VDI VDE 2643-1993 Measurement of fluid flow by means of vortex flow meters.pdf

1、DK 532.575:681.121.8:532.527681.121.7(083.132) VDI/VDE-RICHTLINIEN Januar 1993VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DEUTSCHERELEKTROTECHNIKERWirbelzhlerzur Volumen- und Durchflumessung VDI/VDE 2643Measurement of fluid flowby means of vortex flow metersInhaltVorbemerkungSeite. 21 Zweck und Geltungsbereic

2、hFormelzeichen, Begriffe und Definitionen .2.1 Formelzeichen2.2 Definitionen2.2.1 Gertespezifische Begriffe . . .2.2.2 Allgemeine Begriffe 43 MeprinzipMeverfahren4.1 Wirkungen der Wirbel auf den Wirbelkrper und seine Umgebung4.2. Verfahren zum Erfassen der Wirbel . .Gertetechnischer Aufbau 55.1 Mero

3、hr und Wirbelkrper 65.2 Aufnehmer 65.3 Signalerfassung und Mewertverarbeitung 7Ausgangssignale . .6.1 Impulsausgang .6.2 Analogausgang .6.3 Digitaler AusgangInhaltlich berprft und unverndertweiterhin gltig: Februar 1999Seite7 Meunsicherheit, Fehlergrenzen,Einflugren 77.1 Meunsicherheit 77.2 Fehlergr

4、enzen 77.3 Einflugren 88 Prfverfahren und Kalibrierung 88.1 Trockene Kalibrierung 88.2 Kalibrierung auf Prfstnden 89 Gerteauswahl und Anwendungsgrenzen . 89.1 Gerteauswahl 89.2 Anwendungsgrenzen 89.2.1 Linearer Mebereich 89.2.2 Fehlerkurve 89.2.3 Druckverlust 99.2.4 Kavitation 99.2.5 Pulsation 910 E

5、inbauempfehlungen 911 Hinweise zur technischen Beschreibungund zur Betriebsanleitung 911.1 Technische Beschreibung 911.2 Betriebsanleitung 10Schrifttum 10Sach wort Verzeichnis 10MSR-Stellenblatt Wirbelzhler deutsch/englisch 11VDI/VDE-Gesellschaft Me- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachausschu Wirb

6、elzhler- DurchflumessungVDI/VDE-Handbuch Metechnik IB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-2- VDI/VDE 2643 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1993VorbemerkungDas Phnomen der

7、 Karmanschen Wirbelstrae wirdzur Durchflumessung benutzt. Die Nutzung istmghch, seit hochempfindhche Aufnehmer und Fhler verfgbar sind, mit denen die dynamischenDrucknderungen in einer Wirbelstrae erfat werden knnen.Wirbelzhler werden zur Durchflumessung fr vielseitige Aufgaben eingesetzt und haben

8、eine weiteVerbreitung gefunden. Aus diesem Grund war essinnvoll, in einer Richtlinie Begriffe festzulegen, dieWirkungsweise von Wirbelzhlern zu beschreibenund Hinweise zu deren Anwendung zu geben.Diese Richtlinie wurde von den Mitarbeitern desFachausschusses Wirbelzhler“ der VDI/VDE-Ge-sellschaft Me

9、- und Automatisierungstechnik(GMA) erarbeitet.1 Zweck und GeltungsbereichDiese Richtlinie gibt einen berblick ber die metechnischen Grundlagen und die Anwendung vonWirbelzhlern zur Volumen- und Durchflumessung. Zustzhch zur Beschreibung des Meprinzipsund der Meverfahren werden Begriffe festgelegt so

10、wie Methoden zum Prfen von Wirbelzhlern angegeben. Es werden Auswahlkriterien genannt, die esdem Anwender ermglichen, fr eine bestimmte Aufgabenstellung einen geeigneten Wirbelzhler auszuwhlen. Im Abschnitt Einbauempfehlungen“ sindHinweise zum sachgerechten Einbau gegeben, umeine metechnisch einwand

11、freie Funktion sicherzustellen. Weiterhin enthlt die Richtlinie Vorschlgefr ein Technisches Datenblatt, das Eingang in Datenbltter und Schrifttum der Hersteller finden soll,um den Vergleich technischer Daten zu erleichtern.Die Richthnie gilt fr stetige oder langsam sich ndernde Durchflsse bei einpha

12、siger Strmung in vollstndig gefllten Rohrleitungen.Werden solche Meeinrichtungen im geschftlichenoder amthchen Verkehr eingesetzt, so mssen siegeeicht sein. Die Bauarten eichpflichtiger Volumenzhler mssen von der Physikalisch-TechnischenBundesanstalt in Braunschweig zugelassen sein. Indiesem Fall ge

13、lten die Vorschriften der Eichordnungsowie die speziellen Anforderungen fr die jeweiligeBauart.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1993

14、VDI/VDE 2643 -3-2 Formelzeichen,Begriffe und Definitionen2.1 FormelzeichenT a b e 1 1 e 1 enthlt Formelzeichen, die in dieserRichtlinie benutzt werden.Tabelle 1die bei der Anwendung von Wirbelzhlern wichtigsind.2.2.1 Gertespezifische BegriffeFormelzeichenBedeutung Sl-Einheitb Breite des Wirbelkrpers

15、 mD innerer Durchmesserdes Merohresme relative Abweichungf Frequenz s“G FehlergrenzenK K- Faktor m-N ImpulseQy Volumenstrom (Durchflu) mVsRbq Reynoldszahl, bezogen auf D_ u-D-qRb) rjS Strouhalzahls=Uu mittlere axialeStrmungsgeschwindigkeitm/sV Volumen mrj dynamische Viskositt Pa sQ Dichte des Fluids

16、 kg/mblsekanteSeparation edgeAufnehmerPrimary deviceusgangssignalOutput Signal2.2 DefinitionenIm folgenden Abschnitt werden Definitionen fr gertespezifische sowie fr allgemeine Begriffe gegeben,Fhler)DetectingelementK-FaktorX-factorMegreMeasuredquantityMeumformerTransducerMeumsetzerConverterMerohrMe

17、asuring tubePosition, an der sich die Grenzschicht bzw. die Wirbel am Wirbelkrper ablsenTeil der Meeinrichtung, in welcher die Megre zu einem proportionalen elektrischen Signalumgewandelt wirdAusgangsgre des Meumset-zers/-umformers als Folge volumenproportionaler Impulse und/oder als durchfluproport

18、ionales,normiertes analoges EinheitssignalElement zum Nachweis der Wirbel (z.B. kapazitiv, piezoelektrisch, thermisch, ultrasonisch).Der Fhler ist Teil des Aufnehmers.Zhlerkonstante, aufnehmerspezifische Konstante in Impulse/Volumen (z.B. Imp/m)durch den Wirbelzhler gestrmtes Volumen V (m) oder Volu

19、menstrom (Durchflu) Qy (m/h)Einrichtung zur Aufbereitung desanalogen Fhlersignals in eindurchfluproportionales AnalogsignalEinrichtung zur Bildung der elektrischen Ausgangssignalevom Mestoff durchstrmtesRohrstck des AufnehmersIn dieser Richtlinie wird der auch gebruchHche Begriff Sensornicht verwend

20、et, da keine eindeutige Definition vorliegt.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11-4- VDI/VDE2643 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 993MestreckeMeasurementsectionStrouhal

21、zahlStrouhal numberWirbelablsungVortex sheddingWirbelablsefrequenzVortex sheddingfrequencyWirbelkrperBluff bodyWirbelzhlerVortex meterZhlergehuseMeter bodyAbschnitt einer Rohrleitung, derden Wirbelzhler, die erforder-Hche Einlaufstrecke und die Auslaufstrecke enthltStrmungskennzahl S = bf/uAblsung d

22、er Wirbel am Wirbelkrper durch GrenzschichtvorgngeAnzahl der Wirbelpaare, die proZeiteinheit abgelst werdenstirnseitig angestrmter Krper,an dem sich wechselseitig Wirbelbilden und ablsenMegert zur Volumenzhlungund DurchflumessungTeil der Meeinrichtung (mitoder ohne Flansche) zur Aufnahme von Merohr,

23、 Wirbelkrper und FhlerKalibrierungCalibrationKavitationCavitation2.2.2 Allgemeine BegriffeAblagerungDeposituslaufstreckeOutlet sectionBetriebszustandOperationconditionsDruckverlustPressure lostEinflugrenInfluencequantitiesEinlaufstreckeInlet sectionFehlergrenzenError limitsGrenzschichtBoundary layer

24、Schicht von SchmutzpartikelnLnge der ungestrten geradenRohrleitung hinter dem WirbelzhlerZustand des Mestoffes unter BetriebsbedingungenDifferenz zwischen statischemDruck am Einlauf und Auslaufdes MerohresGren die das Mesignal beeinflussen (z.B. Umgebungstemperatur, Viskositt, Schwankungen der Hilfs

25、energie)Lnge der ungestrten geradenRohrleitung vor dem Wirbelzhlervereinbarte Hchstbetrge fr relative Abweichungen der Anzeige, innerhalb deren ein Mewert vom richtigen Wert abweichen darfStrmungsschicht, innerhalb deren sich die freie Mestoffgeschwindigkeit auf Null abbautKennlinienabweichungDeviat

26、ion ofcharacteristicsMebereichMeasuring rngeMeunsicherheitUncertaintyMittlere StrmungsgeschwindigkeitMean flowvelocityPulsationPulsationReferenzbedingungenReferenceconditionsReynoldszahlReynolds numberStrmungsgleichrichterFlowstraigthenerStrmungsprofilFlow profileVolumenstromVolumeflow rateWiederhol

27、barkeitRepeatabilitymetechnische Ermittlung des K-Faktorssporadisches Auftreten vonDampfblasen in einer strmenden Flssigkeit, in welcher derstatische Druck unter denDampfdruck der Flssigkeit absinktmaximale Abweichung der gemessenen Kennlinie von derNennkennlinie (Linearitt)Bereich, in dem der Mewer

28、t dieangegebenen Fehlergrenzen nichtberschreitetAbweichung, mit der das Megert innerhalb der Fehlergrenzenunrichtig messen darfgemittelte Mestoffgeschwindigkeit in einem Rohrquerschnittdem mittleren Betriebsdruckberlagerte, meist periodischeDruckschwankungen und damiteinhergehende Durchfluschwankung

29、enBedingungen fr die Funktionsprfung eines Megertes (Kalibrierung) oder zur Sicherstellungeines richtigen Vergleichs vonMeergebnissenVerhltnis der Trgheitskrfte zuden ZhigkeitskrftenRe = DU q/y)Bauelement zur Beseitigung vonDrall und Strungen im StrmungsprofilGeschwindigkeitsverteilung berdem Rohrqu

30、erschnittvolumetrischer DurchfluZeiteinheit (z.B. m/h)proAbweichung aufeinander folgender Messungen mit dem gleichenGert und unter gleichen BedingungenB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte

31、vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 993 VDI/VDE 2643 -5-3 MeprinzipBei der Anstrmung eines Widerstandskrpers (Wirbelkrpers) entstehen in der Umgebung des Krpersnderungen des Strmungsfeldes, durch die stromabwrts wechselseitige Wirbelablsungen erzeugtwerden. Die Abstnde der einzelnen

32、 Wirbel sind beigegebener Geometrie des Wirbelkrpers gleich ground unabhngig von der Strmungsgeschwindigkeit.Die Folge abgelster Wirbel wird Karmansche Wirbelstrae genannt, Bild 1. Die zeitliche Folge, mitder sich die Wirbel hinter einem Wirbelkrper bilden,wird durch eine dimensionslose strmungsdyna

33、mische Kennzahl, die Strouhalzahl S, erfat. Sie kennzeichnet die Beziehung zwischen der Wirbelablsefrequenz/, der Breite b des angestrmten Wirbelkrpersund der Strmungsgeschwindigkeit u, Bild 2.uFr bestimmte Formen des Wirbelkrpers ist dieseStrouhalzahl innerhalb eines groen Bereiches derReynoldszahl

34、 konstant, d.h. unabhngig von derDichte, der Viskositt, dem Druck und anderenphysikahschen Parametern des Fluids. Bei konstantem Querschnitt der Rohrleitung werden durch diegleich groen Abstnde der Wirbelpaare Volumenelemente AV definiert und durch jeweils einen Volumenimpuls nachgewiesen.Die Anzahl

35、 der Wirbelpaare pro Volumeneinheit(z.B. m) ergibt den X-Faktor als kennzeichnendenFaktor des Wirbelzhlers (z.B. Imp/m). Zur Volumenzhlung gilt dannV=NAV=N/Kwobei N die Anzahl der Wirbelpaare whrend derVolumenmessung ist.Zur Durchflumessung gilt:Bild 1 . Karmansche WirbelstraeiBild 2. Wirbelkrper in

36、 der StrmungD innerer Durchmesser des Merohrsu mittlere axiale Strmungsgeschwindigkeitb Breite des Wirbelkrpers4 Meverfahren4.1 Wirkungen der Wirbelauf den Wirbelkrper und seine UmgebungBei der Anstrmung des Wirbelkrpers entsteht einedurchfluproportionale Wirbelfolge (KarmanscheWirbelstrae) innerhal

37、b eines bestimmten Bereichesvon Reynoldszahlen. Jeder Wirbel stellt gegenberdem umgebenden Fluid ein rtlich begrenztes Gebietmit unterschiedHchem Druck und unterschiedlicherGeschwindigkeit dar. Diese Druck- oder Geschwindigkeitsunterschiede bewirken z.B.:a) mechanische Spannungen im Wirbelkrperb) Di

38、fferenzdrcke an den Seiten des Wirbelkrpersc) Vernderungen der Umstrmungsgeschwindigkeit des Wirbelkrpersd) Gebiete unterschiedlicher Turbulenz bzw. Schallgeschwindigkeit4.2 Verfahren zum Erfassen der WirbelZum Erfassen der Wirbel werden Fhler eingesetzt,welche die in Abschnitt 4.1 genannten Gren in

39、 einauswertbares Signal umwandeln:a) mechanische Spannungen im Wirbelkrper, Umwandlung durch piezoelektrische Druckaufnehmer Dehnungsmestreifen (DMS) kapazitive Druckaufnehmerb) Differenzdrcke, Umwandlung durch piezoelektrische Druckaufnehmer kapazitive Druckaufnehmerc) vernderliche Umstrmungsgeschw

40、indigkeit,Umwandlung durch Thermistoren Hitzdrahtanemometerd) Unterschiedliche Turbulenz bzw. Schallgeschwindigkeit, Erfassung durch Ultraschall-Fhler5 Gertetechnischer AufbauDie vollstndige Meeinrichtung besteht aus demWirbelzhler einschliehch der Ein- und Auslaufstrecke, Bild 3.Der Wirbelzhler ent

41、hlt folgende Funktionsgruppen: das Merohr mit integriertem Wirbelkrper zurErzeugung der Wirbel den Aufnehmer, in dem die durch die Wirbel verursachten nderungen der physikalischen Gr-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollec

42、tion - Stand 2016-11-6- VDI/VDE 2643 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 1 993en nachgewiesen und in elektrische Signale umgewandelt werden den Meumformer, in dem die elektrischen Signale des Aufnehmers verstrkt und in ein durchfluproportionales Analogsignal umgeformt werd

43、en5.1 Merohr und WirbelkrperDer Wirbelkrper ist ein Bauteil im Merohrquerschnitt des Wirbelzhlers. Er ist entweder einseitigoder beidseitig fest mit dem Merohr verbunden.Seine umstrmten Kanten sind im allgemeinen entgegen der Strmungsrichtung scharfkantig ausgebildet. Hufig genutzte Profile fr Wirbe

44、lkrper sind: Dreieck-Profil (Delta-Profil) Rechteck-Profil T-Profil Trapez-Profilsowie Modifikationen dieser Grundprofile.Form und Abmessungen des Wirbelkrpers und deren Verhltnis zum freien Merohrquerschnitt beeinflussen die KennHnienabweichung (Nicht-Linearitt).Eine optimale Wirbelkrperform ist ni

45、cht bekannt.In Bild 2 ist ein Wirbelkrper mit quadratischemProfil dargestellt.5.2 AufnehmerDer Aufnehmer besteht aus dem Fhler, der galvanischen Trennung und dem Vorverstrker. Je nachAusfhrungsform bilden Fhler und Vorverstrkereine Einheit oder sind getrennte bauliche Einheiten,Bild 4. Der Fhler kan

46、n innerhalb oder auerhalbdes Merohres angeordnet sein.Konstruktive Ausfhrungen sind: Fhler im Wirbelkrper Fhler am Wirbelkrper Fhler im Merohr, auerhalb des Wirbelkrpers Fhler auerhalb des MerohrsWirbelkrperBluff bodyFhler .Detecting elementImpulsAufbereitungPulse generationDigitaleSchnittstelleDigi

47、talInterfaceMeum former/MeumsetzerTransducer/measurement ConverterAufnehmerPrimary deviceBild 4. Signalfluplan fr WirbelzhlerB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11Alle Rechte vorbehalten Verein Deutsch

48、er Ingenieure, Dsseldorf 1993 VDI/VDE 2643 -7-5.3 Signalerfassung und MewertverarbeitungDas Signal des Aufnehmers enthlt im allgemeinenberlagerte Strsignale, die nicht durch die Wirbelbildung verursacht werden. Dieses Signal kann nichtunmittelbar als Ausgangssignal verwendet werden.Es wird daher im Meumformer/Meumsetzer gefiltert, verstrkt, hinsichtlich seiner Periodizitt bewertet und in normierte Recht