• Welche Ursachen für Schwingungen treten in Prüfanlagen für VMT

LONGITUDINALE SCHWINGUNGEN IN DER WASSERSÄULE Auswirkung auf moderne Volumenmessteile sowie Ursachen / Anregung und Maßnahmen zur Unterdrückung / Vermeidung
• Welche Ursachen für Schwingungen treten in Prüfanlagen für VMT und am späteren Einbauort auf? • Welche Schwingungsanreger können identifiziert werden?
• Wie ist die feststellbare Auswirkung auf die Messrichtig‐
keit?
• Wie können Schwingungsanregungen gering gehalten werden?
11. Internationale EMATEM‐Sommerschule
Kloster Seeon, 23. – 25. 09. 2015
Günter Leitgen AMR Advanced Metering – Research and Publications
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Zu den Ursachen von Schwingungen
Schwingungen in realen Kreisläufen mit Flüssigkeiten sind prinzipiell unvermeidbar und
Messgeräte müssen entsprechend messbeständig ausgelegt werden, da mit deren Auftreten
stets gerechnet werden muss.
Einfacher Fall: Die Situation am Einbauort eines VMT – hier treten nur Probleme auf, wenn starke Anreger (s. u.) unmittelbar in räumlicher Nähe platziert werden, was stets vermeidbar ist und durch rechtzeitige Planung vermieden werden muss.
Schwieriger Fall: Die Situation in Prüfanlagen zur Justage und Konformitätsbewertung von Volumenmessteilen – hier lassen die räumlichen Gegebenheiten nicht jede „Entkopplung“ durch ausreichende Abstände zu.
Erfahrungswerte:
1. Einmal vorhandene Schwingungen durch entsprechende „Anreger“ sind nicht mehr ausreichend durch sinnvolle zusätzliche Einbauten zu dämpfen, da diese stets zu schmalbandig und auch zu schwach wirken.
2. Die Fortentwicklung bei VMT zu höherer Empfindlichkeit und größeren Messspannen sowie
der Einsatz von intermittierenden Messprinzipien (Abtastung der Fließgeschwindigkeit und Berechnung des Durchflusses durch Integration der Abtastwerte) hat zu erheblich größeren Schwierigkeiten geführt, als sie bei den massebehafteten rotierenden Sensoren bisher vorlagen.
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Häufig vorliegende schwingungsanregende Bauteile in Prüfanlagen und bei Messanlagen im Eissatzort des VMT
• Pumpen mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften (s. u.)
• Ventile zur Durchflusssteuerung sowie zur Druckanpassung,
„scharfe“ Kanten im durchströmten Bereich, die zur Wirbelbildung /
‐ablösung führen
• Durchmessersprünge ohne ausreichende Übergangsstücke (Wirbelablösung)
• Eingeschlossene Luft im Strömungskanal, die ein Masse‐Feder‐System bewirkt und stets zu Schwingungen angeregt werden kann
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Einfluss auf die Messrichtigkeit und das Anzeigeverhalten bei VMT
1. Einfluss auf Arbeitsnormale (falls vorhanden)
Die Nutzung von Arbeitsnormalen in Prüfständen mit sehr flexibler Bestückung durch Prüflinge und große Durchflussspreizungen z.B. bei anwendernahen Prüf‐
einrichtungen ist häufig anzutreffen. Diese Gerate – meist MID – sind ebenfalls „abtastende“ Geräte, deren Abtastfrequenz im ungünstigsten Fall mit der Stör‐
frequenz korreliert. „Schwebungen“ der Anzeige und mangelnde Messbestän‐
digkeit sind die Folge.
2. Einfluss auf Prüflinge
Jede der o. g. Störeinflüsse durch Schwingungsanregung kommt in der Praxis vor
und mangelnde Anzeigequalität (Wiederholbarkeit und Messbeständigkeit) sind die häufig anzutreffende Folge. Es ist eine Frage der Erfahrung des Designers der
Prüfstände, des Betreibers der Anlage und des Bedieners der Prüfstände, ob Fehler erkannt werden. Die Notwendigkeit interner und externer Ringvergleiche
ist hier sofort zu erkennen und hat in den letzten Jahren zu erheblichen Fort‐
schritten (Sensibilisierung der Beteiligten) geführt.
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Wie können Schwingungsanregungen gering gehalten werden?
Ein erhebliches Fachwissen auf Seiten heutiger Prüfstandsdesigner möchte ich hier unter‐
stellen. Im Folgenden möchte ich auf Erfahrungen reflektieren, die beim langjährigen Be‐
trieb einer Wärmezähler‐Prüfstelle in Essen sowie bei Auswahl und Test der Komponenten erzielt wurden.
Die Wichtigste Entscheidung:
Die Auswahl geeigneter Pumpenantriebe
Es wurden vier Grundtypen näher analysiert:
•
•
•
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Einstufige Kreiselpumpen
Mehrstufige Kreiselpumpen
Seitenkanalpumpen
Schraubenspindelpumpen
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Schnittansicht einer einstufigen Kreiselpumpe
(entnommen aus einer Werbegraphik der Fa. KSB, Frankenthal)
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Schematischer Aufbau einer einstufigen Kreiselpumpe
(entnommen aus einer Werbegraphik der Fa. KSB, Frankenthal)
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Analyse des Schwingungsgehaltes von zwei zur Auswahl stehenden Grundtypen
(Fourier‐Analysen)
• Einstufige Kreiselpumpe (kostengünstigste Version)
• Zweiflutige Schraubenspindelpumpe als (theoretisch bessere Variante)
Die Untersuchungen wurden durchgeführt von der Fa. Allweiler in den Niederlanden im Jahre 1983 und zeitigten folgendes eindrucksvolles Ergebnis:
Die maximale Schwingungsamplitude der Kreiselpumpe betrug 12 % der auslegungsgemäß gewählten Förderhöhe von 12 Bar.
Die höchste registrierte Oberwelle lag bei dem Produkt aus Wellendrehzahl und Anzahl der Schaufeln
des Pumpenläufers.
Die maximale Schwingungsamplitude der Schraubenspindelpumpe betrug 2 % der auslegungsgemäß gewählten Förderhöhe von 12 Bar.
Die höchste registrierte Oberwelle lag bei der Frequenz der Antriebswelle.
Somit war die Entscheidung für die erheblich teurere Variante von Schraubenspindel‐
pumpen leicht zu treffen – war sie doch ein Garant für niedrige Schwingungsanregungen.
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Zweiflutige Schraubenspindelpumpe
(Schnittbild – entnommen aus einer Werbegraphik der Fa. Bornemann , Obernkirchen)
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Aufbau der Pumpenwellen einer Schraubenspindelpumpe
(entnommen aus einer Werbegraphik der Fa. Bornemann, Obernkirchen)
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Günstige technische Alternative: Die Seitenkanalpumpe
Schon in den 1920er Jahren gab es Veröffentlichungen der damaligen Firma Bopp und Reuther über das günstige schwingungstechnische Verhalten von Seitenkanalpumpen, da hier durch die spezielle Führung der Strömung des Mediums innerhalb des Gehäuses die Anregungen nicht in starker Form in die Abströmungsleitung gelangen.
Fa. Bopp und Reuther – damals auch im Prüfstandsbau tätig – hatte diesen Pumpentyp empfohlen mit der Angabe, daß die maximale Schwingungsam‐
plitude bei 6‐8% der gewählten Förderhöhe liegen würde.
Über die Fourier‐Betrachtung ist mir leider nichts bekannt – die Vermutung recht hoher Frequenzen wegen der hohen Schaufelzahlen auf einer Welle liegt jedoch nahe.
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Schnittbild einer Seitenkanalpumpe
(Quelle: Wikipedia)
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Komplettansicht einer Seitenkanalpumpe im montierten Zustand
(Quelle: Werbephoto der Apollo Gößnitz GmbH, Gößnitz)
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Heute am häufigsten verwendet: Die mehrstufige Kreiselpumpe
In Prüfständen für VMT in Europa, die in den letzten 20 Jahren realisiert wurden, finden sich meist die preisgünstigen und robusten mehrstufigen Kreiselpumpen.
Diese Pumpen haben – im praktischen Betrieb nachgewiesen – einen respektabel niedrigen Schwingungsgehalt und sind sehr unempfindlich gegen Verschmutzungen / Störkörper sowie gegenüber Temperatursprüngen – ein in Prüfständen nicht zu vernachlässigendes Problem.
Der Schwingunsgehalt durfte deutlich unter den Werten der eingangs erwähn‐
ten einstufigen Varianten liegen, jedoch ist mir der „Oberwellengehalt“ mangels mir vorliegender Fourier‐Analysen hier nicht bekannt.
Dieser Pumpentyp ist über einen weiten Bereich in der Drehzahl steuerbar, wes‐
halb er meist in Kombination mit einem Frequenzumrichter im Antriebsstrang vorzufinden ist.
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Schnittbild einer mehrstufigen Kreiselpumpe
(Quelle: Werbeabbildung der Fa. KSB AG, Frankenthal)
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Photo einer mehrstufigen Kreiselpumpe mit Antrieb
(Quelle: Werbeabbildung der Fa. Seitz KG, Rutesheim‐Perouse)
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Andere nicht unwesentliche Schwingungsquellen in Prüfständen
1. Pumpenantriebe stellen im Prüfstandsbetrieb die wohl stärkste Anregung zur Ausbildung von Longitudinalwellen im Prüfmedium dar. Hochbehälter als Druck‐
erzeuger (unter kontrollierten Bedingungen betrieben) vermeiden diese Störungen.
2. Die oben genannten Quellen für Wirbelablösungen im Strömungsbereich sind in der Regel durch Wahrung ausreichender Abstände für Querschnittsübergänge sowie den Verzicht auf scharfe Kanten in der Rohrleitung und der Einspannstücke für die Prüflinge recht leicht zu vermeiden.
3. Weniger leicht ist die Vermeidung von eingeschlossenen Gaspolstern, sei es durch ein‐
geschlossene Luft oder aus dem Medium – z. B. bei durch Druckunterschreitung herausgelösten Gasanteilen im Mediums selbst – oder durch mitgeführte Gasanteile, die sich abscheiden. Im Allgemeinen sind diese Gaspolster nicht von außen zu lokalisieren, können aber Schwingungen (als Masse‐Federsystem) ermöglichen, die erhebliche Auswirkungen selbst auf gemeinhin als unempfindlich bekannte Bauarten von VMT haben. Die Vermeidung von eingeschlossenem Gas durch ausreichende Entlüftung und u. U. Evakuierung der Prüfstrecke muss natürlich ebenfalls vorausgesetzt werden.
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Andere nicht unwesentliche Schwingungsquellen in Prüfständen
Eine wesentliche Quelle für gelöste Gase, die bei ungünstigen Verhältnissen in der Strömung frei werden, ist deren provozierte Lösung durch „offene Überläufe“ an Behältern oder durch die Verwendung von vorgespannten Gaspolstern zum Medienantrieb ohne Abtrennung der Phasen durch eine elastische Trennwand.
4. Die Bauart von Ventilen für die Durchflusssteuerung sowie die spezielle Formgebung von Kegel und Sitz sind nicht nur für das Regelverhalten für den Durchfluss sehr wichtig. Auch hier können sich Wirbel ablösen oder durch Unterschreitung des statischen Anteils des Druckes Gase abscheiden, die das Zwischenrohrvolumen verfälschen.
5. Lösungsansatz: Den von der Pumpe / dem Hochbehälter bereitgestellten Druck vor dem Eintritt in die Prüfstrecke durch einen Bypass soweit abbauen, dass nur der absolut notwendige Gegendruck am Durchfluss‐Steuerungsventil abgebaut werden muss. Diese Maßnahme habe ich als eine der erfolgreichsten beobachten können –
was die Vermeidung der beschriebenen unerwünschten Schwingungsanregungen betrifft.
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Zusammenfassung
•
Die Wahl geeigneter Pumpen für die Druckerzeugung ist die erste und stärkste Möglichkeit, Schwingungsanregungen zu reduzieren. Der Abstand der Pumpen vom Prüfstand selbst muss möglichst groß gewählt werden und darf sich nicht an räum‐
lichen Vorgaben des Prüfraumes selbst orientieren (räumliche Entkopplung).
Der Autor hat hier mit den per Nachweis als besonders schwingungsarm geltenden Schraubenspindelpumpen die besten Erfahrungen machen können.
•
Die anderen genannten Einflussfaktoren sind zum Teil trivialer Art – entsprechende Fehler in Prüfstandsaufbauten sind trotzdem häufig vorzufinden und bleiben leicht unerkannt.
•
Einmal in der Strömung vorhandene Schwingungen lassen sich – nach den Erfahrun‐
gen des Autors – nicht durch Zusatzeinbauten / Entkopplungsglieder wirksam über den gesamten relevanten Frequenzbereich bekämpfen.
•
Die Frage der Vermeidung gelöster Gase im Prüfmedium ist sehr bedeutend und bedarf weiterer Betrachtungen, auf die hier aus Platzgründen verzichtet werden muss.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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