfläche der Rohrleitung) vorgegeben, an deren die axialen Geschwindigkeiten des strömenden Fluids gemessen werden. Die axialen Geschwindigkeiten an diesen Punkten lassen Rückschlüsse auf die reale Geschwindigkeitsverteilung des Fluids und damit auf die realen Strömungsverhältnisse zu. Hierzu werden die axialen Geschwindigkeiten an den Punkten mit vorgegebenen Referenzverteilungen (Verteilungen axialer Geschwindigkeiten über die Messebene) verglichen.
Die vorgegebenen Referenzverteilungen können einerseits aus A-priori-Informationen bekannt sein. A-priori-Informationen können beispielsweise aus vorhergehenden Messungen unter ähnlichen Bedingungen (etwa gleicher Rohrquerschnitt, gleiche Temperatur, gleiche Art des Fluids) gewonnen werden.
Andererseits können die vorgegebenen Referenzverteilungen auch direkt aus den gemessenen axialen Geschwindigkeiten an den Punkten mittels geeigneter Appro ximationen berechnet werden. Die mittels Approximationen berechneten Referenzverteilungen liefern eine genäherte analytische Beschreibung der realen Strömung.
Schließlich können die vorgegebenen Referenzverteilungen auch theoretisch anhand strömungsphysikalischer Gesetze unter Berücksichtigung geeigneter Randbedingungen berechnet werden. Zu solchen Randbedingungen zählen beispielsweise die gleiche Messebene (Größe der Fläche, Form der Fläche) oder die Art des Fluids (Flüssigkeit, Gas, Dichte).
Aus den vorgegebenen Referenzverteilungen wird diejenige Referenzverteilung ausgewählt, die anhand geeigneter Beurteilungskriterien von allen vorgegebenen Referenzverteilungen die beste Übereinstimmung mit den Messwerten an den Punkten aufweist. Geeignete Beurteilungskriterien zum Ermitteln einer Übereinstimmung zwischen Messwerten und vorgegebenen Referenzverteilungen sind bekannt. Beispielsweise lässt sich die Summe der quadratischen Abweichungen zwischen den Messwerten und den korrespondierenden Referenzwerten hierzu auswerten.
Die ausgewählte Referenzverteilung enthält Informationen zu den realen Strömungsverhältnissen (etwa die reale Geschwindigkeitsverteilung). Aus dieser angenommenen Geschwindigkeitsverteilung lässt sich der wenigstens eine Messpunkt systematisch auswählen. Geeignet sind insbesondere Messpunkte, die die reale Strömung besonders charakterisieren. Hier ist beispielsweise an Messpunkte zu denken, an denen die Strömung maximale oder minimale Geschwindigkeiten oder große Geschwindigkeitsgradienten aufweist. Die Auswahl des wenigstens einen Messpunktes kann auch mittels Simulationsberechnung erfolgen.
Der Volumenstrom des Fluids wird aus den axialen Geschwindigkeiten an den Messpunkten mittels geeigneter Integrationsverfahren, insbesondere numerische Integrationsverfahren ermittelt.
Zweckmäßig ist es, die axiale Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt daraufhin zu untersuchen, ob die axiale Geschwindigkeit plausibel ist oder ob eine offensichtliche Fehlmessung vorliegt. Fehlermessungen können beispielsweise in Folge von zu geringen Datenraten durch lokale Verschmutzungen auf Oberflächen oder optischen Unregelmäßigkeiten im Glas entstehen. Werden Fehlmessungen nicht erkannt und ohne Korrektur in die Ermittlung des Volumenstroms eingebracht, ergibt sich die Ungenauigkeit des Messergebnisses.
Für die Untersuchung der axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt auf eine Fehlmessung hin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Differenzabweichungen der axialen Geschwindigkeiten von benachbarten Messpunkten (es ist mehr als ein Messpunkt vorgesehen) einer detaillierten Analyse unterzogen werden. Dies kann beispielsweise durch folgende Schritte erfolgen:

a. Bestimmen von Differenzen der axialen Geschwindigkeiten benachbarter Messpunkte;
b. Vergleichen der Differenzen mit vorgegebenen Toleranzschwellen.

Wird eine Fehlmessung erkannt, beispielsweise durch das Überschreiten der Toleranzschwelle, ist es möglich, die fehlerhafte axiale Geschwindigkeit unberücksichtigt zu lassen. Es ist jedoch auch möglich, die fehlerhafte axiale Geschwindigkeit zu korrigieren, beispielsweise indem die fehlerhafte axiale Geschwindigkeit durch die entsprechende axiale Geschwindigkeit aus der ausgewählten Referenzverteilung an diesem Messpunkt ersetzt wird.
In einer besonderen Ausführungsform ist zur Erhöhung der Genauigkeit der Integration der axialen Geschwindigkeiten vorgesehen, auf der Basis der Messpunkte ein Integrationsgitter zu erzeugen, das neben den Messpunkten weitere Integrationspunkte aufweist. Die weiteren Integrationspunkte werden aus den Messpunkten mittels angepasster Interpolationen unter genauer Beachtung der jeweiligen ortsabhängigen Randbedingungen erzeugt.
Wird das Integrationsgitter hinreichend fein gemacht, entfällt die Notwendigkeit einer fehlerhaften Korrektur von Wandzonen mit großen Geschwindigkeitsgradienten unter Zuhilfenahme theoretischer Ansätze, wie es bei herkömmlichen Messverfahren er forderlich ist. Die axiale Geschwindigkeit an der Rohrinnenwand wird aufgrund der Wandhaftbedingung gleich null gesetzt.
Die Integration der axialen Geschwindigkeiten lässt sich bei rotationssymmetrischen Strömungen besonders einfach durch Anwendung der bekannten Guldin'schen Regel gestalten.
Bei einer Strömung mit einer inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung, die beispielsweise durch eine Störung in der Rohrleitung erzeugt wird, lässt sich die Anzahl der Messpunkte und die Messzeit reduzieren, wenn die Strömung vor dem Messen der axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt konditioniert wird.
Vorteilhaft erfolgt das Konditionieren mittels einer konisch zulaufenden Düse mit einem Halbwinkel von etwa 8°, die stromaufwärts von der Messebene in die Rohrleitung eingebracht wird. Mit Hilfe dieser Düse wird die Strömung einfach und druckverlustarm beeinflusst und der Turbulenzgrad reduziert. Die Strömung weist nach der Konditionierung über einen großen Bereich der Messebene gleiche axiale Geschwindigkeiten auf (flache Geschwindigkeitsverteilung). Zudem liegt die Abhängigkeit der Form dieser Geschwindigkeitsverteilung von Vorströmungen lediglich in der Größenordnung von einigen Prozenten.
Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der Messebene und dem Austritt der Düse so gewählt, dass er etwa dem zwei- bis siebenfachen des kleinsten Durchmessers der Düse entspricht.
In der Praxis schwankt häufig der Volumenstrom der axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt. Solche Schwankungen kommen beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Verbraucherlasten vor. Um dennoch richtige Ergebnisse des Volumenstroms zu erhalten, müssen die gemessenen axialen Geschwindigkeiten korrigiert werden.
Erfindungsgemäß sind für die Korrektur beispielsweise folgende Schritte vorgesehen:

a. Definieren einer Messzeit;
b. Bestimmen des Volumenstroms mittels eines Bezugs-DFS an mindestens einem Bezugs-Messpunkt in der Messebene;
c. Berechnen einer mittleren volumetrischen Geschwindigkeit an dem Bezugs-Messpunkt;
d. Normieren der gemessenen axialen Geschwindigkeiten an den Messpunkten mittels der mittleren volumetrischen Geschwindigkeit;
e. Ermitteln eines Referenzwertes aus den normierten axialen Geschwindigkeiten;
f. Multiplizieren des Referenzwertes mit der über die gesamte Messzeit gemittelten volumetrischen Geschwindigkeit.

Für die Korrektur wird somit für die Dauer jeder optischen Messung (beispielsweise einer LDV-Messung der axialen Geschwindigkeit) an einem Messpunkt in der Messebene der Volumenstrom mit einem Bezugs-DFS simultan erfasst und gemittelt. Dieser DFS besitzt eine unbekannte Messunsicherheit – vorausgesetzt wird, dass die Messunsicherheit konstant über dem instationären Volumenstrom-Bereich ist. Der fehlerbehaftete Volumenstrom wird auf die volumetrische Geschwindigkeit am Messort umgerechnet und dient zur Normalisierung der optischen axialen Geschwindigkeitsmesswertung. Aus den normalisierten (fehlerbehafteten) Geschwindigkeitsverhältnissen wird anschließend mittels Interpolationen und Integrationen ein Referenzwert ermittelt:
mit

w_LDV: lokale mittels LDV gemessene axiale Geschwindigkeit
w₀: aus dem Volumenstrom des Bezugs-DFS berechnete, mittlere volumetrische Geschwindigkeit am Messort während der Messung von w_LDV
i: Nummer Messpunkte einer Geschwindigkeitsverteilung
dF: Flächenelement der Messebene

Dieser Referenzwert wird mit der über der gesamten Messzeit gemittelten volumetrischen (wiederum fehlerbehafteten) Geschwindigkeit in der Messebene multipliziert:
mit

n: Anzahl der Messpunkte der Geschwindigkeitsverteilung
w ₀(Δt): während der Messung der Geschwindigkeitsverteilung zeitlich gemittelte, aus dem Volumenstrom des Bezugs-DFS berechnete volumetrische Geschwindigkeit am Messort
Q(Δt): gemittelter Volumenstrom während der Messung der Geschwindigkeitsverteilung

Der so ermittelte Volumenstrom bildet ein absolutes Maß für den zeitlich gemittelten Volumenstrom während der optischen Messung und ist nicht mehr mit der unbekannten Messunsicherheit des Bezugs-DFS behaftet. Zusätzlich kann mittels der Gleichung Q(tn) = Vref·w0(tn) (3)der aktuelle Volumenstrom zu jeder Zeit t_n der Messwertaufnahme berechnet werden.
In einer besonderen Ausführungsform ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Unsicherheit des ermittelten Volumenstroms abgeschätzt wird.
Hierzu werden die axialen Geschwindigkeiten der Referenzverteilungen an den Messpunkten analytisch berechnet. Anschließend werden die Interpolationen (Fehlerkorrektur und Verfeinerung des Integrationsgitters) und die Integration als numerische Vergleichsrechnung in gleicher Weise wie bei der zu untersuchenden axialen Geschwindigkeitsverteilung durchgeführt. Die realisierte Unsicherheit der Referenzverteilung kann durch Vergleich des numerisch bestimmten Integrationsvolumens mit dem analytisch berechneten exakten Volumen bestimmt werden. Bei der Berechnung des aktuellen Volumenstroms aus der jeweiligen axialen Geschwindigkeitsverteilung werden idealerweise gleichzeitig eine Vielzahl von Referenzverteilungen und deren Unsicherheiten bei den zugrunde liegenden Messpunkten berechnet. Durch einen Vergleich der gemessenen Geschwindigkeitsverteilung mit den zur Auswahl stehenden vorgegebenen Referenzverteilungen kann eine geeignete Referenzverteilung ausgewählt werden, die dem zu berechnenden Volumen möglichst ähnlich ist. Somit ist die Unsicherheit des aus den gemessenen axialen Geschwindigkeitswerten berechneten Volumens ähnlich der Unsicherheit der betreffenden Referenzverteilung.
In einer besonderen Ausführungsform ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anzahl und Anordnung der Messpunkte in der Messebene an die aktuelle Strömungscharakteristik angepasst und somit optimiert werden. Durch diese Optimierung lässt sich die Messzeit bei nachfolgenden Messungen bei gleichzeitig hoher Genauigkeit reduzieren.
Ferner führt die Optimierung der Anzahl und Lage der Messpunkte dazu, dass eine hohe Genauigkeit auch dann noch erzielt wird, wenn nur noch wenige, dafür aber für die Strömung charakteristische Messpunkte ausgewählt werden. Im Extremfall wird nur noch ein charakteristischer Messpunkt ausgewählt.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Messanordnung mit den Merkmalen aus Anspruch 11 gelöst.
Die erfindungsgemäße Messanordnung ist so ausgebildet, dass mit ihr jedes erfindungsgemäße Messverfahren durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise ist das Rohrstück aus transparentem Glas hergestellt, beispielsweise aus Quarzglas.
In einer Ausführungsform umfasst die optische Messeinrichtung eine LDV-Messsonde oder eine PIV-Messeinrichtung mit Laserschnitt und mindestens einer Kamera.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die optische Messeinrichtung eine Mehrzahl von LDV-Messsonden, die um den Rohrumfang des Rohrstücks verteilt angeordnet sind. Die LDV-Messsonden sind vorzugsweise miniaturisiert und über konventionelle Rohrstutzen in die Rohrleitung eingeschraubt. Diese Ausführungsform ermöglicht eine für die Praxis vorteilhafte kompakte Bauform der Messanordnung.
Wird die Messanordnung mit einer PIV-Messeinrichtung ausgeführt, ist zweckmäßig eine Fensterkammer vorgesehen, die um das Rohrstück herum angeordnet ist und wenigstens ein Fenster aufweist, dessen Größenausdehnung größer ist als der Durchmesser des Rohrstücks, das die optische Messeinrichtung außerhalb der Fensterkammer derart angeordnet ist, dass die Messung der axialen Geschwindigkeiten durch das wenigstens eine Fenster hindurch erfolgt. Diese Fensterkammer bietet den Vorteil, dass die Messpunkte frei über die gesamte Messebene des Rohrstücks ausgewählt werden können. Der Einsatz einer PIV-Messeinrichtung ist für eine Reduzierung der Messzeiten vorteilhaft.
In einer besonderen Ausführungsform ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sowohl eine PIV-Messeinrichtung als auch eine LDV-Messsonde vorgesehen sind. Durch die Kombination der PIV-Messeinrichtung mit der LDV-Messsonde kann auf eine Kalibrierung der PIV-Messeinrichtung verzichtet werden, weil Vergleichsmessungen durch die LDV-Messsonde erfolgen können. Hierzu erfolgt die Einkupplung des Lichtschnitts für die PIV-Messung um etwa 90° gegenüber der Position der LDV-Messsonde gedreht (z. B. Einstrahlung des PIV-Lichtschnittes horizontal durch zwei gegenüberliegende Fenster der Fensterkammer und Einstrahlung der beiden Laserstrahlen der LDV-Messsonde vom oberen Fenster der Fensterkammer bei einer Fensterkammer mit wenigstens drei Fenstern).
Die Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele in den nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine Schnittansicht eines Teils einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung,
3 ein vergrößerter Ausschnitt aus 2,
4 ein Teil einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung,
5 eine Schnittansicht einer Fensterkammer,
6 eine Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Messanordnung,
7 eine Messwertdarstellung für eine Strömung ohne bzw. mit Konditionierung,
8 einen Vergleich gemessener Geschwindigkeitsprofile mit Referenzverteilungen mit bzw. ohne Konditionierung.
In 1 ist ein Flussdiagramm 1 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In einem Schritt 2 wird das Verfahren gestartet.
Nach dem Start wird in einem Schritt 3 an einer Mehrzahl an Punkten in einer Messebene einer Rohrleitung axiale Geschwindigkeiten eines in der Rohrleitung in einer Längsrichtung strömendes Fluids gemessen.
Die in Schritt 3 gemessenen axialen Geschwindigkeiten werden in einem Schritt 4 mit vorgegebenen Referenzverteilungen verglichen. Die Referenzverteilungen stellen axiale Geschwindigkeitsverteilungen für Strömungen in einer Rohrleitung dar. Die Referenzverteilungen berücksichtigen ähnliche Randbedingungen wie die zu untersuchende Strömung. Sie können beispielsweise auf gleiche Messebenen (Größe, Form), gleiche Fluide (Flüssigkeiten oder Gase, evtl. unter Berücksichtigung weiterer Eigenschaften) und gleiche Temperaturen bezogen sein. Der Vergleich liefert diejenige Referenzverteilung (ausgewählte Referenzverteilung), die unter geeigneten Kriterien die beste Übereinstimmung mit den gemessenen axialen Geschwindigkeiten an den Punkten aufweist.
In einem Schritt 5 wird aus der ausgewählten Referenzverteilung wenigstens ein Messpunkt in der Messebene bestimmt, der besonders charakteristisch ist für die durch die ausgewählte Referenzverteilung beschriebene Strömung. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Vielzahl von verschiedenen Messpunkten ausgewählt, die in einem Messdatengitter angeordnet sind. Die Messpunkte weisen in Bereichen großer axialer Geschwindigkeitsgradienten eine höhere Flächendichte in der Messebene auf als in Bereichen kleiner axialer Geschwindigkeitsgradienten. Diese Verteilung ist sinnvoll, weil sich die Strömung in Bereichen großer Geschwindigkeitsgradienten räumlich schneller ändert als in Bereichen kleiner Geschwindigkeitsgradienten.
Nachdem die Messpunkte in dem Schritt 5 bestimmt worden sind, werden die axialen Geschwindigkeiten an den Messpunkten in einem Schritt 6 gemessen. Die Messung erfolgt über ein berührungsloses optisches Messverfahren, beispielsweise einem LDV-Messverfahren, einem PIV-Messverfahren oder einer Kombination aus LDV- und PIV-Messverfahren.
In einem Schritt 7 werden die in dem Schritt 6 gemessenen axialen Geschwindigkeiten analysiert und auf Fehlermessungen hin untersucht. Die Fehleruntersuchung erfolgt über eine Analyse von Differenzen axialer Geschwindigkeiten von benachbarten Messpunkten. Überschreitet eine Differenz eine vorgegebene Toleranzschwelle, so wird die zuletzt betrachtete axiale Geschwindigkeit in dem weiteren Verfahrensablauf unberücksichtigt gelassen oder durch den entsprechenden Wert aus der ausgewählten Referenzverteilung ersetzt.
In einem Schritt 8 wird eine Randzonenkorrektur durchgeführt. Die Randzonenkorrektur erfolgt für Zonen der Rohrinnenwand, bei denen die axialen Geschwindigkeitsgradienten einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigen. Die Randzonenkorrektur wird unter Zuhilfenahme theoretischer Ansätze durchgeführt.
Um die Genauigkeit der Ermittlung des Volumenstroms zu erhöhen, wird in einem Schritt 9 ein Integrationsgitter erzeugt. Das Integrationsgitter wird durch eine Verfeinerung des Messdatengitters erzeugt. Die Verfeinerung erfolgt beispielsweise durch bekannte Interpolationsverfahren oder Splines zwischen den einzelnen Messpunkten bzw. zwischen einem Teil der einzelnen Messpunkte. Sinnvoll ist es, die Verfeinerung in Abhängigkeit der axialen Geschwindigkeitsgradienten der Strömung vorzunehmen. Zweckmäßig fällt die Verfeinerung umso größer aus, je größer der axiale Geschwindigkeitsgradient der Strömung ist.
In einem Schritt 10 werden zur Vorbereitung der Berechnung des Volumenstroms Rotationskörper erzeugt. Bei rotationssymmetrischen axialen Geschwindigkeitsverteilungen kann hierzu die bekannte GULDIN'sche Regel zur Berechnung rotationssymmetrischer Volumina verwendet werden. Es ist auch möglich, einen Körper zu berechnen, der die unterschiedlichen axialen Geschwindigkeiten auf Messpunkten gleichen Radius berücksichtigt und durch Integration und Rotation um 360° erzeugt wird.
Die Berechnung des Volumenstroms aus Rotationskörpern erfolgt in einem Schritt 11..
In einem Schritt 12 ist das Verfahren beendet.
2 zeigt einen Teil einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung 13.
Die Messanordnung 13 umfasst ein Rohrstück 14, das aus Glas hergestellt ist. Entlang des Rohrstücks 14 ist eine Messebene 15 definiert. Das Rohrstück 14 hat einen kreisförmigen Querschnitt und einer Längsachse 16. Das Rohrstück 14 ist kalibriert, das heißt die Messebene 15 ist in Form und Größe sehr genau bekannt, und die Anforderungen an die Rundheit der Rohrinnenwand sind hoch.
Die Messanordnung 13 umfasst weitere Rohrstücke 17. Das Rohrstück 14 und die weiteren Rohrstücke 17 sind mittels geeigneter Anschlussflansche 18 und Spannschrauben (nicht dargestellt) lücken- und versatzlos miteinander verbunden.
Ein Fluid (nicht dargestellt) fließt von links nach rechts durch die Messanordnung 13.
Die Messanordnung 13 umfasst weiter einen Konfusor 19 und einen Diffuser 20. Der Konfusor 19 ist eingangsseitig (links) mittels einer Flanschverbindung mit einem der Rohrstücke 17 verbunden. Der Diffusor 20 ist ausgangsseitig (rechts) mittels einer Flanschverbindung mit einem der Rohrstücke 17 verbunden. Sowohl der Konfusor 19 als auch der Diffusor 20 weisen Öffnungswinkel α = 16° auf.
Die Messanordnung 13 ist aufgrund der Flanschverbindungen modular aufgebaut.
In 3 ist ein Ausschnitt aus 2 vergrößert dargestellt. Es ist ein Ausschnitt, der eines der Rohrstücke 17 und das Rohrstück 14 umfasst. Die Rohrstücke 14 und 17 sind an den Anschlussflanschen 18 mittels Spannschrauben 21 lösbar verbunden.
In 4 ist ein Teil einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung 22 dargestellt.
Die Messanordnung 22 umfasst einen Konfusor 23, ein Rohrstück 24 ein weiteres Rohrstück 25 und einen Diffusor 26.
Das Rohrstück 24 weist Fenster 27 auf, durch die hindurch die axialen Geschwindigkeiten mittels einer optischen Messeinrichtung gemessen werden können.
Die Messanordnung 22 ist modular aufgebaut.
5 zeigt eine Fensterkammer 28.
Die Fensterkammer 28 weist ein Glasrohr 29 mit variierbarem Durchmesser auf. Das Glasrohr 29 wird an seinen Enden jeweils durch einen Halteflansch 30 gehalten. Die Halteflansche 30 für das Glasrohr 29 sind an den Durchmesser des Glasrohres 29 anpassbar. Durch den variierbaren Durchmesser des Glasrohres 29 kann das Glasrohr 29 an ein Rohrleitungssystem angepasst werden, so dass ein axialer und radialer Versatz vermieden wird. Die Fensterkammer 28 weist vier Schächte 31 auf, die im gleichmäßigen Abstand um das Glasrohr 29 herum angeordnet sind. An den äußeren Enden der Schächte 31 sind planparallele Schauglasplatten 32 als Fenster angebracht, die von geeigneten Flanschen 33 gehalten werden. Die Schauglasplatten 32 dienen zum Einkoppeln der optischen Strahlen (insbesondere Laserstrahlen) einer optischen Messeinrichtung.
Um das Glasrohr 29 herum ist eine Kammer 34 angeordnet, die über ein Bypasssystem 35 mit dem Rohrleitungssystem in Verbindung steht.
Anstelle des Bypasssystems 35 können auch gas- bzw. flüssigkeitsdichte Hohlräume ohne Verbindung mit dem Rohrleitungssystem vorgesehen sein, die mit Gas bzw. Flüssigkeit gefüllt werden können. So kann eine Druckentlastung und/oder Brechungsindexanpassung erzielt werden.
In 6 ist eine weitere erfindungsgemäße Messanordnung 36 dargestellt.
Die Messanordnung 36 umfasst eine Fensterkammer 37 entsprechend derjenigen aus 5.
Die Messanordnung 36 umfasst ferner zwei in Bezug auf eine Längsachse 38 gegenüberliegende Prismen 39. Die Prismen 39 dienen dazu, eine Messebene 40 zu bilden, in der axiale Geschwindigkeiten gemessen werden.
Es ist eine optische Messeinrichtung 41 zu erkennen, die geeignet ist, ein laseroptisches PIV-Verfahren durchzuführen. Die Messeinrichtung 41 umfasst dazu zwei Laserquellen 42 und zwei Kameras 43. Eine Recheneinheit mit Bildverarbeitungsmodul ist nicht dargestellt.
Für das laseroptische PIV-Verfahren wird in einer zu untersuchenden Strömung eine Messebene (Messebene 40) aufgespannt. Mit mindestens einer Kamera (hier zwei Kameras 43) wird ein Lichtschnitt zu zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten aufgenommen. Während dieser Zeit haben sich in der Strömung schlupffrei mitgeführte Streuteilchen oder Inhomogenitäten örtlich verschoben. Diese Verschiebung wird rechnerisch ermittelt und dient zur zeitlich hochaufgelösten Bestimmung der Geschwindigkeitsvektoren im Lichtschnitt.
Durch die Verwendung von zwei Kameras 43 kann auch die Sekundärströmung innerhalb einer Messung ausgewertet werden, was für das vorliegende Verfahren jedoch nicht entscheidend ist, da es für den Volumenstrom auf die axiale Geschwindigkeit ankommt.
In 7a) sind gemessene axiale Geschwindigkeitsprofile dargestellt.
Die Geschwindigkeitsprofile beziehen sich auf eine unkonditionierte Strömung durch eine Rohrleitung mit kreisförmiger Messebene.
Die Messebene liegt in der xy-Ebene. Die x- bzw. y-Koordinaten sind auf den Radius der Messebene normiert.
Die axialen Geschwindigkeiten (w) sind in Richtung der z-Achse aufgetragen. Die axialen Geschwindigkeiten sind auf einen Referenzwert (w.vol) bezogen.
In 7b) sind axiale Geschwindigkeiten für eine mittels einer Düse mit einem Halbwinkel von 8° konditionierten Strömung dargestellt. Die Rahmenbedingungen sind dieselben wie bei 7a). Es ist deutlich zu erkennen, dass die Konditionie rung zu einer symmetrischen flachen Geschwindigkeitsverteilung führt. Aus ihr kann der Volumenstrom bei kurzer Messzeit mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden.
In 8 sind Messdaten axialer Geschwindigkeiten sowie ausgewählte Referenzverteilungen dargestellt. 8a) bezieht sich auf eine konditionierte Strömung, 8b) auf eine unkonditionierte Strömung.
Die unterschiedlichen Kurven betreffen unterschiedliche Strömungsbedingungen, beispielsweise Störungen, Blenden oder Drallerzeuger in der Rohrleitung.
Die Kurven stellen die Verläufe der axialen Geschwindigkeiten entlang einer Diagonalen der Rohrleitung mit kreisförmiger Messebene dar.
Die Ortskoordinate r ist in der Darstellung auf den Radius R bezogen und als Abszisse dargestellt.
Die Ordinaten werden von den auf einen Referenzwert bezogenen axialen Geschwindigkeiten gebildet.

Claims

Messverfahren zum Ermitteln eines Volumenstroms eines Fluids, das in einer axialen Längsrichtung durch eine Rohrleitung strömt, mit den Schritten: a. Bestimmen wenigstens eines Messpunktes in einer Messebene (15) der Rohrleitung, b. Messen der axialen Geschwindigkeit des Fluids an dem wenigstens einen Messpunkt mittels einer berührungslosen optischen Messeinrichtung (41), c. Ermitteln des Volumenstroms des Fluids durch die Messebene (15) aus der gemessenen axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt, d. wobei das Bestimmen des wenigstens einen Messpunkts die folgenden Schritte umfasst: – Vorgeben einer Mehrzahl von Punkten in der Messebene (15) und – Messen der axialen Geschwindigkeiten des Fluids an der Mehrzahl von Punkten und – Vergleichen der axialen Geschwindigkeiten mit vorgegebenen Referenzverteilungen, dadurch gekennzeichnet, dass Bestimmen des wenigstens einen Messpunks die folgenden Schritte umfasst: – Auswählen einer Referenzverteilung aus den Referenzverteilungen in Abhängigkeit des Vergleichs und – Bestimmen des wenigstens einen Messpunktes aus der ausgewählten Referenzverteilung.
Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Geschwindigkeiten mit Hilfe einer LDV-Messsonde oder einer PIV-Messeinrichtung (41) verwendet wird.
Messverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Messpunkte und deren Anordnung in der Messebene (15) in Abhängigkeit der ausgewählten Referenzverteilung bestimmt wird.
Messverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom mittels numerischer Integration oder anderer bekannter Verfahren aus der axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt ermittelt wird.
Messverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ermitteln des Volumenstroms folgende Schritte durchgeführt werden: a. Bestimmen von Differenzen benachbarter axialer Geschwindigkeiten an den Messpunkten; b. Vergleichen der Differenzen mit vorgegebenen Toleranzschwellen.
Messverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass axiale Geschwindigkeiten, deren zugeordnete Differenz die Toleranzschwelle überschreitet, bei dem Ermitteln des Volumenstroms nicht berücksichtigt oder korrigiert werden.
Messverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Fluids vor dem Messen der axialen Geschwindigkeiten konditioniert wird.
Messverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Konditionieren mittels einer konisch zulaufenden Düse (19, 23) mit einem Halbwinkel von etwa 8° erfolgt, die stromaufwärts von der Messebene (15) in die Rohrleitung eingebracht wird.
Messverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Messebene (15) und dem Austritt der Düse so gewählt wird, dass er etwa dem Zwei- bis Siebenfachen des kleinsten Durchmessers der Düse entspricht.
Messverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: a. Definieren einer Messzeit; b. Bestimmen des Volumenstroms mittels eines Bezugs-DFS an mindestens einem Bezugs-Messpunkt in der Messebene; c. Berechnen einer mittleren volumetrischen Geschwindigkeit an dem Bezugs-Messpunkt; d. Normieren der gemessenen axialen Geschwindigkeiten an den Messpunkten mittels der mittleren volumetrischen Geschwindigkeit; e. Ermitteln eines Referenzwertes aus den normierten axialen Geschwindigkeiten; f. Multiplizieren des Referenzwertes mit der über die gesamte Messzeit gemittelten volumetrischen Geschwindigkeit.
Messanordnung zum Durchführen eines der vorstehenden Messverfahren, umfassend: a. ein Rohrstück (14, 17, 24, 25), b. an jedem Rohrende eine Anschlusseinrichtung (33) zum Anschluss an ein Rohrleitungssystem, c. wenigstens eine optische Messeinrichtung (41) zum berührungslosen Messen axialer Geschwindigkeiten eines durch das Rohrstück (14, 17, 24, 25) strömenden Fluids in einer Querschnittsebene entlang des Rohrstücks (14, 17, 24, 25), d. eine Speichereinheit, in der vorgegebene Referenzverteilungen abgespeichert sind, e. eine Rechnereinheit, die eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Punkten in der Messebene (15) vorzugeben, die axialen Geschwindigkeiten des Fluids an dieser Mehrzahl von Punkten zu messen, und die axialen Geschwindigkeiten an dieser Mehrzahl von Punkten mit den vorgegebenen Referenzverteilungen zu vergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit eingerichtet ist, eine Referenzverteilung in Abhängigkeit des Vergleichs auszuwählen, aus der ausgewählten Referenzverteilung wenigstens einen Messpunkt in der Messebene (15) zu bestimmen, die axiale Geschwindigkeit des Fluids an dem wenigstens einen Messpunkt mittels der optischen Messeinrichtung (41) zu messen und aus der axialen Geschwindigkeit an dem wenigstens einen Messpunkt den Volumenstrom durch die Messebene (15) zu ermitteln.
Messanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (14, 17, 24, 25) aus transparentem Glas hergestellt ist.
Messanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung eine LDV-Messsonde oder eine PIV-Messeinrichtung (41) mit einem Laserschnitt (40) und mindestens einer beobachtenden Kamera (43) umfasst.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung (41) eine Mehrzahl von LDV-Messsonden umfasst, die um den Rohrumfang des Rohrstücks verteilt angeordnet sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fensterkammer (37) vorgesehen ist, die um das Rohrstück (14, 17, 24, 25) herum angeordnet ist und wenigstens ein Fenster (32) aufweist, dessen größte Ausdehnung größer ist als der Durchmesser des Rohrstücks (14, 17, 24, 25), dass die optische Messeinrichtung (41) außerhalb der Fensterkammer (37) derart angeordnet ist, dass die Messung der axialen Geschwindigkeiten durch das wenigstens eine Fenster (32) hindurch erfolgt.