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Schallgeschwindigkeitsmeßgerät

VOS 07

Betriebsanleitung

RMG Meßtechnik GmbH Otto-Hahn-Straße 5 · 35510 Butzbach Postfach 280 · 35502 Butzbach Tel.: (06033) 897-0 · Fax: (06033) 897-130

03/98 Technische Änderungen vorbehalten

... für zuverlässige Gasversorgung alles aus einer Hand

Inhaltsverzeichnis Einleitung ................................................................................. 1 Funktionsbeschreibung .......................................................... 2

Meßprinzip ............................................................................................... 2 Konstruktiver Aufbau ................................................................................ 4

Sicherheitshinweise ................................................................ 7 Installation................................................................................ 8

Einbau ...................................................................................................... 8 Elektrische Anschlüsse ............................................................................ 9

Inbetriebnahme und Betrieb ................................................. 10

Korrektur der Dichtemessung................................................................. 10

Wartung .................................................................................. 11

Filterwechsel .......................................................................................... 11 Nacheichung .......................................................................................... 11

Technische Daten .................................................................. 12 Anhang ................................................................................... 13

Betriebsanleitung Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07

Stand: 03/98

Einleitung

Einleitung Bei der Messung der Betriebsdichte mit einer Schwinggabel ist das Meßergebnis mit einem systematischen Fehler behaftet, der von der Gaszusammensetzung abhängt. Die Schallgeschwindigkeit in einem Gas ist ebenfalls von der Zusammensetzung abhängig und es besteht ein Zusammenhang zwischen der Schallgeschwindigkeit und dem systematischen Fehler bei der Dichtemessung.

3

200

400

600

800 1000

1500

F [%] CO2

2

C2H4 1

N2

0

Erdgas (H) Erdgas (L) CH4

-1 Cn-H2-N2 -2

H2

-3

-4

200

Methan (CH4) - Kalibrierung

400

•

600

800 1000

1500 cn [m/s]

Abb1: Gasarteneinfluß auf den Schwinggabeldichtegeber Mit der Messung der Schallgeschwindigkeit ist es daher möglich, den systematischen Fehler bei der Dichtemessung zu bestimmen und den Meßwert zu korrigieren. Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 ist für eichamtliche Messung zugelassen.

Aufgrund der Gasartenabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit ist es auch möglich, damit die Anteile der Komponenten in einem binären Gasgemisch zu bestimmen.

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1

Funktionsbeschreibung

Funktionsbeschreibung Meßprinzip Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 arbeitet nach dem Prinzip der Wirbelpfeife.

An der Grenze zwischen zwei Gasschichten verschiedener Geschwindigkeit bilden sich stets Wirbel. Entströmt ein Gasstrahl einem strichförmigen Spalt, so entstehen an der Grenze zwischen dem Strahl und dem umgebenden, langsam bewegten Gas links- und rechtsdrehende Wirbel, die eine Wirbelstraße bilden. Ein derart austretender Gasstrahl erzeugt einen Ton (Spaltton). In der Natur sind das Heulen und Pfeifen des Windes in Fensterspalten solche Spalttöne.

Abb. 2: Wirbelbildung am Spalt Setzt man einem aus einem Spalt austretenden Gasstrahl eine Schneide entgegen, so wird zunächst ein Spaltwirbelband erzeugt. An der Schneide teilen sich diese Wirbel, die rechts drehenden laufen rechts, die links drehenden links an der Schneide vorbei. Durch Reibung bilden sich auf beiden Seiten zwischen je zwei gleichsinnig drehenden Wirbeln neue entgegengesetzt drehende Wirbel, so daß wieder vollständige Wirbelsysteme entstehen.

Abb. 3: Wirbelbildung an einer Schneide Die Ankunft jedes Spaltwirbels an der Schneide bewirkt eine Stauung, die sich mit Schallgeschwindigkeit rückwärts zum Spalt fortpflanzt. Die Stauungswelle am Spalt erzeugt stoßartig einen neuen Wirbel, usw. Der ausströmende Strahl führt gewissermaßen erzwungene Schwingungen mit der durch den Schneidenabstand bestimmten Kopplungsfrequenz aus.

2

Betriebsanleitung Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07

Funktionsbeschreibung Durch eine entsprechende Abstimmung von Spaltbreite, Schneidenabstand und Resonanzraum kann ein starker Resonanzton erzeugt werden.

Im Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 ist die Wirbelpfeife folgendermaßen ausgeführt: Gaseintritt

Spaltdüse

Gasaustritt

TemperaturMeßpunkt

Wirbelraum

Sensor

Abb. 4: Wirbelpfeife des VOS 07 Das Gas tritt ungefähr mit Schallgeschwindigkeit aus der Spaltdüse aus.

An der gegenüberliegenden Schneide werden die Schneidenwirbel erzeugt, die dann im als Resonanzraum dienenden Wirbelraum von einem Sensor über die Druckänderung erfaßt werden. Bei dem Sensor handelt es sich um einen piezoresisitiven Druckwandler, d.h. einen elektrischen Widerstand, der seinen Wert in Abhängigkeit vom Druck ändert.

Die Schallgeschwindigkeit berechnet sich aus der gemessenen Wirbelfrequenz gemäß:

c=f⋅ mit f: c: d: ks:

d ks Wirbelfrequenz Ausströmgeschwindigkeit ≈ Schallgeschwindigkeit Schneidenabstand Gerätekonstante

Die oben genannte Formel gilt für T=273,15 K = 0°C. Für andere Temperaturen gilt:

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3

Funktionsbeschreibung

c=f⋅ mit T: T0:

d ⋅ ks

T0 T

absolute Gastemperatur 273,15 K

Bei großen Meßbereichen für die Schallgeschwindigkeit wird eine zusätzliche Gerätesystem-Korrektur eingeführt, um eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen. Die Gerätearbeitsgleichung lautet dann: c = f ⋅KA ⋅

T0 + K B ⋅ (T − TKal ) T

KA, KB: Tkal:

Gerätekonstanten Kalibriertemperatur

Die Konstanten KA und KB ergeben sich aus der Kalibrierung bzw. Eichung des Schallgeschwindigkeitsmeßgerätes mit Meßgasen wie z.B. Methan, Methan-Stickstoff-Gemische, Erdgase, Ethylen etc., deren Schallgeschwindigkeiten genau bekannt sind. Dabei wird die Temperatur berücksichtigt.

Konstruktiver Aufbau Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 ist zusammen mit einem Druckregler, einem Filter, einem Durchflußmesser und einem Meßumformer für den Temperaturaufnehmer PT 100 auf eine Metallplatte montiert (siehe Abb. 5). Der Meßumformer dient dazu, um einen Ausgangsstrom (4-20 mA) zu erzeugen, der dem elektrischen Widerstand des Temperaturaufnehmers PT 100 und damit der Temperatur proportional ist.

Das eigentliche Meßgerät, die Wirbelpfeife, ist mit allen wesentlichen Bestandteilen in Abb. 6 dargestellt. Spaltdüse und Wirbelkammer sind flach und haben eine Höhe von ca. 1 mm.

4

Betriebsanleitung Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07

Funktionsbeschreibung

Filter

Ausgang

Meßumformer für PT 100

Wirbelpfeife

Durchflußmesser

Druckregler

Eingang

Anschlußdose

Abb. 5: Geräteaufbau

Betriebsanleitung Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07

5

Funktionsbeschreibung

Eingang

Drucksensor

Eingangsplatte

Wirbelkammer Ausgangsplatte

Ausgang

Gaseintritt

Gasaustritt

Wirbelkammer

Spaltdüse

Meßstelle für Drucksensor

Meßstelle für PT 100

Abb. 6: Aufbau der Wirbelpfeife

6

Betriebsanleitung Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07

Sicherheitshinweise

Sicherheitshinweise Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 dient zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit von nicht aggressiven Gasen und Brenngasen. Die Messung von aggressiven Gasen ist nicht zulässig.

Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 entspricht den aktuellen Normen und Vorschriften. Dennoch können durch Fehlbedienung Gefahren auftreten.

Personen, die das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 in explosionsgefährdeten Räumen installieren oder bedienen, müssen mit den aktuellen Normen und Vorschriften zum Explosionsschutz vertraut sein.

Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 kann in explosionsgefährdeten Räumen eingesetzt werden entsprechend der Explosionsschutzklasse: EEx ib IIC T6 Die Konformitätsbescheinigungen für die Komponenten finden Sie im Anhang.

Beachten Sie folgende Hinweise: Explosionsgefahr Dieses Symbol warnt Sie im Handbuch vor Explosionsgefahr; beachten Sie die neben dem Symbol stehenden Hinweise. Zur Explosionsgefahr ist insbesondere zu beachten: • Schließen Sie das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07 im Ex-Bereich nur an eigensichere Stromkreise an.

Sachschäden Dieses Symbol warnt Sie im Handbuch vor möglichen Sachschäden. Die Hinweise neben diesem Symbol informieren Sie darüber, wie Sie Schäden am Schallgeschwindigkeitsmeßgerät vermeiden. Beachten Sie vor allem: • Alle Anschlüsse sind mit 6 mm Swagelok-Verschraubungen ausgeführt. Die Verschraubungen dürfen nicht nachgezogen werden, da sie sonst undicht werden. Sollten hier Montagearbeiten notwendig werden, dann beachten Sie dazu die Montageanleitung für Swagelok-Verschraubungen im Anhang.

Bei unsachgemäßen Eingriffen in das Gerät erlöschen die Garantieansprüche!

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7

Installation

Installation Einbau Das Schallgeschwindigkeitsmeßgerät wird, wie im untenstehenden Beispiel über einen Druckminderer an die Gasleitung angeschlossen. Der Druckminderer muß einen Ausgangsdruck von unter 10 bar liefern.

Zwischen Druckminderer und VOS 07 sollte ein Trockner eingebaut werden, da Kondensat die Geometrie des Wirbelraums verändert und so die Messung verfälscht.

Abblaseleitung

Durchflußmesser

Filter Wirbelpfeife

Druckminderer

Trockner

Druckregler

Elektrische Anschlüsse

Abb. 7: Einbaubeispiel VOS 07 Gaseingang und -ausgang sind als 6 mm Swagelok Verbindungen ausgeführt. Beachten Sie zum Anschließen die Montageanleitung für Swagelok-Verbindungen im Anhang. Swagelok-Verbindungen können undicht werden, wenn sie falsch montiert oder nachgezogen werden.

8

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Installation

Elektrische Anschlüsse J1

L (+)

Dichterechner oder Dichtemengenumwerter

N (-) PE

9 Stecker J5

Ausgangsstecker fA1 PE 24 V/DC +

10

6

5

11

11

+

-

+

-

+

-

+

-

5

4

7

6

20d

20z 22z

Stecker J8

Ausgangsstecker NDFA1 19" Baugruppenträger Ausgangsklemmleiste

24d 26d 28d 24z 26z 28z 18d 18z

16z 18z

16d

Ex - Versorgungseinheit MVC-2-Ex 16z

26d

30d

20z

32z

16d 22z

28z Eingangsklemmleiste

5

3

2

4 -

+

Eingangsstecker F1

3

1

2

1 -

+

Eingangsstecker f1

Klemmleiste am Baugruppenträger

Nicht-Ex-Bereich Ex-Bereich

1

+ 2

3

4

5

Frequenz

6

7

8

9

+ 10

Anschlußdose

PT 100

Abb. 8: Anschlußplan VOS 07

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9

Inbetriebnahme und Betrieb

Inbetriebnahme und Betrieb Zur Inbetriebnahme stellen Sie am Druckminderer vor dem VOS 07 einen Druck zwischen 3 und 10 bar ein. Stellen Sie anschließend am Druckregler des VOS 07 einen Druck zwischen 1 und 6 bar ein, so daß am Durchflußmesser ein Wert im Bereich von 50-100 l angezeigt wird. Bei der Messung von Erdgas sollte am Dichterechner bzw. Dichtemengenumwerter eine Schallgeschwindigkeit im Bereich von 380-430 m/s ablesbar sein. Für andere Gase kann die Schallgeschwindigkeit zwischen 150 und 1400 m/s liegen.

Während des Betriebes ist sicherzustellen, daß die oben angegebenen Grenzen für Druck und Durchfluß nicht überschritten werden.

Korrektur der Dichtemessung Der systematische Fehler von Dichteaufnehmern mit Schwinggabel läßt sich gemäß folgender Formel korrigieren:

ρ = ρA ⋅G = ρA ⋅

ρ: ρ A: cM: c: L:

 L  1+    cM   L 1+    c

2

2

korrigierte Dichte angezeigte Dichte Schallgeschwindigkeit des Prüfgases Schallgeschwindigkeit des Meßgases Dichteaufnehmerkonstante

Bei Messung von c mit dem VOS 07 gilt: L = 59.35 m/s

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Wartung

Wartung Filterwechsel Überprüfen Sie in regelmäßigen Abständen, ob der am Durchflußmesser ablesbare Wert noch gleich dem bei der Inbetriebnahme ist. Wird ein deutlich niedrigerer Durchfluß angezeigt, so muß der Filtereinsatz des Sintermetallfilters (Typ: Nupro SS-6TF-mm-7) wie folgt gewechselt werden: • Gaszufuhr unterbrechen • Überwurfmutter abschrauben - dabei Filtergehäuse festhalten, um das Rohrsystem nicht zu beschädigen • Filtereinsatz mit nichtmetallischem Gegenstand leicht ankanten und nach unten ziehen • Neuen Filtereinsatz einsetzen und in den konischen Sitz drücken • Überwurfmutter aufsetzen und festziehen

Nacheichung Geräte, die für eichamtliche Messungen eingesetzt werden, müssen alle 5 Jahre nachgeeicht werden. Dazu ist ein Prüfgas mit bekannter Schallgeschwindigkeit anzuschließen und eine Messung unter Aufsicht eines Eichbeamten durchzuführen.

Es empfiehlt sich, auch nicht eichamtlich eingesetzte Geräte in regelmäßigen Abständen zu überprüfen.

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Technische Daten

Technische Daten Meßbereich

150 - 1400 m/s

Meßgenauigkeit

<0,3 % vom Meßwert

Betriebstemperatur

- 10 bis + 50°C

Betriebsdruck pü

1 bis 6 bar

Vordruck Regler pü

3 bis 10 bar

Ausgangsdruck

Gegen Atmosphäre

Wirbelfrequenz

2000 bis 10000 Hz

Gasverbrauch

50 - 100 l/h im Normzustand

Frequenzerfassung

über Druckwandler

Temperaturerfassung

PT 100

Ausgangsstromkreis

eigensicher in Schutzart EEx ib IIC T6

Meßstoffanschluß

Außen-Ø 6 mm Swagelok

Kabelverschraubung

PG 9

Zubehör

Sintermetallfilter Absperrventile Schwebekörperdurchflußmesser Externe eigensichere Stromversorgung

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Anhang

Anhang Montageanleitung für Swagelok-Verbindungen Konformitätsbescheinigungen

Betriebsanleitung Schallgeschwindigkeitsmeßgerät VOS 07

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Anhang

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Betriebsanleitung SchallgeschwindigkeitsmeĂ&#x;gerät VOS 07

Anhang

MONTAGEANLEITUNG FÜR ROHRVERSCHRAUBUNGE ERSTMONTAGE Rohr rechtwinklig abschneiden, entgraten. Rohr bis zum Anschlag in den Fitting schieben. Mutter „fingerfest“ anziehen.

Vor Anziehen der SWAGELOK Mutter diese an der 6-Uhr Position markieren.

Dann Mutter 1¼ Umdrehungen* anziehen, bis die Markierung an der 9-Uhr Position steht. * Für Verschraubungen der Größen 2, 3, 4 mm oder 1/16“, 1/8“, 3/16“ müssen ¾ Umdrehungen der Mutter bei der Erstmontage gemacht werden.

WIEDERMONTAGE Demontierter Fitting

Rohr mit Klemmringen bis zum Anschlag in den Fitting schieben.

Mutter „fingerfest“ anziehen, dann mit Schlüssel ca. ¼ Umdr. festziehen.