Kalibrierfibel Volumenstrom - Testo Industrial Services GmbH
Kalibrierfibel Volumenstrom - Testo Industrial Services GmbH Kalibrierfibel Volumenstrom - Testo Industrial Services GmbH
Volumenstrom-Fibel Messtechnik und Kalibrierung 1. Auflage 2
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<strong>Volumenstrom</strong>-Fibel<br />
Messtechnik und Kalibrierung<br />
1. Auflage<br />
2
Nirgendwo passt der Spruch „wer misst, misst Mist“ besser als in<br />
der Strömungsmesstechnik!<br />
Wer die Strömung in einem Kanal mit einer Sonde misst, macht<br />
bereits den ersten Messfehler, da die Sonde die Strömung massiv<br />
beeinflusst. Oftmals ist jedoch eine Messung gar nicht anders<br />
möglich.<br />
Daher ist neben der Frage, mit welchen Messeinrichtungen<br />
man misst, besonders wichtig zu wissen, was man tut um das<br />
Messergebnis ggf. entsprechend zu korrigieren.<br />
In dieser Fibel geben wir Ihnen einen Überblick der verschiedenen<br />
Messverfahren zur Strömungs- und <strong>Volumenstrom</strong>messung<br />
sowie Tipps und Anleitungen zur Umsetzung und Realisierung<br />
der Messungen.<br />
Des Weiteren wird auf die Möglichkeiten der Kalibrierung von<br />
Strömungssonden eingegangen.<br />
Diese Fibel soll eine Hilfe zur Realisierung der Kalibrierung im<br />
Rahmen der Qualitätssicherung sein. Sie erhebt keinen Anspruch<br />
auf Vollständigkeit. Die hier genannten Ratschläge können auch<br />
keine Allgemeingültigkeit besitzen. Sie sind vielmehr eine Samm-<br />
lung von Erfahrungen und Eindrücken aus vielen Kundenbesuchen,<br />
eigenen Messungen und Kalibrierungen und lebhaften<br />
Diskussionen bei <strong>Testo</strong>-Kalibrierseminaren.<br />
Für weitere Hinweise und Anregungen sind wir dankbar.<br />
Ihr <strong>Testo</strong> industrial services Team<br />
industrial services<br />
Vorwort<br />
3
industrial services<br />
Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis<br />
6 1 Grundlagen der Strömungsmesstechnik<br />
6 1.1 Frühe Erfahrungen mit Luftströmung<br />
8 1.2 Einheiten und Größen Strömungsmessung<br />
11 2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
11 2.1 Überblick<br />
11 2.2 Stauklappenanemometer<br />
12 2.3 Stauscheibenanemometer<br />
12 2.4 Katathermometer<br />
12 2.5 Flügelradanemometer<br />
15 2.6 Halbschalenanemometer<br />
15 2.7 Staurohrmessung<br />
19 2.8 Thermische Strömungssonden<br />
22 2.9 Akustische Messverfahren<br />
23 2.10 Messprinzip LDA (Laser-Doppler-Anemometer)<br />
25 2.11 Übersicht <strong>Testo</strong>-Mess-Sonden und Messbereiche<br />
26 3 Messung in Kanälen<br />
26 3.1 Strömungsprofile<br />
30 3.2 Verfahren zur Netzmessung in Kanälen<br />
35 3.3 Berechnung des <strong>Volumenstrom</strong>s<br />
35 3.4 Fehlerquellen / problematische Mess-Stellen<br />
45 4 Messung an Austrittsgittern<br />
45 4.1 Messung an Kanalaustritten<br />
46 4.2 Fehlerquellen die das Messergebnis beeinflussen<br />
49 4.3 Messung an blasenden und saugenden Öffnungen<br />
51 4.4 <strong>Volumenstrom</strong>ermittlung über die Ventilatorkennlinie<br />
52 5 Kalibrierung von Strömungssonden<br />
52 5.1 Woher kommt der richtige Wert?<br />
52 5.2 Strömungsgenerator Windkanal zur Kalibrierung<br />
von Strömungssonden<br />
53 5.3 <strong>Testo</strong> DKD-Kanal<br />
56 6 Kalibrierung von <strong>Volumenstrom</strong>hauben<br />
56 6.1 DKD-<strong>Volumenstrom</strong>kanal der<br />
<strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
57 7 <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung Schornstein<br />
57 7.1 Kalibriergegenstand<br />
57 7.2 Verteilung der Messpunkte<br />
58 7.3 Das Referenz-Messequipment im Jahr 1996<br />
58 7.4 Messergebnis<br />
60 8 Verfahren zur <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
60 8.1 Übersicht<br />
60 8.2 Druckdifferenzmessung mittels einer Blende<br />
61 8.3 Direkte Messung des <strong>Volumenstrom</strong>s<br />
mittels Balometer<br />
62 8.4. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im<br />
Kanal und Berechnung über den Querschnitt<br />
63 8.5. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit am<br />
Austrittsgitter (z.B. Laminarflow-Filter) und<br />
Berechnung über den Querschnitt<br />
64 9 Literaturverzeichnis<br />
65 10 <strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
65 10.1 Prospektanforderung<br />
66 10.2 Notizen<br />
4 5
6<br />
1 Grundlagen der Strömungsmesstechnik<br />
Bewegung von Blättern<br />
und Zweigen<br />
1.1 Frühe Erfahrungen mit Luftströmung<br />
1.1.1 Nutzung der Windenergie<br />
Sehr früh machten die Menschen erste Erfahrungen mit Luftströmung.<br />
Schon vor 2500 Jahren wird aus Mesopotanien (Gebiet<br />
des heutigen Irans) von Windmühlen berichtet, mit denen die<br />
Luftströmung zur Energiegewinnung herangezogen wurde.<br />
Von dort breiteten sie sich bis Europa aus, wo sie in verschiedensten<br />
Ausführungen angewandt und bis zu modernen Windkraftanlagen<br />
weiterentwickelt wurden.<br />
Frühe Ausnutzung von Luftströmen<br />
1.1.2 Naturbeobachtungen<br />
Erst sehr viel später war neben der reinen Nutzung der Luftströmung<br />
auch die Erfassung deren Größe wichtig. Erste einfache<br />
„Messungen“ der Luftströmung erfolgten durch Beobachtungen<br />
in der Natur.<br />
1.1.3 „Historische“ Strömungs-Einheiten –<br />
Beaufort-Skala<br />
Diese Beobachtungen mündeten in die Beaufortskala, eine vom<br />
englischen Admiral Sir Francis Beaufort (1774-1852) im Jahr<br />
1805 aufgestellte zwölfteilige Skala der Windstärke.<br />
Die Beaufort-Skala gibt also die Wirkung des Windes wider und<br />
ist geeignet für die Einstufung von Segelanweisungen auf großen<br />
Segelschiffen.<br />
industrial services<br />
1 Grundlagen der Strömungsmesstechnik<br />
Anemometer wurden seit Mitte des 19. Jahrhunderts gebraucht,<br />
waren aber selten. Dadurch wurde die Beaufort-Skala die am<br />
weitesten verbreitete Art der Windbeurteilung. Erst 1946 wurde<br />
nach vielen Studien ein offizieller Zusammenhang zwischen<br />
Beaufort Werten und Windgeschwindigkeit festgestellt.<br />
7
8<br />
1 Grundlagen der Strömungsmesstechnik<br />
1.2 Einheiten und Größen Strömungsmessung<br />
1.2.1 Luftgeschwindigkeit<br />
Das Messen der Luftgeschwindigkeit ist mit die schwierigste Aufgabe<br />
bei der Beurteilung von raumlufttechnischen Anlagen. Das<br />
sieht man allein schon daran, wie viele Normen sich mit diesem<br />
Thema beschäftigen. Dabei spielt die Luftgeschwindigkeit nur bei<br />
Behaglichkeitsmessungen die Hauptrolle, in den meisten anderen<br />
Fällen will man als eigentliche Messgröße den <strong>Volumenstrom</strong> bestimmen,<br />
das heißt wie viel Luft von welcher Qualität zu welchem<br />
Zeitpunkt durch einen bestimmten Kanalabschnitt geht. Es reicht<br />
dabei nicht aus, eine einzelne Geschwindigkeit zu ermitteln und<br />
diesen Wert über die Fläche hochzurechnen, in den meisten Fällen<br />
muss eine aufwendige Mittelwertbildung durchgeführt werden.<br />
1.2.2 Strömungsgeschwindigkeit<br />
Die heute verwendete gültige Einheit zur Strömungsmessung ist<br />
m/s mit den gebräuchlichen Umrechnungen in km/h; m/min etc.<br />
1.2.3 Turbulenzgrad<br />
Der Turbulenzgrad ist ein Maß für die Störung einer Strömung.<br />
Dieser Strömung sind zufällige Schwankungen überlagert.<br />
Der Turbulenzgrad wird folgendermaßen ermittelt:<br />
Zuerst wird der Mittelwert berechnet. Anschließend wird die jeweilige<br />
Abweichung zwischen Mittelwert und einzelnem Messwert<br />
berechnet. Diese Abweichungen werden quadriert, addiert<br />
und die Anzahl der Messungen dividiert. Die Wurzel aus dieser<br />
Division ergibt den Turbulenzgrad in m/s.<br />
Üblicherweise wird dieser in % auf den mittleren Strömungswert<br />
bezogen, angegeben.<br />
industrial services<br />
1 Grundlagen der Strömungsmesstechnik<br />
Behaglichkeitssonde zur Messung des Turbulenzgrades<br />
Anwendungsbeispiel:<br />
Klimamessung am Arbeitsplatz<br />
Hier ist die zulässige Geschwindigkeit am Arbeitsplatz vom Turbulenzgrad<br />
abhängig (DIN 1946 Teil 2)<br />
z.B.:<br />
zulässige Luftgeschwindigkeit bei 24°C = 0,14 m/s bei TU = 60%<br />
zulässige Luftgeschwindigkeit bei 24°C = 0,29 m/s bei TU = 5%<br />
1.2.4 <strong>Volumenstrom</strong><br />
Zur Ermittlung des <strong>Volumenstrom</strong>s (= Betriebsvolumenstrom)<br />
wird die Strömungsgeschwindigkeit mit der Querschnittsfläche<br />
multipliziert.<br />
Beispiel:<br />
Kanal-Durchmesser = 0,60 m<br />
Diagramm Ermittlung<br />
Turbulenzgrad<br />
9
1 Grundlagen der Strömungsmesstechnik<br />
gemessene Strömungsgeschwindigkeit = 0,4 m/s<br />
Querschnittsfläche Kanal = 0,6 m * 0,6 m * π/4 = 0,283m²<br />
<strong>Volumenstrom</strong> = 0,283 m² * 0,4 m/s = 0,1132 m³/s = 0,1132 *<br />
3600 m³/h = 407,52 m³/h<br />
1.2.5 Norm-<strong>Volumenstrom</strong><br />
Norm m3 gemäß<br />
1) DIN 1343 Bezug: 1.013,25hPa / 0°C / 0 %rF<br />
2) DIN ISO 2533 Bezug: 1.013,25hPa / 15°C / 0 %rF<br />
3) DIN 1945 Bezug: 1.013,25hPa / 20°C / 0 %rF<br />
(Druckluft-Industrie)<br />
1.2.6 Massestrom<br />
Zur Ermittlung des Massestroms wird der <strong>Volumenstrom</strong> mit der<br />
Dichte des Mediums multipliziert.<br />
Beispiel:<br />
<strong>Volumenstrom</strong> = 407,52 m³/h<br />
Medium Luft; Dichte = 1,293 kg/m³<br />
Massestrom = 407,52 m³/h * 1,293 kg/m³ = 526,92 kg/h<br />
2.1 Überblick<br />
verschiedene Strömungsmessgeräte<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Schon vor etwa 100 Jahren wurden die wesentlichen, auch heute<br />
noch üblichen Verfahren wie Flügelradanemometer, thermische<br />
Anemometer, Stauklappenanemometer, Staurohrmessung, Katathermometer<br />
angewandt. Hinzu kamen in den letzten 20 Jahren<br />
noch die akustischen (Ultraschall) und optischen Verfahren<br />
(Laser-Doppler-Anemometer).<br />
2.2 Stauklappenanemometer<br />
Bei der mechanischen Geschwindigkeitsmessung drücken die<br />
anströmenden Luftmassen auf ein Prallblech. Dieses verändert<br />
dadurch seine Lage und bewegt einen Zeiger über eine Skala.<br />
Diese Messmethode hat einen sehr eingeschränkten Messbereich<br />
und bringt in der Praxis allenfalls eine rot/grün Information,<br />
das heißt <strong>Volumenstrom</strong> vorhanden oder Anlage steht still.<br />
Diese Messmethode ist sehr preiswert und sie wird dadurch oft<br />
als Schalter zur Überwachung von Mindestvolumenströmen oder<br />
auch zur Drehzahlbegrenzung eingesetzt.<br />
Stauklappenanemometer<br />
10 11
12<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Stauscheibenanemometer<br />
Katathermometer<br />
Flügelradanemometer<br />
2.3 Stauscheibenanemometer<br />
Durch das Stauscheibenanemometer fließt ein Teil-Luftstrom, der<br />
eine mit einem Zeiger gekoppelte drehbare Stauklappe gegen<br />
eine Spiralfeder auslenkt. Da die Anzeige dem auf die Staufläche<br />
wirkenden Strömungsdruck entspricht, ist sie von der Luftdichte<br />
abhängig.<br />
In Verbindung mit einem Staurohr können mit diesem Anemometer<br />
auch Messungen im Kanal durchgeführt werden.<br />
2.4 Katathermometer<br />
Das Thermometer wird in einem Wasserbad erwärmt. Aus der<br />
Abkühlzeit des Thermometers auf Raumtemperatur kann die<br />
Luftgeschwindigkeit berechnet werden. (DIN 1946 Blatt1)<br />
Wegen der umständlichen Handhabung ist das Katathermometer<br />
nur bei Geschwindigkeitsmessungen im Raum zu verwenden.<br />
Seine Anzeige ist nahezu unabhängig von der Strömungsrichtung,<br />
doch lässt sich nur ein zeitlicher Mittelwert für die Geschwindigkeitsmessung<br />
angeben, ein Momentwert ist nicht möglich.<br />
Strahlungseinflüsse können zu erheblichen Fehlern führen.<br />
2.5 Flügelradanemometer<br />
2.5.1 Eckdaten<br />
Das Messprinzip der Flügelradsonden basiert auf einer Umsetzung<br />
einer Drehbewegung in elektrische Signale. Das strömende Medium<br />
setzt das Flügelrad in Bewegung. Ein induktiver Näherungsschalter<br />
(Temperatureinsatz bis 140°C) bzw. Lichtleiter (Temperatureinsatz<br />
bis 350°C) „zählt“ rückwirkungsfrei die Umdrehungen<br />
des Flügelrades und liefert eine Impulsfolge, die im Messgerät umgesetzt<br />
und als Strömungswert angezeigt wird.<br />
Das Flügelrad ist relativ unproblematisch in der Anwendung, der<br />
abgedeckte Messbereich ist ideal für die in der Raumlufttechnik<br />
auftretenden Geschwindigkeiten.<br />
Probleme können bei Verschmutzung der Lager bzw. bei Kondensation<br />
feuchter Luft auftreten, hierdurch werden die Anlaufwerte<br />
des Flügelrades verschlechtert.<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Berechnungsformel:<br />
Umfangsgeschwindigkeit: u = v * tan α<br />
Im reibungsfreien Zustand gilt zwischen der Strömungsgeschwindigkeit<br />
v und der Umfangsgeschwindigkeit u des Flügelrades<br />
obige Formel, wobei α der Anstellwinkel des Flügelrades<br />
senkrecht zur Strömungsrichtung ist.<br />
2.5.2 Nachweis der Druckunabhängigkeit<br />
Das Flügelradanemometer misst im Gegensatz zu anderen<br />
Messverfahren druck-, temperatur- und dichteunabhängig (über<br />
den Standard Messbereich). Ein Untersuchungsbericht der Deutschen<br />
Gesellschaft für Luft und Raumfahrt (DLR) zeigt, dass ein<br />
optimales, nahezu reibungsfrei gelagertes Flügelrad druck-, temperatur-<br />
und dichteunabhängig misst.<br />
Diagramm Nachweis Druckunabhängigkeit<br />
Voraussetzung: Mediumsdichten > 0,6 kg/m³<br />
Diese Bedingung wird bei Luft erst ab Temperaturen größer<br />
350°C bzw. Drücken unter 500 hPa nicht mehr erreicht. Das Ergebnis<br />
wurde mit Versuchen in einer Druckkammer mit <strong>Testo</strong>-<br />
Flügelradsonden bestätigt.<br />
13
14<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Verdrehung Flügelrad<br />
separate Baugruppen Flügelrad<br />
2.5.3 Einfluss durch Verdrehen der Flügelradsonde<br />
Flügelradsonden verhalten sich relativ unkritisch bei Verdrehen innerhalb<br />
der Strömungsrichtung. Bei einer Verdrehung von ± 10°<br />
gegen die Hauptströmrichtung ist die Abweichung der mittleren<br />
Anzeige vom Sollwert i.d.R. unter 1%.<br />
2.5.4 Separat abgeglichene Baugruppe<br />
Ein Problem bei Flügelrädern ist die mechanische Empfindlichkeit<br />
(Hartmetallachse, Edelsteinlager) bei unsachgemäßer Behandlung.<br />
Hier hat sich die Austauschbarkeit des mechanischen<br />
Teiles bewährt, ebenfalls kann der abgenommene Flügelradkopf<br />
einfach im Ultraschallbad gereinigt werden.<br />
2.5.5 Eintauchtiefenabhängigkeit<br />
Die Anzeige aller Strömungssonden ist abhängig von der Anströmung<br />
der Sonde.<br />
Das Bild zeigt die Abhängigkeit der Anzeige einer 16 mm Flügelradsonde<br />
von der Eintauchtiefe in eine Strömung.<br />
Diagramm Eintauchtiefenabhängigkeit<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
2.5.6 Verschiedene Bauformen<br />
Zu beachten ist, dass für Kanalmessungen möglichst Flügelräder<br />
mit kleinem Durchmesser verwendet werden sollen, für die Messung<br />
an Austrittsgittern möglichst große Flügelräder mit integrierender<br />
Wirkung.<br />
2.6 Halbschalenanemometer<br />
In der Meteorologie wird das Halbschalenanemometer, auch<br />
Schalenkreuzanemometer genannt, für Windmessungen benutzt.<br />
Das Prinzip beruht darauf, dass der Strömungswiderstand<br />
einer Halbkugel bei Anströmung der konkaven Seite etwa dreimal<br />
so groß ist wie auf der entgegengesetzten Seite.<br />
2.7 Staurohrmessung<br />
Staurohre dienen zur Messung der Geschwindigkeit bei bekannter<br />
Strömungsrichtung.<br />
Weit verbreitet ist das Prandtl-Staurohr (deutscher Physiker,<br />
1875-1953), das sowohl den Gesamtdruck an der Kopfspitze als<br />
auch den statischen Druck an seitlichen Öffnungen aufnimmt und<br />
in zwei getrennten Röhrchen einem Differenz-Druckmessgerät<br />
zuführt.<br />
Das Staurohr hat einen sehr großen Messbereich, bevorzugt für<br />
hohe Geschwindigkeiten, (Genauigkeit steigt mit zunehmender<br />
Geschwindigkeit) und einen sehr großen Temperatureinsatz-<br />
bereich, der im Wesentlichen nur vom Material des Staurohres<br />
abhängt.<br />
verschiedene Flügelradbauformen<br />
Halbschalenanemometer<br />
15
16<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Das Staurohr ist sehr empfindlich gegen Verdrehungen aus der<br />
Strömungsachse, bei Strömungen mit hoher Turbulenz sowie bei<br />
drall- und wirbelbehafteten Strömungen.<br />
Für die Strömungsberechnung müssen alle Einflussgrößen der<br />
Dichte des verwendeten Mediums bekannt sein (Druck, Temperatur,<br />
Feuchte).<br />
Bei der Staurohrmessung wird ein Staurohr entgegen der Strömungsrichtung<br />
im Kanal ausgerichtet. Die anströmende Luft erzeugt<br />
im Inneren des Staurohres den dynamischen oder Staudruck.<br />
Über die Löcher seitlich am Staurohr wird der statische<br />
Luftdruck abgegriffen.<br />
Diese beiden Eingänge sind voneinander getrennt und werden<br />
auf separate Schlauchanschlüsse geführt. Bei der Differenzdruckmessung<br />
an diesen beiden Anschlüssen entfällt durch die<br />
Differenz der beiden Einzeldrücke der statische Druckanteil, übrig<br />
bleibt der rein dynamische Anteil. Dieser kann über eine Formel in<br />
Strömungswerte umgerechnet werden.<br />
Staurohrmessung<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
2.7.1 Hinweise zum Umgang mit Staurohren<br />
Sorgfältiger Umgang mit den Staurohren<br />
Die Prandtl-Sonde hat zwei Druckentnahemessstellen (statischer<br />
Druck und Staudruck).<br />
Zur Verbindung mit dem Differenzdruckmessgerät werden Kunststoffschläuche<br />
verwendet. Es muss unbedingt darauf geachtet<br />
werden, dass die Schläuche dicht auf den Anschluss-Stutzen<br />
und den eventuell erforderlichen Kupplungsstücken sitzen. Andernfalls<br />
ergeben sich durch den Druckunterschied zur Umgebung<br />
Strömungen in Sonde und Schlauch.<br />
Der dadurch verursachte Druckabfall kann das Mess-Signal stark<br />
verfälschen. Diese Fehler können auch auftreten, wenn die Verbindungsschläuche<br />
beschädigt sind. Deshalb ist entsprechend<br />
sorgsam mit den Schläuchen umzugehen und ihre Dichtheit vor<br />
jeder Messung zu kontrollieren. Messfehler entstehen auch häufig<br />
dadurch, dass die Schläuche versehentlich zusammengedrückt<br />
oder geknickt werden.<br />
Verschmutzung<br />
Werden Messungen an Küchen- und Industrieabluft durchgeführt,<br />
kann sich die Messbohrung für den Staudruck durch die<br />
von der Luft mitgeführten Partikel zusetzen. Es sind regelmäßige<br />
Sichtkontrollen und Reinigung der Messbohrung durchzuführen.<br />
Fehlerhafte Auswertung der Messergebnisse<br />
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im untersuchten Kanalquerschnitt<br />
berechnet man aus dem arithmetischen Mittel der<br />
Einzelgeschwindigkeiten. Diese errechnet sich wiederum aus den<br />
in Punkt 2.7.2 genannten Formeln. Häufig wird bei der Auswertung<br />
aus den gemessenen dynamischen Drücken der Mittelwert<br />
gebildet und daraus die mittlere Strömungsgeschwindigkeit berechnet.<br />
Diese Vorgehensweise ist mathematisch falsch und führt<br />
besonders bei verzerrten Strömungsprofilen zu unzulässigen Abweichungen<br />
vom korrekt ermittelten Wert.<br />
Ein weiterer Fehler ergibt sich oft dadurch, dass mit einer mittleren<br />
Dichte von 1200 g/m3 gerechnet wird. Bei der Messung von<br />
Außenluftströmen kann die tatsächliche Luftdichte um bis zu ± 10<br />
17
18<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
% vom oben angegebenen Mittelwert abweichen. Damit ergibt<br />
sich eine Unsicherheit des Luftstromes von bis zu ± 5%.<br />
Staurohre sind ideale Aufnehmer für die Strömungsmessung im<br />
mittleren bis hohen Geschwindigkeitsbereich, bei hohen Temperaturen<br />
oder verschmutzter Luft. Unter 5 m/s sind sie nur bedingt<br />
brauchbar, da der erzeugte Differenzdruck mit zu großen Fehlern<br />
im unteren Bereich behaftet ist. Eine brauchbare Druckmessung<br />
ist hier nur mit empfindlichen Geräten und größter Sorgfalt möglich.<br />
Stattdessen empfiehlt sich unter 5 m/s die Messung mit<br />
thermischen oder Flügelrad-Aufnehmern.<br />
2.7.2 Umrechnungsformel in Strömungsgeschwindigkeit<br />
oder:<br />
Einheiten: Einheiten:<br />
v: m/s v: m/s<br />
rho: kg/m³ rho: g/m³<br />
P .: dyn Pa P .: dyn hPa<br />
2.7.3 Dichteberechnung ohne Berücksichtigung<br />
der Feuchte<br />
Für Anwendungen im normalen Umgebungsbereich, d. h. Taupunkten<br />
unter 20°C kann der Einfluss der Feuchte vernachlässigt<br />
werden. Die Dichte der Luft kann dann nach folgender Formel<br />
berechnet werden:<br />
Einheiten:<br />
t: Temperatur in °C<br />
rho: Dichte in kg/m³<br />
P : abs Absolutdruck in hPa<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
2.7.4 Dichteberechnung mit Berücksichtigung<br />
der Feuchte<br />
Einheiten:<br />
t: Temperatur in °C<br />
rho: Dichte in kg/m³<br />
P : Absolutdruck in Pa<br />
abs<br />
j Relative Feuchte in %rF<br />
2.8 Thermische Strömungssonden<br />
Das Funktionsprinzip der thermischen Strömungsmessung basiert<br />
auf einem beheiztem Element (meist NTC), dem durch die<br />
auftretende kältere Strömung Wärme entzogen wird. Mit einer<br />
Regelschaltung wird die Temperatur konstant gehalten. Der Regelstrom<br />
ist ein Maß für die Geschwindigkeit.<br />
Die thermische Messung (Hitzkugel- oder Hitzdraht-Anemometer)<br />
ist von vielen Parametern abhängig. Ein Teil davon wird durch<br />
Normierung von vornherein ausgeschlossen:<br />
• Messen in Luft (beinhaltet Wärmeleitung und Wärmeübertragung)<br />
• Wärmestrahlung (die Wahl eines geeigneten Messortes wird<br />
vorausgesetzt)<br />
• Strömungsprofil (unterschiedliche Sondenausführungen für<br />
verschiedene Messaufgaben)<br />
19
20<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Hitzkugelanemomter<br />
Hitzdrahtanemometer<br />
Flügelräder reagieren auf das an ihnen vorbeiströmende Luftvolumen.<br />
Dabei ist die Messung quasi unabhängig von der Dichte<br />
dieser Luft.<br />
Im Gegensatz dazu wirkt auf thermische Anemometer die Masse<br />
der vorbeiströmenden Luft: bei Luft mit gleicher Geschwindigkeit,<br />
aber doppelter Masse (z.B. aufgrund doppelten Drucks), zeigt ein<br />
thermisches Anemometer den zweifachen Wert eines Flügelradanemometer<br />
an.<br />
Eine konstante Luftmenge ändert beim Transport durch einen Klimakanal<br />
seinen Druck und umgekehrt dazu sein Volumen bzw.<br />
seine Geschwindigkeit. Deshalb muss man beim Messen mit<br />
thermischen Anemometern größere Druckschwankungen berücksichtigen<br />
und diese im Messergebnis korrigieren.<br />
Die korrigierte Geschwindigkeit bzgl. Druck bzw. Dichte erhält<br />
man durch die Multiplikation des Messwertes mit dem entsprechenden<br />
Verhältnis der Drücke / Dichten.<br />
Thermische Anemometer sind besonders für den unteren Strömungsbereich<br />
geeignet. Im Messbereich bis 5 m/s bieten sie<br />
deutlich bessere Genauigkeiten als alle anderen Verfahren.<br />
Bei thermischen Anemometern kommen zwei NTC´s zum Einsatz.<br />
Der erste wird auf eine Temperatur aufgeheizt, die deutlich<br />
höher als die der zu messenden Umgebung liegt. Der zweite<br />
misst die Umgebungstemperatur und dient zur Kompensation<br />
von Temperatureffekten.<br />
Der aufgeheizte NTC wird durch vorbeiströmende Luft abgekühlt.<br />
Die Energie, die nachgeführt werden muss, um den Sensor trotzdem<br />
auf einer konstanten Temperatur zu halten, wird gemessen<br />
und mittels Abgleichdaten in eine Strömungsgeschwindigkeit<br />
umgerechnet.<br />
Die Eignung für niedrige Luftgeschwindigkeiten ergibt sich auch<br />
direkt aus der Sensorempfindlichkeitskurve. Die Empfindlichkeit<br />
ist im unteren Bereich sehr stark und nimmt mit zunehmender<br />
Strömungsgeschwindigkeit ab. Über 10m/s ist die Kennlinie so<br />
flach, dass fertigungsbedingte Abweichungen von der Ideal-<br />
Kennlinie nur noch mit großem Aufwand kompensiert werden<br />
können und der Anwender einen brauchbaren Messeffekt erhält.<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
2.8.1 Richtungscharakteristik Hitzdrahtsonde<br />
Diese Sonde hat gewollt eine ausgeprägte Richtungscharakteristik.<br />
Deshalb ist es mit dieser Sonde möglich Strömungsrichtungen<br />
zu erkennen.<br />
Richtungscharakteristik Hitzdrahtsonde<br />
2.8.2 Messverfahren und Einflüsse<br />
Dichteeinfluss<br />
2.8.3 Korrektur des Absolutdruckes<br />
Der Abgleich der thermischen Anemometer wird bei den meisten<br />
Herstellern auf einen Druck von 1013 hPa bezogen. Der Anwender<br />
muss nun, je nach seinem Absolutdruck vor Ort (Ermittlung<br />
siehe Staurohr sowie nachfolgendes Beispiel), den momentanen<br />
Absolutdruck im Messgerät eingeben oder, falls dies nicht möglich<br />
ist, manuell korrigieren.<br />
21
22<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Windkanal inkl. Referenz-System<br />
mit 16mm Flügelrad<br />
Kalibriergegenstand testo 425<br />
2.8.4 Beispiel-Kalibrierung in Mexico City<br />
Referenz-System:<br />
testo 400 inkl. 16mm Flügelrad<br />
Genauigkeit: ±(0.2 m/s +1% v. Mw.)<br />
Digit: ±0.1 m/s<br />
Kalibriergegenstand (KG):<br />
testo 425 inkl. Hitzdrahtsonde<br />
Genauigkeit: ±0.53 m/s<br />
Digit: ±0.01 m/s<br />
Umgebungsbedingungen Mexico City<br />
Ortshöhe: 2000 m; aktueller atmosphärischer Druck: 800 hPa<br />
Ergebnisse (Anzeigen der Messgeräte):<br />
Referenz: 10,1 m/s, Kalibriergegenstand: 8,20 m/s<br />
Kalibrier-Ergebnis ohne Druckkorrektur:<br />
8,20 m/s – 10.1 m/s = -1,90 m/s<br />
Druck-Korrektur:<br />
g<br />
Kalibrier-Ergebnis mit Druckkorrektur:<br />
10,38 m/s – 10,1 m/s = 0,28 m/s<br />
2.9 Akustische Messverfahren<br />
2.9.1 Physikalische Grundprinzipien<br />
Mitführungseffekt<br />
Die Mitführung von Schallwellen im Fluid ändert die Ausbreitungsgeschwindigkeit<br />
der Welle.<br />
c+v in Strömungsrichtung<br />
c-v gegen die Strömungsrichtung<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Dopplereffekt<br />
Es entsteht eine Frequenzänderung delta f wenn sich Sender und<br />
Empfänger aufeinander zu (+) oder voneinander weg (-) bewegen.<br />
Messungen nach dem Dopplereffekt sind möglich, wenn die<br />
Strömung schallstreuende Teilchen mit sich führt, die als bewegte<br />
Sender oder Empfänger dienen (Feststoffteilchen, Gasbläschen<br />
in Flüssigkeiten etc.).<br />
Es ist ein Messverfahren, das hauptsächlich im Bereich der<br />
Durchflussmessechnik von Flüssigkeiten und Gasen angewandt<br />
wird. Durch stationär eingebaute Mess-Systeme sind Genauigkeiten<br />
von besser 1% möglich.<br />
Mit aufwendigen Rechenverfahren und Auswertelektroniken ist<br />
hier neben der reinen Erfassung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
auch die Erfassung der Strömungsrichtung möglich.<br />
Ultraschallanemometer<br />
2.10 Messprinzip LDA (Laser-Doppler-Anemometer)<br />
Basis für diese Auswertung ist das Nutzen des Dopplereffektes<br />
im optischen Bereich.<br />
Der Strahl eines Lasers wird mit einem Strahlteiler in zwei parallele<br />
Strahlen aufgespalten. Diese parallelen Strahlen werden über<br />
eine Linse am Messpunkt in der zu vermessenden Strömung zum<br />
Schnittpunkt gebracht.<br />
23
24<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
Das Messvolumen hat etwa einen elliptischen Querschnitt und<br />
ist von einem Hell-Dunkel-Streifen-System (man denke an Lichtschranken)<br />
durchzogen, das durch die Interferenz der beiden sich<br />
kreuzenden Laserstrahlen entsteht. Die zu messende Strömung<br />
muss kleine Partikel enthalten. (1-5 µm). Solche Partikel sind in<br />
den meisten Gasen als natürliche Verunreinigung enthalten, können<br />
bei Bedarf aber auch zugegeben werden.<br />
Wenn sich nun ein Partikel durch das Lichtschrankensystem<br />
bewegt, so verursacht es jeweils beim Durchgang durch eine<br />
„Lichtschranke“ Streulicht in alle Raumrichtungen. Mittels einer<br />
Empfangslinse wird ein Teil des Streulichts auf eine Photodiode<br />
fokusiert. Die Frequenz dieser Streulichtimpulse und der Abstand<br />
der Interferenzstreifen gehen in die Berechnung der Geschwindigkeit<br />
ein.<br />
Bei LDA (Laser-Doppler-Anemometer) wird somit die Geschwindigkeit<br />
m/s auf die SI-Einheiten Meter (Abstand der Interferenzstreifen)<br />
und Sekunde (Frequenz des Streulichts) zurückgeführt.<br />
Mess-Stelle nach Austrittsdüse im DKD-Windkanal der <strong>Testo</strong> industrial services<br />
Grundprinzip LDA-Messung<br />
industrial services<br />
2 Messung der Strömungsgeschwindigkeit<br />
2.11 Übersicht <strong>Testo</strong>-Mess-Sonden und Messbereiche<br />
<strong>Testo</strong> Strömungssonden<br />
25
26<br />
3 Messung in Kanälen<br />
3.1 Strömungsprofile<br />
3.1.1 Laminare Strömung<br />
Bei der laminaren Strömung oder Schichtströmung bewegen<br />
sich die Teilchen auf zur Kanalachse parallelen Stromlinien, ohne<br />
sich untereinander zu vermischen. Das Strömungsprofil hat ein<br />
ausgeprägtes Maximum in der Kanalmitte.<br />
Faustformel: Die mittlere Geschwindigkeit bei laminarer Strömung<br />
liegt bei ca. 1/3 D<br />
Strömungscharakteristik<br />
Strömungsprofil<br />
3.1.2 Turbulente Strömung<br />
Bei der turbulenten oder wirbelbehafteten Strömung treten neben<br />
der in Kanalachse gerichteten Transportbewegung noch Querbewegungen<br />
auf, die zu einer Vermischung der Strömungsteilchen<br />
führen. Die Geschwindigkeitsverteilung ist wesentlich gleichmäßiger<br />
als bei der laminaren Strömung.<br />
Strömungscharakteristik<br />
Strömungsprofil<br />
3.1.3 Ideale laminare und turbulente Strömungsprofile<br />
Das nächste Bild zeigt ideale Strömungsprofile im Kanal. Links<br />
eine ausgeprägte laminare Strömung mit einem deutlichen Maximum<br />
in der Kanalmitte, die mittlere Strömungsgeschwindigkeit<br />
liegt bei ca. einem Drittel des Kanaldurchmessers. Rechts sieht<br />
man ein turbulentes Grenzschichtprofil (keine Verwirbelungen) mit<br />
einer weitgehend konstanten Strömung in der Kanalmitte und<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
27
28<br />
3 Messung in Kanälen<br />
drastischem Abfall an den Wänden. Zwischen diesen beiden Idealformen<br />
sind alle Mischformen möglich, deshalb ist eine Netzmessung<br />
in der Regel unumgänglich.<br />
laminare und turbulente Strömungsprofile<br />
3.1.4 Reynoldszahl<br />
Die Bestimmung, ob eine Strömung laminar oder turbulent ist,<br />
erfolgt über die sogenannte Reynoldszahl.<br />
Beim Messen in Kanälen hängt die Messgenauigkeit sehr stark<br />
von dem im Kanal ausgeprägten Strömungsprofil ab. Extreme,<br />
ideale Geschwindigkeitsprofile sind zum einen die laminare Strömung,<br />
diese ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein ausgeprägtes<br />
Maximum in der Kanalmitte besitzt mit einem symmetrischen<br />
Rückgang der Geschwindigkeit zur Kanalwand hin. Ca.<br />
auf 1/3 des Kanaldurchmessers findet man die mittlere Luftgeschwindigkeit.<br />
Ein anderes, ideales Profil ist das turbulente Grenzschichtprofil.<br />
Dieses ist besonders gut für die punktuelle Mittelwertbildung geeignet,<br />
da fast über den gesamten Kanalquerschnitt eine relativ<br />
gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit herrscht.<br />
Solche idealen Profile findet man fast nur in sehr langen geradlinig<br />
verlaufenden Kanälen, in denen sich keine Störstellen befinden.<br />
In der Praxis findet man fast ausschließlich problematische Mess-<br />
Stellen, d. h. Kanalabschnitte, die nicht ausreichend lang geradlinig<br />
sind. Blenden, Ventile, Krümmer und sonstige Bögen behindern<br />
die Ausbildung einer gleichmäßigen Strömung. In harmlosen<br />
Fällen führt das dazu, dass das Maximum des Strömungsprofils<br />
nicht in der Kanalmitte liegt, sondern eher am Rand, in problematischen<br />
Fällen kann es auch Rückströmeffekte geben oder einen<br />
Bereich ohne Strömung.<br />
Bei der Messung in Kanälen mit kleinem Querschnitt (als Richtwert<br />
gilt hier, wenn die angeströmte Fläche der Sonde im Verhältnis<br />
zum freien Kanalquerschnitt größer als 1:100 ist) stört die eingebrachte<br />
Sonde selbst das Strömungsverhalten im Kanal. Die<br />
Anzeige ist dabei um den prozentualen Anteil der Querschnittsverengung<br />
erhöht.<br />
Mit diesem Faktor kann die angezeigte Strömungsgeschwindigkeit<br />
verrechnet werden. Wichtig ist hierbei, dass auf einer Länge<br />
von mind. 10x Kanaldurchmesser vor der Sonde und 4-6x<br />
Kanaldurchmesser nach der Sonde keine Störstellen vorhanden<br />
sind und die Mess-Stelle Kanalwand/Sondenschaft gut abgedichtet<br />
wird.<br />
Einheiten:<br />
Re= Reynoldszahl (dimensionslos)<br />
d= Kanaldurchmesser in m<br />
v= Strömungsgeschwindigkeit in m/s<br />
u= kinematische Viskosität in m²/s<br />
Kennzahl:<br />
laminar: Re = < 2320<br />
turbulent: Re= > 2320<br />
Beispiel 1 (turbulentes Strömungsprofil):<br />
Einheiten:<br />
d= 0,1 m<br />
v= 1 m/s<br />
u= 17e-06 m²/s (Wert für Luft)<br />
Re ist größer als 2320, d.h. Strömung ist turbulent<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
29
30<br />
3 Messung in Kanälen<br />
Beispiel 2 (laminares Strömungsprofil):<br />
Einheiten:<br />
d= 0,1 m<br />
v= 1 m/s<br />
u= 17e-06 m²/s (Wert für Luft)<br />
Re ist kleiner als 2320, d.h. Strömung ist laminar<br />
3.2 Verfahren zur Netzmessung in Kanälen<br />
3.2.1 Verfahren nach DIN EN 12599<br />
Im Folgenden sind Messverfahren/-methoden, Berechnungen<br />
und Messgeräte zur <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung beschrieben,<br />
welche u. a auch in der DIN EN 12599 vorgeschlagen werden.<br />
DIN EN 12599<br />
Lüftung von Gebäuden<br />
Prüf- und Messverfahren für die Übergabe eingebauter raumlufttechnischer<br />
Anlagen.<br />
3.2.2 Trivialverfahren<br />
Als Trivialverfahren werden alle Messverfahren bezeichnet, bei<br />
denen keine besonderen Annahmen über das Geschwindigkeitsprofil<br />
getroffen werden können. Das Geschwindigkeitsfeld<br />
wird auf beliebig vielen Messgeraden punktweise ausgemessen.<br />
Die Zahl der Messpunkte ist neben der geometrischen Größe des<br />
Querschnitts entscheidend vom Geschwindigkeitsprofil abhängig.<br />
Im Bereich großer Geschwindigkeitsunterschiede sind die<br />
Abstände der Messpunkte kleiner zu wählen und entsprechend<br />
differenziert zu bewerten.<br />
In rechteckigen Luftleitungen kann der Messquerschnitt vereinfacht<br />
in gleich große Flächenelemente aufgeteilt werden. Der relative<br />
Wandabstand der Messpunkte wird dann nach folgender<br />
Formel berechnet:<br />
y, x Koordination der Messpunkte<br />
i i<br />
B Breite der Luftleitung<br />
H Höhe der Luftleitung<br />
i Ordnungszahl des Messpunktes (auf einer Messgeraden)<br />
n Zahl der Messpunkte (auf einer Messgeraden)<br />
Bei einem gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofil kommt man bereits<br />
mit wenigen Messpunkten zu einem repräsentativen Messergebnis.<br />
Stellt man jedoch über den Querschnitt starke Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede<br />
fest, so ist die Anzahl der Messpunkte<br />
zu erhöhen. Die Anzahl der Messpunkte ist dann ausreichend,<br />
wenn der Messwert einer jeden Fläche für seine nähere<br />
Umgebung repräsentativ ist, d.h. wenn er als echter Mittelwert für<br />
seine Teilfläche angesehen werden kann.<br />
Trivialverfahren – relativer Wandabstand nach DIN EN 12599<br />
relativer Wandabstand der Messpunkte im Rechteckkanal (Trivialverfahren)<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
Schema Netzmessung<br />
Messpunktverteilung<br />
Trivialmethode<br />
31
32<br />
3 Messung in Kanälen<br />
Schwerlinienverfahren<br />
3.2.3 Schwerlinien-Verfahren<br />
Das Schwerlinien-Verfahren ist für Kreis- und Kreisringquerschnitte<br />
anzuwenden. Bei dieser Methode werden die Messorte<br />
so gewählt, dass:<br />
• zu jeder Messung ein flächengleicher Kreisring gehört<br />
• bei linearer Geschwindigkeitsverteilung die repräsentative<br />
Geschwindigkeit nicht auf der Mittellinie, sondern auf der<br />
Schwerlinie des Kreisringes liegt.<br />
Die Auswertung der Messung erfolgt durch arithmetische Mittelung<br />
der einzelnen Geschwindigkeitswerte in den Schwerlinien.<br />
Schwerliniendurchmesser:<br />
D i / D<br />
Abstand der Schwerlinien<br />
von der Rückwand:<br />
y i / D<br />
Kreisrohr<br />
D Durchmesser des Außenkreises<br />
i Ordnungszahl der Kreisringe von außen gezählt<br />
n Anzahl der Kreisringe<br />
Schwerlinien-Verfahren – relativer Wandabstand<br />
nach DIN EN 12599<br />
relativer Wandabstand der Messpunkte im runden Kanal<br />
(Schwerlinienverfahren)<br />
Schwerlinien-Verfahren – relativer Schwerliniendurchmesser<br />
nach DIN EN 12599<br />
relativer Schwerliniendurchmesser<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
33
34<br />
3 Messung in Kanälen<br />
3.2.4 Log-linear Verfahren<br />
Das Log-linear Verfahren geht von der Voraussetzung aus, dass<br />
ein turbulentes Grenzschichtprofil vorhanden ist, das durch ein<br />
Log-linear-Gesetz beschrieben werden kann. Das Log-linear<br />
Verfahren kann allgemein bei Messungen in Kreisquerschnitten<br />
angewendet werden.<br />
Die Messunsicherheit ist grundsätzlich nicht größer als bei den<br />
anderen Verfahren. Die Messorte sind hierbei auf mindestens<br />
zwei zueinander senkrechten Durchmessern zu verteilen. Mehrere<br />
Messgeraden sind so zu wählen, dass gleiche Kreissegmente<br />
entstehen.<br />
Log-linear Verfahren<br />
Log-linear Verfahren – Beispiele relative Wandabstände<br />
relativer Wandabstand der Messpunkte im runden Kanal (Log-linear Verfahren)<br />
3.3 Berechnung des <strong>Volumenstrom</strong>s<br />
Aus den einzelnen Geschwindigkeitsmesswerten der verschiedenen<br />
Verfahren ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und daraus der<br />
Luftvolumenstrom nach folgender Formel zu berechnen:<br />
• <strong>Volumenstrom</strong> in m 3 /h<br />
• mittlere Strömungsgeschwindigkeit in m/s<br />
• Strömungsquerschnitt in m 2<br />
Beispiel:<br />
Bei einem Querschnitt A von 0,5 m2 und einer gemessenen mittleren<br />
Geschwindigkeit von 4 m/s ergibt sich ein <strong>Volumenstrom</strong><br />
von 7.200 m3 /h.<br />
3.4 Fehlerquellen / problematische Mess-Stellen<br />
3.4.1 Mess-Stellen Planung<br />
Wichtigste Voraussetzung für eine genaue Messung ist die Eignung<br />
des Messortes und des Mess-Sytems. Dies gilt besonders<br />
für die Durchführung von Luftstrommessungen in Kanälen. Deshalb<br />
muss schon der Anlagenplaner die Messorte im Ausführungsplan<br />
(Projektplan) festlegen. Dabei sind folgende Kriterien<br />
zu berücksichtigen:<br />
• An allen Hauptkanälen und an den Zuleitungen zu den Räumen<br />
mit hohen Anforderungen sind Luftstrommess-Stellen<br />
einzuplanen.<br />
• Es sind Mindestabstände zu Störstellen einzuhalten. Zu<br />
stromaufwärts liegenden Störstellen sollte ein Abstand eingehalten<br />
werden, der mindestens dem 6-fachen hydraulischen<br />
Durchmesser D h = 4 x A/U (A: Kanalquerschnitt, U: Kanalumfang)<br />
entspricht. Zu stromabwärtsliegenden Störstellen<br />
genügt ein Abstand von 2 x D h .<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
35
36<br />
3 Messung in Kanälen<br />
Für den Gesamtfehler sind insbesondere die Fehler durch den<br />
Einsatz des Messgerätes im unteren Teil des Messbereiches<br />
sowie die Unregelmäßigkeit (Verzerrung) des Strömungsprofiles<br />
ausschlaggebend.<br />
Zu den zufälligen Fehlern kommen noch sogenannte systematische<br />
Fehler hinzu. Dabei handelt es sich um „versteckte“ Fehler,<br />
die dadurch entstehen, dass die Person, welche die Messungen<br />
durchführt, verschiedene Einflüsse, die das Messergebnis verfälschen,<br />
nicht erkennt.<br />
Ein gutes Beispiel dafür ist die Messung der Luftgeschwindigkeit<br />
im Rückstromgebiet eines Bogens mit einem Messgerät, das<br />
unabhängig von der Strömungsrichtung positive Werte anzeigt.<br />
3.4.2 Fehler durch Messungen im unteren<br />
Teil des Messbereiches<br />
Je nach Messverfahren weisen Strömungssensoren eine unterschiedliche<br />
Fehlercharakteristik auf, die sich je nach Wahl des<br />
Messbereiches negativ auf das Messergebnis auswirken kann.<br />
So haben thermische Strömungssonden einen sehr kleinen<br />
Grundfehler (im Bereich +/-2...5 cm/s), dem ein Empfindlichkeitfehler<br />
von 2,5%...5% vom Messwert hinzuzufügen ist. D. h.<br />
thermische Sonden eignen sich in erster Linie zur Messung von<br />
niedrigen Luftgeschwindigkeiten, die Messunsicherheit nimmt mit<br />
steigender Luftgeschwindigkeit linear zu.<br />
Im Gegensatz dazu wird bei Flügelrädern die Messunsicherheit<br />
in der Regel in % vom Endwert angegeben. Flügelräder besitzen<br />
also einen konstanten Messfehler über ihren kompletten Messbereich.<br />
Dadurch haben Flügelräder ihren optimalen Einsatzbereich<br />
in der oberen Hälfte des Messbereiches. In der Regel kann man<br />
sagen bis 5 m/s sind thermische Anemometer vorzuziehen, über<br />
5 m/s Flügelräder.<br />
3.4.3 Fehler durch falsche Messtechnik<br />
Messung zwei verschiedener Strömungswerte mit einem Flügelrad<br />
Die Mess-Stelle weist ein sehr ausgeglichenes Strömungsprofil<br />
auf (Abstand von der Störstelle “Ventilator“ ca. 6 x D h ), so dass<br />
die Messungenauigkeit im wesentlichen auf den Einsatz des Flügelrades<br />
im unteren Teil des Messbereiches zurückzuführen ist.<br />
Bei der Messreihe 2 mit höherer Luftgeschwindigkeit (4 m/s), verringert<br />
sich die Messunsicherheit bereits von 19,5% auf 8,2%.<br />
Noch besser ist die Fehlercharakteristik bei der Staurohrmessung<br />
bei mittleren und hohen Luftgeschwindigkeiten. Durch die<br />
Wurzelbildung bei der Berechnung der Luftgeschwindigkeit aus<br />
dem dynamischen Staudruck geht der Messfehler bei steigender<br />
Luftgeschwindigkeit stark zurück (trotz eines konstanten Grundfehlers<br />
bei der Druckmessung).<br />
3.4.4 Fehler durch Störstelleneinfluss<br />
Die Messung von Luftströmen (Luftgeschwindigkeiten, dynamische<br />
Drücke) erfordert eine drall- und rückstromfreie Strömung.<br />
Deshalb muss die Mess-Stelle in ausreichendem Abstand<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
37
38<br />
3 Messung in Kanälen<br />
von der Störstelle gewählt werden. Eine Drallströmung ist stabil<br />
und kann sich über große Strecken im Kanalsystem fortsetzen. In<br />
solchen Fällen ist vor der Mess-Stelle ein Strömungsgleichrichter<br />
einzubauen.<br />
Problematische Mess-Stellen - Störstelleneinflüsse<br />
Rückströmungen, die durch Ventile, Klappen und Krümmer entstehen<br />
können, sind in der Regel nach einem Abstand vom zweifachen<br />
hydraulischen Durchmesser (2 x D h ; D h = 4 x A/U) zur<br />
Störstelle abgebaut. Allerdings ist das Strömungsprofil so stark<br />
verzerrt, dass eine hohe Anzahl von Messpunkten erforderlich ist,<br />
um die Unsicherheit der Messung gering zu halten.<br />
Im Bild sind die mit einem Prandtl-Staurohr gemessenen Strömungsprofile<br />
hinter einem Bogen für drei verschiedene Störstellenabstände<br />
aufgezeigt.<br />
Die Anzahl der zu wählenden Messpunkte eines Querschnitts<br />
können aus nachfolgender Tabelle 1 entnommen werden. Zuvor<br />
ist aus folgendem Bild die Unregelmäßigkeit (Verzerrung) des<br />
Strömungsprofils zu bestimmen.<br />
Strömungsprofile nach Krümmer<br />
Empirischer Zusammenhang zwischen Unregelmäßigkeit des Strömungsprofiles<br />
und dem relativen Abstand a/D von der Störstelle (aus DIN EN 12599)<br />
h<br />
Unsicherheit der Messung bei annähernd drallfreier Strömung in Abhängigkeit<br />
von der Anzahl der Messpunkte<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
39
40<br />
3 Messung in Kanälen<br />
Berechnungsbeispiel - Messung im Rechteckkanal<br />
Eckdaten:<br />
Länge: 2m<br />
Breite: 1m<br />
Berechnung des hydraulischen Durchmessers:<br />
Abstand zur Störstelle ist 3,5 x D h , daraus erfolgt eine Unregelmäßigkeit<br />
des Profils von 20% (siehe Bild „Empirischer Zusammenhang“).<br />
Will man nun eine Messortunsicherheit kleiner 12%<br />
erreichen, muss man mindestens 10 Messpunkte verteilen.<br />
Aus diesem Beispiel erkennt man, dass die Messfehler bei der<br />
Strömungsmessung in erster Linie durch die Verhältnisse am<br />
Messort, die Auswahl der richtigen Sonde und die richtige Handhabung<br />
bestimmt werden. Die Gerätetoleranzen sind demgegenüber<br />
zu vernachlässigen.<br />
3.4.5 Fehler durch Querschnittsverengung<br />
Die ideale Flügelradsonde für Kanalmessungen ist die kombinierte<br />
Strömungs-/Temperatursonde mit Ø 16 mm. Diese Sonde<br />
ist als Universalsonde anzusehen, da der Flügelradquerschnitt<br />
einerseits groß genug ist, dass sich Anlaufeffekte und Lagerverschmutzung<br />
nicht zu stark auswirken, andererseits sind die Maße<br />
so klein, dass der Prüfloch-Durchmesser nicht zu groß sein muss.<br />
Speziell in Verbindung mit einem Teleskop eignet sich diese Sonde<br />
für Messungen in großen Luftkanälen. Bei Messungen in kleinen<br />
Kanalquerschnitten ist der Einfluss des Flügelrad-Querschnittes<br />
auf die Genauigkeit der Messung nicht mehr zu vernachlässigen,<br />
dieser nimmt mit abnehmendem Kanalquerschnitt zu.<br />
Die gemessene Strömungsgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit<br />
von der Eintauchtiefe des Flügelrades gegenüber der Strömungsgeschwindigkeit<br />
vor der Sonde erhöht. Dieser Effekt ergibt sich<br />
durch die Querschnittsverengung des freien Strömungsquerschnittes<br />
nach Einbringen der Sonde in den Kanal.<br />
Versperrung des Strömungsquerschnittes durch die Sonde<br />
Korrekturformel<br />
Um diesen Effekt zu verdeutlichen, ist im unten stehenden Bild<br />
eine Vergleichsmessung zwischen einer Flügelradsonde Ø 25<br />
mm und einem Prandtl-Staurohr mit deutlich kleinerem Querschnitt<br />
bei einem Kanal mit 250 mm Durchmesser gezeigt.<br />
Messfehler durch die Verengung des freien Strömungsquerschnittes mit einem<br />
Flügelrad-Anemometer im Vergleich zu Staurohrmessungen. Der Bezugsvolumenstrom<br />
wurde mit der Einlaufdüse ermittelt<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
41
42<br />
3 Messung in Kanälen<br />
Die Messwerte einer Messreihe mit Flügelrad-Anemometer steigen<br />
mit zunehmender Eintauchtiefe an (z. B. in der vertikalen<br />
Ebene von 9,5 m/s bis 12,7 m/s).<br />
Als Mittelwert über alle Messpunkte ergibt sich aus der Querschnittsverengung<br />
durch das Flügelradanemometer eine erhöhte<br />
Anzeige von ca. 9 %. Dieser Wert entspricht der theoretischen<br />
<strong>Volumenstrom</strong>erhöhung. Tatsächlich weicht der gemessene <strong>Volumenstrom</strong><br />
um + 28% vom Bezugsvolumenstrom ab. Der zusätzliche<br />
Messfehler ist ein systematischer Fehler, der mit der<br />
stark gestörten Umströmung des Flügelrades und der geringen<br />
Eintauchtiefe im Kanal zusammenhängt.<br />
3.4.6 Fehler durch Rückstromeffekte<br />
Beim Einsatz von Flügelrädern ist das Auftreten einer Rückströmung<br />
nicht aus den Messwerten ersichtlich, da alle Werte betragsmäßig<br />
positiv angezeigt werden (die Drehrichtung des Flügelrades<br />
kann von der nachfolgenden Messtechnik nicht erkannt<br />
werden). Dieser Zusammenhang ist auch in der im nächsten Bild<br />
dargestellten Vergleichsmessung ersichtlich.<br />
Treten durch,von außen nicht sichtbare Kanaleinbauten (z.B.<br />
Schalldämpfer im wärmegedämmten Kanal oder im Rahmen von<br />
Montagearbeiten im Kanal zurückgelassene Gegenstände) starke<br />
Rückströmungen auf, werden üblicherweise zu hohe Luftströme<br />
gemessen.<br />
Rückströmungen können auch durch Ventile, Klappen und Krümmer<br />
entstehen. Diese sind in der Regel nach einem Abstand vom<br />
zweifachen hydraulischen Durchmesser (2 x D h ; D h = 4 x A/U) zur<br />
Störstelle abgebaut.<br />
Empfehlung:<br />
Verwendung von richtungsabhängig anzeigenden Sonden z.B.<br />
thermische Sonden oder Staurohre in Verbindung mit Drucksonden.<br />
Strömungsprofile, gemessen mit Flügelrad und Staurohr<br />
3.4.7 Messfehler bei der Luftstrommessung<br />
Auflistung der Einzel-Unsicherheiten<br />
In der Messtechnik-Theorie unterscheidet man zwischen zufälligen<br />
und systematischen Fehlern. Die zufälligen Fehler kann man<br />
anhand von Fehlerrechnungen abschätzen. Dabei werden die<br />
Unsicherheiten durch die Messanordnung, die Messmethode,<br />
die Messgeräte und die Ablesungen zu einer Gesamtunsicherheit<br />
zusammengefasst.<br />
In folgender Tabelle sind Beispielbeträge für eine Unsicherheitsabschätzung<br />
dargestellt.<br />
Unsicherheit Bezeichnung Betrag [in%]<br />
u1 Messortunsicherheit ±8<br />
u2 Unsicherheit des Anemometers ±2<br />
u3 Unsicherheit der Auflösung ±0,5<br />
u4 Unsicherheit der Kanalbreite ±0,167<br />
u5 Unsicherheit der Kanalhöhe ±0,25<br />
u6 Positionierunsicherheit ±0,2<br />
Messunsicherheitsabschätzung<br />
industrial services<br />
3 Messung in Kanälen<br />
43
3 Messung in Kanälen<br />
Eckdaten:<br />
• Messwert: 20 m/s<br />
• Messung mit einem 16mm Flügelrad:<br />
- Auflösung Gerät: 0,1m/s<br />
- Bereich: 0,6…40 m/s<br />
- Genauigkeit: ±1% v.Ew.<br />
• Rechteckkanal:<br />
- Breite (l): 1.200mm<br />
- Höhe (b): 800mm<br />
u 1<br />
u 2<br />
u3 u4 u 5<br />
u 6<br />
Unregelmäßigkeit des Profils 20% (siehe Bild Strömungsprofile<br />
nach Krümmer); bei 20 Messpunkten ergibt sich<br />
eine Messortunsicherheit von ±8%<br />
(40m/s : 20m/s) x 1% � ±2%<br />
(0,1m/s : 20m/s) x 100; Unsicherheit � ±0,5%<br />
Abschätzung: 2mm;<br />
Unsicherheit (2mm : 1.200mm) x 100 ±0,167%<br />
Abschätzung: 2mm;<br />
Unsicherheit (2mm : 800mm) x 100 � ±0,25%<br />
Abschätzung: 1% v.Mw. � ±0,2%<br />
Berechnung der Gesamtunsicherheit<br />
Ergebnis: 20m/s<br />
Unsicherheit: U=±8,27%=±1,65m/s<br />
Daraus ergibt sich für den <strong>Volumenstrom</strong>:<br />
4.1 Messung an Kanalaustritten<br />
Zur Messung an Kanalaustritten sind besonders große Flügelräder<br />
geeignet, da diese die Strömungsgeschwindigkeit über eine<br />
größere Fläche integrieren und somit die Störung vom Luftgitter<br />
gemittelt wird. Misst man hier mit Flügelrädern mit einem kleinen<br />
Durchmesser, so erhält man über den Gitterquerschnitt ein Auf<br />
und Ab von maximalen und minimalen Strömungswerten, je nach<br />
dem ob man sich gerade hinter dem Gitter oder gegenüber einer<br />
freien Öffnung befindet.<br />
Um hier ein repräsentatives Ergebnis zu erhalten, muss über<br />
eine sehr große Anzahl von Einzelwerten gemittelt werden. Beim<br />
großen Flügelrad reicht hier die Schleifenmethode aus, dabei wird<br />
die Sonde nach und nach über die komplette Fläche des Gitters<br />
bewegt und dabei zeitlich ein arithmetischer Mittelwert gebildet.<br />
Gittermessung am Kanalaustrit<br />
industrial services<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
Durch das Luftaustrittsgitter wird die relativ gleichmäßige Strömung<br />
im Kanalinnern stark verändert, es entstehen Gebiete mit<br />
erhöhter Strömungsgeschwindigkeit an den freien Austrittsflächen<br />
und Gebiete mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und<br />
Verwirbelungen an den Gittern. Je nach Ausführung des Gitters<br />
beruhigt sich das Strömungsprofil in einigem Abstand vom Gitter<br />
(ca. 20 cm). Es bleibt ein periodisch anwachsendes und abfallendes<br />
Strömungsprofil übrig.<br />
Nach der Ermittlung der mittleren Luftgeschwindigkeit errechnet<br />
sich der <strong>Volumenstrom</strong> durch multiplizieren dieses Wertes mit<br />
dem freien Strömungsquerschnitt des Gitters.<br />
44 45
46<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
Beispiel:<br />
mit:<br />
Kanalbreite: 0,5m<br />
Kanalhöhe: 0,2m<br />
Geschwindigkeit: 1m/s<br />
Faktor 0,8, da möglichst der freie Strömungsquerschnitt ermittelt<br />
werden soll.<br />
Schätzung: 20% der Gitterfläche durch Stege verdeckt.<br />
4.2 Fehlerquellen die das Messergebnis beeinflussen<br />
4.2.1 Ungleichmäßige Führungsgeschwindigkeit des<br />
Flügelrades<br />
Es sollten mehrere Messungen durchgeführt werden, z. B. einmal<br />
mit Führung der Sonde in senkrechten Schlaufen und einmal mit<br />
Führung der Sonde in horizontalen Schlaufen. Das mittlere Ergebnis<br />
wird für weitere Berechnungen verwendet.<br />
4.2.2 Beeinflussung der Luftströmung durch Flügelrad<br />
und Messperson<br />
Vermeidung von unnötigem Versperren des Luftauslasses, da jeder<br />
Strömungswiderstand das Messergebnis beeinflusst. Daher<br />
wird die Verwendung möglichst großer Flügelräder mit Teleskop<br />
empfohlen, dadurch befindet sich nur noch die Flügelradsonde<br />
im zu messenden Strömungsprofil.<br />
4.2.3 Ungleichmäßige Beaufschlagung des Gitters<br />
Die Beaufschlagung des Gitterquerschnittes ist abhängig von der<br />
Luftgeschwindigkeit im Kanal vor dem Luftdurchlass.<br />
In Bild ‚Gittermessung am Kanalaustritt‘ ist ein Luftkanal mit 3<br />
Gittern dargestellt.<br />
Das Strömungsprofil am ersten Gitter ist sehr ungleichmäßig, da<br />
industrial services<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
vor diesem Auslass die größte Strömungsgeschwindigkeit im Kanal<br />
herrscht.<br />
Im rechten Bereich des Gitters findet eine Rückströmung statt<br />
d.h. es wird Umgebungsluft in den Kanal gesaugt. Zudem weicht<br />
die Ausblasrichtung der Zuluft stark von der senkrechten ab.<br />
Schematische Darstellung (vereinfacht) der Geschwindigkeitsprofile am<br />
Luftaustritt, zur Verdeutlichung der unregelmäßigen Beaufschlagung des Gitterquerschnittes<br />
4.2.4 Abstand vom Flügelrad zum Luftaustrittsgitter ist<br />
nicht definierbar<br />
Zwischen den Luftleitlamellen erhöht sich die Luftgeschwindigkeit.<br />
Direkt dahinter treten unabhängig vom Umlenkwinkel Wirbelgebiete<br />
ohne definierte Strömungsrichtung auf. Der Einsatz von<br />
Flügelrädern beschränkt sich auf gerichtete Strömungen ohne<br />
ausgeprägte Geschwindigkeitsspitzen.<br />
Deshalb ist das Flügelrad in einem gewissen Mindestabstand<br />
über die Gitteroberfläche zu führen (Richtwert 5…30cm). Mit zunehmendem<br />
Abstand vom Luftauslass vergleichmäßigt sich zwar<br />
das Geschwindigkeitsprofil, allerdings weitet sich der Luftstrahl<br />
mit zunehmendem Abstand auf und die mittlere Geschwindigkeit<br />
nimmt ab. Die für die <strong>Volumenstrom</strong>berechnung heranzuziehende<br />
Querschnittsfläche ist hier nur schwer zu bestimmen,<br />
siehe Punkt 4.2.5.<br />
47
48<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
4.2.5 Freier Strömungsquerschnitt zur Berechnung des<br />
<strong>Volumenstrom</strong>es ist nicht definierbar<br />
Die zur gemessenen Geschwindigkeit korrespondierende Fläche<br />
kann nur geschätzt werden. Bei Luftgittern wird dabei vom freien<br />
Strömungsquerschnitt ausgegangen.<br />
Diese Art der Flächenermittlung ist nur für gerade angestellte Luftleitlamellen<br />
(ohne Umlenkung) möglich. Für alle anderen Fälle ergeben<br />
sich zu hohe Luftströme. Das gilt auch für mehrteilig aufgebaute<br />
Gitter (z. B. mit Mengeneinstellung). Vielfach wird die Querschnittsminderung<br />
durch die Gittereinbauten nach der Messung so abgeschätzt,<br />
dass der Soll-Luftstrom ungefähr erreicht wird.<br />
4.2.6 Zusammenfassung<br />
Die Messung der mittleren Luftgeschwindigkeit an Luftdurchlässen<br />
nach der Schlaufenmethode liefert nur dann überprüfbare<br />
(reproduzierbare) Ergebnisse, wenn die gleichmäßige Beaufschlagung<br />
des gesamten Gitterquerschnittes und die gerade Ausrichtung<br />
der Luftleitlamellen gewährleistet ist (keine Umlenkung).<br />
Dieser Fall ist in der Praxis nur selten vorzufinden, so dass die<br />
Schlaufenmethode für Abnahmemessungen nur bedingt geeignet<br />
ist und nur für abschätzende Messungen angewendet werden<br />
darf. Dasselbe gilt analog für die punktuelle Mittelwertbildung<br />
mit Sonden kleinen Querschnitts.<br />
Die Messung an Luftaustrittsgittern kann dadurch verbessert<br />
werden, dass man einen Ansatzkanal aus Hartschaum oder<br />
Spanplatten verwendet, wie in Bild „Ansatzkanal mit Netzmessung“<br />
dargestellt.<br />
Am Ende des Kanales wird nach der Trivialmethode eine Netzmessung<br />
z.B. mit einem Prandtl-Staurohr durchgeführt. Die Länge<br />
des Kanales muss mindestens den 4-fachen hydraulischen<br />
Durchmesser (4 x D h ; D h = 4 x A/U, berechnet aus dem Gitterquerschnitt)<br />
haben. Bei drallfreier Strömung und bei geringem<br />
Druckabfall durch den Ansatzkanal liefert diese Methode hinreichend<br />
genaue Ergebnisse. Theoretisch wird jedoch immer ein zu<br />
kleiner Luftstrom gemessen.<br />
Ansatzkanal mit Netzmessung<br />
industrial services<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
Für Einregelungsarbeiten an kleineren Luftdurchlässen wird häufig<br />
ein verjüngter Ansatzkanal verwendet, in dessen Zentrum ein<br />
Flügelrad im Zwangsdurchlauf platziert ist. Hierbei ist der absolute<br />
Wert des Luftstromes nicht von Bedeutung, da nur der Abgleich<br />
der einzelnen Luftdurchlässe festzustellen ist. Der Gesamtluftstrom<br />
des Luftkanales wird durch Netzmessungen ermittelt.<br />
Die genaue Messung des <strong>Volumenstrom</strong>es an Luftdurchlässen<br />
ermöglicht die in der DIN EN 12599 beschriebene Nullmethode.<br />
Das Messverfahren kommt wegen des hohen apparativen Aufwandes<br />
in der Praxis nur in Sonderfällen zur Anwendung.<br />
4.3 Messung an blasenden und saugenden Öffnungen<br />
Die Messung an Austrittsgittern (blasend) ist zwar kritisch, aber<br />
innerhalb gewisser Grenzen doch machbar. Hier wird das Strömungsprofil<br />
durch das Gitter zwar beeinflusst, doch bleibt es in<br />
der Regel auch in einiger Entfernung vom Gitter noch erhalten, so<br />
dass die Geschwindigkeit gemessen werden kann.<br />
Andere Verhältnisse findet man an Öffnungen vor, die Luft aus<br />
dem Raum absaugen (saugend). Selbst ohne störende Einflüsse<br />
eines Gitters sind die Strömungslinien nicht gerichtet, das Strömungsprofil<br />
ist stark inhomogen.<br />
Rechts: Messungen mit Trichtern an blasenden und saugenden Öffnungen<br />
Kontrolle der Zuluft am Tellerventil<br />
Kontrolle der Abluft am Aufputzlüfter<br />
49
50<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
<strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
mit Messtrichter<br />
4.3.1 Messung an blasenden Öffnungen<br />
Strömungslinien an blasenden Öffnungen<br />
Bei blasenden Öffnungen gehen (wenn nicht mit Umleg- oder<br />
Prallblechen gearbeitet wird) die Strömungslinien geradlinig weit<br />
in den Raum hinein. Man hat die Möglichkeit in einiger Entfernung<br />
von der Öffnung (5-30 cm) mit einem großen Flügelrad brauchbare<br />
Ergebnisse zu erzielen.<br />
4.3.2 Messung an saugenden Öffnungen<br />
Bei einer saugenden Öffnung wird aufgrund der Druckverhältnisse<br />
die Luft aus der unmittelbaren Umgebung der Öffnung<br />
angesaugt. Die Strömungslinien sind nicht geradlinig. Bereits in<br />
kleinerer Entfernung von der Öffnung ist keine Messung möglich.<br />
Noch schwieriger wird dies an Absaugelementen mit einem<br />
Ringspalt, siehe z. B. einstellbare Pilze. Hier ist ein zusätzlicher<br />
Messtrichter unbedingt notwendig.<br />
Im Beispiel Bild links „<strong>Volumenstrom</strong>bestimmung mit Messtrichter“<br />
wird Luft über einen einstellbaren Pilz abgesaugt, je nach<br />
dem wie weit der Kegel in die Öffnung eingeschraubt wird.<br />
Der freie Strömungsquerschnitt (Ringspalt) bestimmt die Menge<br />
des abgesaugten Luftvolumens. Der dicht über der Absaugstelle<br />
angebrachte Trichter ordnet die Strömungslinien und erzeugt<br />
eine Messebene, in der mit einer Strömungssonde repräsentative<br />
Messungen problemlos vorgenommen werden können.<br />
Der abgesaugte <strong>Volumenstrom</strong> ergibt sich aus dem Messwert<br />
der Strömungssonde, multipliziert mit dem Trichterfaktor (z.B.<br />
Trichterfaktor 20).<br />
4.4 <strong>Volumenstrom</strong>ermittlung über die Ventilatorkennlinie<br />
industrial services<br />
4 Messung an Austrittsgittern<br />
Die Ermittlung des <strong>Volumenstrom</strong>es am Zentralgerät der raumlufttechnischen<br />
Anlage über eine Differenzdruck- und Drehzahlmessung<br />
ist nur zulässig, wenn die Gerätekennlinie vorliegt. Diese<br />
kann entweder auf dem Prüfstand des Geräteherstellers oder<br />
vor Ort durch Kalibrierung aufgenommen werden.<br />
Entnimmt man den <strong>Volumenstrom</strong> aus der Ventilatorkennlinie<br />
(Firmenunterlagen), können sich je nach der Einbausituation des<br />
Ventilators große Abweichungen vom tatsächlichen <strong>Volumenstrom</strong><br />
ergeben (siehe schematische Darstellung in Bild ‚Interpretationsfeher<br />
bei der <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung‘).<br />
Die Ventilatorkennlinie wird auf einem genormten Prüfstand ermittelt.<br />
Dabei weichen die An- und Abströmverhältnisse zum Teil<br />
erheblich von denen im Zentralgerät ab.<br />
Interpretationsfeher bei der<br />
<strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
anhand der Ventilatorkennlinie<br />
51
52<br />
5 Kalibrierung von Strömungssonden<br />
Freistrahlkanal<br />
Eiffelkanal<br />
Göttingerkanal<br />
5.1 Woher kommt der richtige Wert?<br />
Zur Vergleichsmessung benötigt man einen Generator (Windkanal),<br />
der die physikalische Größe erzeugt und ein DKD-kalibriertes<br />
Referenz-Mess-System, mit dem man den richtigen Wert ermittelt.<br />
5.2 Strömungsgenerator Windkanal zur Kalibrierung<br />
von Strömungssonden<br />
5.2.1 Freistrahlkanal<br />
Offener Kanal ohne Strömungsrückführung. Ein Gebläse erzeugt<br />
den Luftstrom, über einen wabenförmigen Gleichrichter wird die<br />
Strömung gleichgerichtet (weitgehende Beseitigung von Drall<br />
und Wirbeln). Zusätzliche Siebe verbessern nochmals die Strömungseigenschaften.<br />
5.2.2 Eiffelkanal<br />
Ebenfalls offener Kanal ohne Rückführung.<br />
Mess-Strecke geschlossen.<br />
Vorteil:<br />
Der Antrieb sitzt hinter der Messkammer (saugend). Störungen<br />
des Gebläses beeinflussen die Mess-Strecke nicht.<br />
Der <strong>Testo</strong>-Mini-Windkanal ist prinzipiell ein Eiffelkanal.<br />
5.2.3 Göttinger Kanal<br />
Der Göttinger Kanal ist am meisten verbreitet. Umlaufkanal mit<br />
offener/geschlossener Rückführung. Erstmals in Göttingen aufgebaut<br />
deshalb der Name „Göttinger Bauart“.<br />
Vorteil des Göttinger Kanals ist die Strömungsrückführung, die zu<br />
einer wesentlichen Energieeinsparung führt.<br />
Nachteilig ist die im Laufe der Zeit entstehende Erwärmung, die<br />
eine Kühlung erfordert.<br />
5.3 <strong>Testo</strong> DKD-Kanal<br />
5.3.1 Eckdaten<br />
• Göttinger Bauart<br />
• Messbereich: 0,1…50 m/s<br />
• Messunsicherheit: (0,5% v. Mw.; mind. 0,01m/s)<br />
• Referenzsystem: Laser-Doppler- Anemometer<br />
5.3.2 Bilder<br />
Blick von oben<br />
industrial services<br />
5 Kalibrierung von Strömungssonden<br />
Blick zur Mess-Stelle mit LDA, Staurohr und Kalibriergegenstand (Hitzdrahtsonde)<br />
53
5 Kalibrierung von Strömungssonden<br />
5.3.3 Strömungsprofile<br />
Die Messfläche des Kanals wurde in X- und Y-Koordinateneinheiten<br />
aufgeteilt und die Diagramme des Strömungsprofils mit<br />
einem LDA in mehr als eine Stunde aufgenommen.<br />
Zeitliche und räumliche Stabilität<br />
Diagramm zeitliche Stabilität<br />
Diagramm räumliche Stabilität<br />
Geschwindigkeitsverteilung an der Austrittsdüse<br />
Diagramm Geschwindigkeitsverteilung<br />
industrial services<br />
6 Kalibrierung von <strong>Volumenstrom</strong>hauben<br />
5.3.4 Rückführung der Strömungssonden<br />
Rückführungs-Pyramide<br />
54 55
6 Kalibrierung von <strong>Volumenstrom</strong>hauben<br />
6.1 DKD-<strong>Volumenstrom</strong>kanal der<br />
<strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
6.1.1 Kanalbild<br />
DKD-<strong>Volumenstrom</strong>kanal<br />
Durch die frequenzgesteuerte Pumpe (1) können Massen- und<br />
Volumendurchflüsse in saugender und blasender Richtung erzeugt<br />
werden. Die zwei Ausgleichsbehälter (2) sind mit 7-Rohren<br />
verbunden. Diese dienen zur Generierung verschiedener <strong>Volumenstrom</strong>-Bereiche.<br />
Die Rohre haben folgende Durchmesser:<br />
Rohr 1 Rohr 2 Rohr 3 Rohr 4 Rohr 5 Rohr 6 Rohr 7<br />
d-Drosselöffnung 83 mm 83 mm 83 mm 83 mm 83 mm 50 mm 24 mm<br />
D- Rohrdurchmesser 113 mm 113 mm 113 mm 113 mm 113 mm 67,8 mm 53,6 mm<br />
6.1.2 Akkreditierungsumfang<br />
Messgröße/<br />
Kalibriergegenstand<br />
Volumendurchfluss,<br />
Volumen von<br />
strömenden Gasen<br />
(athmosphärische Luft)<br />
Massedurchfluss,<br />
Masse von strömenden<br />
Gasen (atmosphärische<br />
Luft)<br />
Messbereich/<br />
Messspanne<br />
15 m 3 /h bis 2000 m 3 /h<br />
15 kg/h bis 2000 kg/h<br />
Messbedingungen/<br />
Messverfahren<br />
Luft unter Umgebungsbedingungen<br />
Luft unter Umgebungsbedingungen<br />
kleinste angebbare<br />
Messunsichereheit<br />
1,5% v.M.; jedoch nicht<br />
kleiner als 0,3 m 3 /h<br />
1,5% v.M.; jedoch nicht<br />
kleiner als 0,3 kg/h<br />
7.1 Kalibriergegenstand<br />
industrial services<br />
56 57<br />
Anfrage:<br />
7 <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung Schornstein<br />
Bestimmung des Norm-<strong>Volumenstrom</strong>s eines Schornsteins.<br />
7.2 Verteilung der Messpunkte<br />
Die Messpunkte wurden nach den hier abgebildeten Grafiken<br />
rechnerisch verteilt. Die Verteilung der Punkte entspricht dem<br />
Log-linear Verfahren.<br />
Grafische Anordnung der Messpunkte<br />
zu prüfender Schornstein<br />
Berechnung der Messpunkte
58<br />
7 <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung Schornstein<br />
testo 454 inkl. Flügelradsonde<br />
und Teleskopstange<br />
7.3 Das Referenz-Messequipment im Jahr 1996<br />
Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wurde ein testo<br />
454 mit angeschlossener Flügelradsonde verwendet.<br />
Aufgrund des großen Schornsteindurchmessers musste zusätzlich<br />
eine Teleskopstange sowie eine Dachlatte zusammen mit der<br />
Flügelradsonde befestigt werden (siehe Bild). Die zuvor berechneten<br />
Abstände der Messpunkte wurden auf Dachlatte bzw. Teleskopstange<br />
mit farbigem Klebeband markiert, um von außen die<br />
richtige Position der Sonde feststellen zu können.<br />
7.4 Messergebnis<br />
Ergebnis (nicht korrigiert) - Betriebsvolumenstrom<br />
industrial services<br />
7 <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung Schonrstein<br />
7.4.1 Berechnung des Norm-<strong>Volumenstrom</strong><br />
Ergebnis<br />
gemessener Betriebsvolumenstrom: 110.007 m 3 /h<br />
berechneter Norm-<strong>Volumenstrom</strong>: 77.875 Nm 3 /h<br />
Anzeige (Gebäudeleitstelle): 80*1.000 Nm 3 /h =<br />
80.000 Nm 3 /h<br />
Daraus folgt:<br />
80.000 Nm 3 /h - 77.875 Nm 3 /h = 2.125 Nm 3 /h<br />
59
60<br />
8 Verfahren zur <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
8.1 Übersicht<br />
Der <strong>Volumenstrom</strong> kann grundsätzlich auf vier verschiedene Arten<br />
bestimmt werden:<br />
1. Druckdifferenzmessung mittels einer Blende (Drosselelement)<br />
2. Direkte Messung des <strong>Volumenstrom</strong>s mittels Balometer<br />
3. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im Kanal<br />
und Berechnung über den Querschnitt<br />
4. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit am Austrittsgitter<br />
und Berechnung über den Querschnitt<br />
8.2 Druckdifferenzmessung mittels einer Blende<br />
• Messung des Differenzdrucks an der Blende<br />
• Berechnung des Massenstroms nach folgender Formel:<br />
• und daraus Berechnung des <strong>Volumenstrom</strong>s:<br />
Beispiel Blende im Kanal<br />
industrial services<br />
8 Verfahren zur <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
8.3 Direkte Messung des <strong>Volumenstrom</strong>s mittels<br />
Balometer<br />
• Drallbleche werden vor der Messung (wenn möglich) entfernt<br />
um die Messergebnisse durch turbulente Strömungen nicht<br />
zu verfälschen<br />
• Der <strong>Volumenstrom</strong> wird am endständigen Filter oder<br />
Kanalauslass gemessen<br />
• Berechnung des <strong>Volumenstrom</strong>s:<br />
= Gesamt-<strong>Volumenstrom</strong> in m 3 /h<br />
= Einzel-Volumenströme der Auslässe in m 3 /h<br />
8.3.1 Berechnungen<br />
Umrechnung auf Normvolumenstrom Bezugstemperatur: 20°C:<br />
Umrechnung auf Normvolumenstrom Bezugstemperatur: 15°C:<br />
Umrechnung auf Normvolumenstrom Bezugstemperatur: 0°C:<br />
61
62<br />
8 Verfahren zur <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
= Gesamt-<strong>Volumenstrom</strong> in m 3 /h<br />
= korrigierter <strong>Volumenstrom</strong> bezogen auf<br />
Normbedingungen<br />
= barometrischer Luftdruck in hPa<br />
= Zulufttemperatr in K (= Zulufttemperatur in<br />
°C + 273,15 K)<br />
8.4. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im<br />
Kanal und Berechnung über den Querschnitt<br />
• Angaben zur Messung finden sich in der DIN EN 12599 (2000)<br />
(VDI 2080 wurde 2002 zurückgezogen)<br />
• Messung nach dem „Trivial-Verfahren“ für rechteckige Kanäle<br />
• Messung nach dem „Schwerlinienverfahren“ oder dem<br />
„Log-linear Verfahren“ (turbulentes Strömungsprofil<br />
vorausgesetzt) für runde Kanäle<br />
• Vorschlag: mindestens 10 Messwerte pro Messpunkt<br />
� Mittelwertbildung<br />
• das Messraster sollte kleiner als 600 mm x 600 mm sein<br />
Aus den einzelnen Geschwindigkeitsmesswerten ist die mittlere<br />
Strömungsgeschwindigkeit und daraus der Luftvolumenstrom zu<br />
berechnen:<br />
= <strong>Volumenstrom</strong> in m³/h<br />
= mittlere Strömungsgeschwindigkeit in m/s<br />
A = Fläche des Kanals<br />
3600 = Umrechnungsfaktor von Sekunden auf Stunden<br />
industrial services<br />
8 Verfahren zur <strong>Volumenstrom</strong>bestimmung<br />
8.5. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit am<br />
Austrittsgitter (z.B. Laminarflow-Filter)<br />
und Berechnung über den Querschnitt<br />
• Angaben zur Messung finden sich in der EN ISO 14644-3 und<br />
VDI 2083-3.<br />
• Nach EN ISO 14644 und VDI 2083 ist die Messebene 150 bis<br />
300 mm unterhalb der Filteraustrittsfläche zu bestimmen<br />
• Das Messraster sollte kleiner als 600 mm x 600 mm sein<br />
• An jedem Messpunkt soll 10s gemessen werden<br />
• Aus den einzelnen Geschwindigkeitsmesswerten ist die<br />
mittlere Strömungsgeschwindigkeit und daraus der<br />
Luftvolumenstrom zu berechnen: siehe Formel unter 8.1.4� �<br />
63
9 Literaturverzeichnis<br />
9 Literaturverzeichnis<br />
Bohl, Technische Strömungslehre , Vogel Verlag<br />
Nitsche, Strömungsmesstechnik , Springer Verlag<br />
Wuest, Strömungsmesstechnik, Vieweg Verlag<br />
Fiedler, Stömungs-und Durchflussmesstechnik, Oldenbourg Verlag<br />
Prüfmittelmanagement, DGQ-Band 13-61, Beuth 1998, 1. Auflage<br />
DIN EN 12599<br />
EN ISO 14644<br />
EN ISO 14644-3<br />
VDI 2083-3<br />
Klima-Fibel, <strong>Testo</strong><br />
<strong>Testo</strong>-Fibel: Prüfmittelüberwachung und Kalibrierung<br />
industrial services<br />
An:<br />
testo industrial services<br />
Gewerbestraße 3<br />
D-79199 Kirchzarten<br />
64 65<br />
(<br />
10.1 Prospektanforderung<br />
Gerne senden wir Ihnen weitere Informationen per Post oder<br />
E-Mail zu. Schicken Sie uns einfach ein Fax oder rufen Sie uns an!<br />
6<br />
Absender<br />
Firma<br />
Vorname, Name<br />
Abteilung<br />
Straße/Nr.<br />
PLZ/Ort<br />
Mail<br />
Fon<br />
Fax<br />
Datum<br />
Unterschrift<br />
+49 (0) 7661 90901-8000<br />
+49 (0) 7661 90901-8010<br />
Bitte senden Sie mir ausführliche Unterlagen zu folgenden<br />
Themen zu:<br />
Dienstleistungen für die pharmazeutische Industrie<br />
Dienstleistungen für die Automobil-Industrie<br />
Seminarübersicht<br />
Kalibrierlexikon<br />
Kalibrierung in akkreditierten Laboratorien<br />
Leistungsübersicht<br />
10 <strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong>
66<br />
10 <strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
10.2 Notizen<br />
industrial services<br />
10 <strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
67
68<br />
10 <strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
industrial services<br />
10 <strong>Testo</strong> industrial services <strong>GmbH</strong><br />
69
testo industrial services <strong>GmbH</strong><br />
Gewerbestraße 3<br />
D-79199 Kirchzarten<br />
/nc/R/02.2010<br />
Tel. +49 (0) 7661 90901-8000<br />
Fax +49 (0) 7661 90901-8010<br />
industrial-services@testo.de<br />
www.testo-industrial-services.de 0980.5533<br />
1