VDI VDE 3513 Blatt 1-2014 Variable-area flowmeters - Calculation methods.pdf

1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKSchwebekrperdurchflussmesserBerechnungsverfahrenVariable-area flowmetersCalculation methodsVDI/VDE 3513Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und StrukturanalyseVDI-H

2、andbuch EnergietechnikVDI/VDE-RICHTLINIENICS 17.120.10 Mrz 2014 March 2014Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as autho

3、rita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.FrhereAusgabe: 11.09 Former edition: 11/09Zubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2014VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und

4、 Automatisierungstechnik (GMA)Fachbereich Prozessmesstechnik und StrukturanalyseInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 22 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5、. 33 Formelzeichen und Indizes . . . . . . . . . . 34 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.1 Messprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.2 Durchflussgleichungen . . . . . . . . . . . 55 Praktischer Gebrauch der Durchflussgleichungen. . . . . . . . . . . . . 6Anhang Beispiele zur

6、Umrechnung einer vorhandenen Durchflussskale . . . . . . 8Beispiel 1 Flssiger Messstoff. . . . . . . . . 8Beispiel 2 Gasfrmiger Messstoff . . . . . . . 10Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . .

7、. . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 33 Symbols and indices. . . . . . . . . . . . . . 34 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54.1 Measurement principle . . . . . . . . . . . 54.2 Flow equ

8、ations . . . . . . . . . . . . . . . 55 Practical application of the flow equations . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Annex Examples of converting an existing flow scale. . . . . . . . . . . . . 8Example 1 Liquid measured substance . . . . 8Example 2 Gaseous measured substance . . . 10Bibliography

9、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EF8DD9NormCD - Stand 2014-03Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 2 VDI/VDE 3513 Blatt 1 / Part 1VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben

10、und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung de

11、r Lizenz-bedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungDie physikalischen Grundlagen der Schwebekrper-durchflussmesser wurden von Ruppel und Umpfen-bach 1

12、 eingehend untersucht. In Weiterentwicklung dieser Untersuchungen wurden von einigen Herstel-lern verschiedene Berechnungsverfahren 2 bis 4 aufgestellt. Auf Wunsch der Anwender 5 wurde das in dieser Richtlinie dargestellte vereinheitlichte Be-rechnungsverfahren erarbeitet.Die Richtlinienreihe VDI/VD

13、E 3513 besteht aus nachfolgenden Blttern:Blatt 1 BerechnungsverfahrenBlatt 2 Fehlergrenzen G des Gerts Blatt 3 Auswahl- und Einbauempfehlungen Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3513.1 AnwendungsbereichDie Richtlinie definiert B

14、erechnungsverfahren zur Auslegung und Beschreibung von Schwebekrper-durchflussmessern und deren Skale. Weiterhin wer-den grundlegende Wirkungsweisen bei der Durch-flussmessung mit Schwebekrperdurchflussmessern beschrieben. Die vorgestellten Berechnungsverfah-ren ermglichen Anwendern neben der Ausleg

15、ung ei-ner Skale fr bestimmte Messstoffe auch die Um-rechnung einer bereits definierten Skale eines Gerts in eine neue Skale fr einen anderen Messstoff. Diese Umrechnung wird im Anhang anhand von zwei Bei-spielen anschaulich erlutert.Preliminary noteThe content of this standard has been developed in

16、 strict accordance with the requirements and recom-mendations of the standard VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this standa

17、rd without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI Notices (www.vdi.de/richtlinien). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this standard.IntroductionThe physical principles of variable-area flowmeters have been inve

18、stigated in depth by Ruppel and Ump-fenbach 1. As part of a further development of these investigations, several manufacturers have proposed various calculation methods 2 to 4. The standard-ised calculation method described in this standard was developed in response to requests by users 5. The serie

19、s of standards VDI/VDE 3513 consists of the following parts:Part 1 Calculation methodsPart 2 Maximum permissible errors, G, of the systemPart 3 Selection and installation recommendationsA catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3513.

20、1 ScopeThe standard defines calculation methods for the in-terpretation and description of the variable-area flow-meters and their scale. Also described are basic ef-fects in the measurement of flow with variable-area flowmeters. The described calculation procedure al-lows the conversion of a pre-de

21、fined scale of a device in a new scale for measuring another substance in ad-dition to the interpretation of a scale for specific flu-ids. This conversion is vividly explained in the annex by means of two examples. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EF8DD9NormCD - Stand 2014-03All rights reserv

22、ed Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 VDI/VDE 3513 Blatt 1 / Part 1 3 2 Terms and definitionsFor the purposes of this standard, the following terms and definitions apply:Density of the gas in the normal state (n)Density of gaseous measured substances at 1013 hPa, 0 C as per DIN 1306 (o

23、r DIN 1343).Density of the float (S)Ratio of its mass mS to its volume VS. Note: This applies also to floats consisting of several materials with differing densities.Diameter of the measuring cone (d )At a particular height above the zero reference mark is the diameter of the circle whose area equal

24、s that of the free cross-section of the measuring cone at this height. Note: It is needed (only by the manufacturer) to calculate the diam-eter ratio (or the aperture ratio). Diameter of the float (D)Diameter of the horizontal circular cross-sectional area at the height of the narrowest free annular

25、 gap to the measuring cone.Note: It is stated by the manufacturer.Vertical position of the float (h)Distance between the read-off edge on the float and the zero reference mark on the measuring cone.3 Symbols and indicesThe following symbols and indices are used through-out this standard:2 BegriffeFr

26、 die Anwendung dieser Richtlinie gelten die fol-genden Begriffe:Dichte des Gases im Normalzustand (n)Dichte fr gasfrmige Messstoffe bei 1013 hPa, 0 C nach DIN 1306 (bzw. DIN 1343).Dichte des Schwebekrpers (S)Quotient aus der Masse mS und dem Volumen VS des Schwebekrpers.Anmerkung: Das gilt auch fr S

27、chwebekrper, die aus mehreren Werkstoffen unterschiedlicher Dichte bestehen.Durchmesser des Messkonus (d )In einer bestimmten Hhe ber der Nullmarke der Durchmesser des Kreises, der mit dem freien Quer-schnitt des Messkonus in dieser Hhe flchengleich ist.Anmerkung: Er wird (nur vom Hersteller) zum Be

28、rechnen des Durchmesserverhltnisses (oder des ffnungsverhltnisses) ben-tigt.Durchmesser des Schwebekrpers (D)Durchmesser der horizontalen kreisfrmigen Quer-schnittsflche in Hhe des engsten freien Ringspalts zum Messkonus.Anmerkung: Er wird vom Hersteller angegeben.Hhenstellung des Schwebekrpers (h)A

29、bstand der Ablesekante am Schwebekrper von der Nullmarke des Messkonus.3 Formelzeichen und IndizesIn dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet:Formel-zeichen /SymbolBenennung Term Einheitnach SI /SI unitIn GleichungenverwendeteEinheiten / unitsused in equationsB,

30、C Faktoren, die zur Skalenum-rechnung bentigt werdena) factors used for scale conversiona)Da Durchmesser des Schwebe- krpers diameter of the float m mmd Durchmesser des Messkonus diameter of the measuring cone m mmgFallbeschleunigungAnmerkung: Mittlerer Wertgravitational accelerationNote: The mean h

31、 Hhenstellung des Schwebe-krpers vertical position of the float m mmmS Masse des Schwebekrpers mass of the float kg gg 9,81 ms2-=g 9,81 ms2-= ms2- ms2-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EF8DD9NormCD - Stand 2014-03Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 4 VDI/VD

32、E 3513 Blatt 1 / Part 1a) Faktor bercksichtigt die Fallbeschleunigung g. / Factor takes the gravitational acceleration g into account.Formel-zeichen /SymbolBenennung Term Einheitnach SI /SI unitIn GleichungenverwendeteEinheiten / unitsused in equationsp Druckverlust im Durchfluss-messer pressure los

33、s at the flowmeter Pap1 Druck vor dem Durchfluss-messer pressure in front of the flowmeter Pap2 Druck hinter dem Durchfluss-messer pressure behind the flowmeter Paqm Massedurchfluss mass flowqv Volumendurchfluss volume flowRu Ruppelzahl ruppel number T Temperatur des Messstoffs temperature of the me

34、asured substance K CVS Volumen des Schwebekrpers volume of the float m3 mm3 Durchflusszahl flow coefficient Durchmesserverhltnis diameter ratio ( 2 1) ffnungsverhltnis aperture ratio dynamische Viskositt des MessstoffsAnmerkung: SI-Einheit ist Pa s (Pascalsekunde). Gebruchlich ist bei Flssigkeiten 1

35、 cP (Zentipoise) = 1 mPa s (Millipascal-sekunde), bei Gasen 1 P = 0,1 Pa s (Mikropascalsekunde).dynamic viscosity of the measured substanceNote: The SI unit is Pa s (pascal-sec-ond). In liquids, 1 cP (centipoise) = 1 mPa s (millipascal-second) is commonly used, and in gases 1 P = 0,1 Pa s (micropasc

36、al-second).Pa s mPa s Dichte des Messstoffs (im Betriebszustand) density of the measured sub-stance (in the operational state)n Dichte des Gases im Normal-zustand desnity of the gas in the normal states Dichte des Schwebekrpers density of the floatgcms2-gcms2-gcms2-kgs-kgh-m3s-lh-dD-dD-kgm3- gcm3-kg

37、m3- gcm3-kgm3- gcm3-IndizesIn dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Indizes verwendet:1 Vor dem Durchflussmesser gemessene Gre 2 hinter dem Durchflussmesser gemessene GreIndicesThe following indices are used throughout this stand-ard:1 quantity measured in front of the flowmeter 2 qu

38、antity measured behind the flowmeterB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EF8DD9NormCD - Stand 2014-03All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014 VDI/VDE 3513 Blatt 1 / Part 1 5 4 Principles4.1 Measurement principleThe variable-area flowmeter is a device for measur-ing the

39、 flow of liquids and gases in pipelines. It con-tains a tapered vertical tube, wider end up, through which the measured substance flows from the bottom upwards and which contains a vertically movable float (Figure 1). This float always adjusts its position with increasing flow at an increasing heigh

40、t in such a way that its flow resistance equals and opposes its weight in the measured substance, thus being constant regardless of the flow. The vertical position of the float serves as a measure for the flow. The flow can be read off a scale. The read-off edge used is normally at the floats greate

41、st diameter. In spherical floats, the spheres up-permost point is used also. 4.2 Flow equationsThe following general flow equations hold for varia-ble-area flowmeters:Mass flow:(1)Volume flow:(2)qm D g mS 1 S- =qV - D g mS 1 S- =4 Grundlagen4.1 MessprinzipDer Schwebekrperdurchflussmesser ist ein Ger

42、t zur Messung des Durchflusses von Flssigkeiten und Gasen in Rohrleitungen. Er enthlt ein vertikales, sich nach oben erweiterndes und von unten nach oben von dem Messstoff durchstrmtes Rohr, in dem sich ein vertikal beweglicher Schwebekrper befindet (Bild 1).Dieser Schwebekrper stellt sich mit zuneh

43、mendem Durchfluss in zunehmender Hhe stets so ein, dass sein Strmungswiderstand seinem Gewicht in dem Messstoff entgegengesetzt gleich und somit unab-hngig vom Durchfluss konstant ist. Die Hhenstel-lung des Schwebekrpers dient als Ma fr den Durchfluss. Der Durchfluss kann an einer Skale ab-gelesen w

44、erden.Als Ablesekante wird blicherweise die Stelle des grten Durchmessers des Schwebekrpers genutzt. Bei kugelfrmigen Schwebekrpern wird auch der obere Scheitelpunkt der Kugel verwendet.4.2 DurchflussgleichungenFr Schwebekrperdurchflussmesser gelten folgende allgemeine Durchflussgleichungen:Massedur

45、chfluss:(1)Volumendurchfluss:(2)qm D g mS 1 S- =qV - D g mS 1 S- =Bild 1. Aufbau eines Schwebekrperdurchflussmessers Figure 1. Construction of a float flowmeterB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCAB7EF8DD9NormCD - Stand 2014-03Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2014

46、 6 VDI/VDE 3513 Blatt 1 / Part 1Die Durchflusszahl ist eine Funktion des Durch-messerverhltnisses und der Ruppelzahl Ru. = f1( ; Ru) (3)Die Werte der Durchflusszahl hngen von der je-weiligen Schwebekrperform und den Messstoff-eigenschaften ab. Sie unterscheiden sich deshalb je nach Hersteller und we

47、rden meist in Form eines Kennlinienblatts oder einer Tabelle angegeben. Das Durchmesserverhltnis (4)ist fr einen bestimmten Schwebekrper j und einen bestimmten Messkonus k eine Funktion der Hhen-stellung h des Schwebekrpers im Messkonus: = f2(h) (5)Werte dieser Funktion werden vom Hersteller meist i

48、n Form einer Tabelle angegeben.Statt als Funktion der Hhe h kann das Durchmesser-verhltnis auch als Funktion einer anderen Gre angegeben werden, die der Hhe h eindeutig zuge-ordnet ist. Solche Gren sind der Durchfluss von Messstoffen wie Wasser oder Luft, der relative Durchfluss in Prozent, bezogen auf den Skalenend-wert und Hhen- oder Winkelwerte auf einer beliebi-gen Hilfsskale. Anstelle des Durchmesserverhlt-nisse kann