Mehrplatz-Gaszähler-Prüfstände: Warum derselbe Zähler unterschiedliche Ergebnisse liefern kann

Mehrstellungs-Gaszählerprüfgeräte ermöglichen die gleichzeitige Prüfung mehrerer in Reihe geschalteter Gaszähler und steigern die Prüfeffizienz. Positionsabhängige Unterschiede können jedoch die Genauigkeit der Prüfergebnisse beeinträchtigen. Aufbauend auf praktischen Erfahrungen kombinierten die Autoren theoretische Analysen und Experimente, um drei Ursachen positionsabhängiger Unterschiede zu untersuchen: Druckverlust, Fehlerkenngrößen der Zähler und Strömungsfeldverteilung. Die Ergebnisse zeigen Maßnahmen auf, die diese Unterschiede verringern und die Zuverlässigkeit der Prüfung in Reihe geschalteter Gaszähler verbessern können.

Schlüsselwörter: Gaszähler; Prüfausrüstung; Positionsstreuung; Genauigkeit

Erdgas spielt eine wichtige Rolle im Energiesystem. Mit der Ausweitung der chinesischen Städte und Gasverteilungsnetze stieg die Nachfrage nach Gaszählern und der entsprechende Eichaufwand. Durch die Reihenschaltung von Zählern können auf einem Mehrplatzprüfstand mehrere Einheiten in einem Durchlauf geprüft werden. Die Autoren stellten fest, dass derselbe Zähler an verschiedenen Prüfstandspositionen unterschiedliche Eichungsergebnisse liefern konnte. Solche Unterschiede können die Bewertung der metrologischen Leistung eines Zählers beeinflussen. Die Studie untersucht deren Ursachen und mögliche Abhilfemaßnahmen, um die Nutzung und Auslegung von Mehrplatzprüfständen zu unterstützen.

Der in der Studie verwendete Sechsfach-Schallnozzlen-Prüfstand hatte einen Durchflussbereich von 0,04–65 m³/h und eine relative erweiterte Unsicherheit von Uᵣ = 0,36 % (k = 2). Er umfasste ein Referenz-Schallnozzlensystem, Temperatur- und Druckmessgeräte, Rohrleitungen und ein Antriebssystem, Montagepositionen und ein Probenahmesystem sowie ein Computersteuerungssystem. Wenn das Verhältnis des statischen Drucks am Düsenhals zum stromaufwärtigen Staudruck seinen kritischen Wert erreicht, erreicht der Massendurchfluss durch die Düse sein Maximum für die gegebenen stromaufwärtigen Bedingungen. Eine weitere Verringerung des Gegendruckverhältnisses lässt den Düsendurchfluss unverändert. Das Probenahmesystem zeichnet die vom zu prüfenden Messgerät und von der Düsenreferenz akkumulierten Volumina auf. Der Anzeigefehler wird durch Vergleich des Volumens des Messgeräts mit dem Referenzvolumen, korrigiert um Temperatur und Druck, ermittelt. Bei den Prüfmessgeräten handelte es sich um Ultraschall-Gaszähler der Klasse 1,5 G25 mit einem Durchflussbereich von 0,25–40 m³/h.

Kann ein Gaszähler unterschiedliche Anzeigefehler erzeugen, wenn er an verschiedenen Positionen am selben seriellen Prüfstand montiert wird? Die Studie untersucht, wie Druckverlust, Fehlercharakteristik des Zählers und Einlassströmungsverteilung zur beobachteten Streuung beitragen und ob eine Änderung der Rohrleitungsführung diese unter den getesteten Bedingungen reduzieren kann.

Die Autoren kombinierten eine Analyse des Einlassdrucks und des Durchflusses mit zwei experimentellen Vergleichen. Ein Sechs-Positionen-Schallmessdüsenprüfstand wurde verwendet, um die Anzeigefehler zwischen den Positionen für sechs Messgeräte der Klasse 1,5 zu vergleichen. Ein separater Drei-Positionen-Prüfstand wurde verwendet, um dasselbe Ultraschallmessgerät bei 40 m³/h vor und nach dem Hinzufügen eines geraden Rohrabschnitts zu vergleichen, während die angegebenen Umgebungsbedingungen unverändert blieben. Die drei Mechanismen und die jeweiligen Testdaten werden im Folgenden in der Reihenfolge der Quellveröffentlichung dargestellt.

Der Druckverlust ist der mittlere Druckabfall zwischen Einlass und Auslass eines Gaszählers bei einem festgelegten Durchfluss. Der Beitrag setzt ihn mit der Reibung innerhalb des Zählers in Beziehung, einschließlich der Reibung in seinen Strömungskanälen und beweglichen Komponenten. Die Autoren verweisen auf die damals geltende Jiangsu-Vorschrift JJG (Su) 206–2018, die einen maximalen Druckverlust von 300 Pa für Zähler mit 16 m³/h ≤ Qₘₐₓ ≤ 65 m³/h festlegte. Sie schätzen, dass die Einlassdruckdifferenz zwischen der ersten und der sechsten Position eines Sechs-Positionen-Prüfstands 1.000 Pa überschreiten und den Vergleich beeinflussen kann.

Die Analyse geht davon aus, dass sich die Zählereinlässe auf derselben Höhe befinden, und nähert Luft als ideales Gas an. Die Arbeit wendet die folgende Bernoulli-Beziehung an den Einlässen an:

p + ½ρv² + ρgh = C　(1)

p = Einlassdruck (Pa); ρ = Gasdichte (kg/m³); v = Geschwindigkeit (m/s); g = Erdbeschleunigung (m/s²); h = Einlasshöhe (m); C = Konstante.

v = √[2(C − p − ρgh)/ρ]　(2)

In der Analyse der Autoren wird bei konstantem C in Gleichung (2) ein niedrigerer Eintrittsdruck p mit einer höheren Eintrittsgeschwindigkeit v verknüpft. Bei einer festen Querschnittsfläche s gilt Q = v × s, sodass Änderungen der Geschwindigkeit den lokalen Volumenstrom verändern. Die Autoren argumentieren, dass Druckverluste in in Reihe geschalteten Messgeräten daher die Strömungsbedingungen an verschiedenen Positionen verändern und ihre Verifizierungsergebnisse beeinflussen können. Sie schlagen vor, die Reibung im Inneren des Messgeräts zu reduzieren, die Verrohrung zwischen den Positionen zu verbessern und den kumulativen Druckverlust zu bewerten, wenn eine zulässige Positionsdifferenz festgelegt und die Anzahl der Testpositionen gewählt wird.

Messgeräte können aufgrund von Fertigungsunterschieden in Anzeigefehler, Stabilität und Wiederholbarkeit voneinander abweichen. Die Autoren identifizieren solche Unterschiede als einen wichtigen Beitrag zu den Ergebnissen, die an verschiedenen Prüfstandspositionen erzielt werden. Sie definieren die Positionsstreuung Δ wie folgt:

Δ = |Eₘₐₓ − Eₘᵢₙ|　(3)

Eₘₐₓ und Eₘᵢₙ sind der höchste und der niedrigste Anzeigefehler, die für denselben Prüfzähler über die Prüfstandspositionen hinweg gemessen wurden.

Unter Verwendung des im Artikel zitierten Kriteriums wurde die Positionsstreuung auf ein Viertel der Genauigkeitsklasse des zu prüfenden Messgeräts begrenzt. Die Autoren testeten sechs Messgeräte der Klasse 1,5 unter denselben Umgebungsbedingungen auf dem Sechs-Positionen-Prüfstand und wandten einen Schwellenwert von 0,375 % an. Die Daten sind in Tabelle 1 wiedergegeben.

Zwei der sechs Messgeräte überschritten den in der Studie verwendeten Schwellenwert von 0,375 %. Dies zeigt, dass die gemessene Positionsstreuung zwischen Messgeräten, die auf demselben Prüfstand getestet werden, variieren kann. Die Autoren empfehlen, die Stabilität und Zuverlässigkeit der Messgeräte zu verbessern. Zur Bewertung der Positionskonsistenz an einem Messnormal empfehlen sie, ein Prüfmessgerät mit stabilen metrologischen Eigenschaften auszuwählen.

Krümmungen sind in Gasmessprüfständen und Feldinstallationen üblich. Das Papier erläutert, dass Geschwindigkeits- und Zentrifugalkraftunterschiede über eine Krümmung eine Sekundärströmung erzeugen können, wodurch die Störung zunimmt und die Gleichmäßigkeit des Geschwindigkeitsprofils verringert wird. Dies kann die Ergebnisse an verschiedenen Prüfstandspositionen beeinflussen, insbesondere bei Zählern, die empfindlich auf Einlassströmungsprofile reagieren, wie Ultraschall- und thermische Gaszähler.

Zur Untersuchung der Auswirkung eines zusätzlich eingebauten geraden Rohrabschnitts verwendeten die Autoren einen Dreipositionen-Schallmessdüsenprüfstand mit Umlenkungen. Er hatte einen Durchflussbereich von 0,04–65 m³/h und eine relative erweiterte Unsicherheit von Uᵣ = 0,34 % (k = 2). Sie testeten dasselbe Ultraschallmessgerät mit der Seriennummer 35180824128 bei 40 m³/h mit und ohne den zusätzlichen Abschnitt, während die Umgebungsbedingungen unverändert blieben. Das berichtete Ergebnis des Stabilitätstests des Messgeräts betrug 0,23 %. Die Messungen sind in der ursprünglichen Tabelle 3 aufgeführt.

Nachdem der gerade Abschnitt hinzugefügt wurde, sank die gemessene Positionsstreuung von 0,70 % auf 0,28 %. Die Autoren interpretieren das Ergebnis als Beleg dafür, dass der zusätzliche gerade Abschnitt die Strömungsverteilung und die Positionskonsistenz in ihrem Aufbau verbesserte. Sie empfehlen gerade Längen von 8D–15D, wobei D der Innendurchmesser des Rohrs ist, und schlagen Strömungsführungen vor, wo der verfügbare Platz begrenzt ist. Außerdem empfehlen sie, die Anzahl der Umlenkungen in der Prüfstandsverrohrung zu reduzieren.

Die Ergebnisse der sechs Positionen zeigen, dass die Wahl des Prüfgeräts bei der Bewertung der Konsistenz der Prüfstandspositionen eine Rolle spielt. Zwei Geräte überschritten das Kriterium der Studie von 0,375 %, während die anderen vier es nicht überschritten. Bei dem separaten Drei-Positionen-Prüfstand verringerte das Hinzufügen eines geraden Abschnitts die Streuung für das getestete Gerät von 0,70 % auf 0,28 %, eine Reduzierung um 0,42 Prozentpunkte. Zusammengenommen stützen die Experimente die Prüfung sowohl der Gerätestabilität als auch der Anordnung der Zulaufleitung bei der Diagnose eines positionsabhängigen Ergebnisses. Der Vergleich mit dem geraden Abschnitt umfasst ein Gerät bei einem Durchflusspunkt.

Auf der Grundlage praktischer Verifikationserfahrungen, theoretischer Analysen und Experimente untersucht die Arbeit die Ursachen positionsabhängiger Unterschiede und mögliche Abhilfemaßnahmen in Bezug auf Druckverlust, Fehlerkennlinien von Messgeräten und Strömungsfeldverteilung. Die Autoren beabsichtigen, mit diesen Erkenntnissen Verifikationslaboren und Gaszählerherstellern dabei zu helfen, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Mehrpositionsprüfungen zu verbessern.

Eine Folgestudie könnte den Vergleich gerader Abschnitte über mehrere Strömungspunkte, Messgerätetechnologien und Einlasskonfigurationen hinweg wiederholen. Die Erfassung positionsspezifischer Drücke und Temperaturen, wiederholter Messwerte und Messunsicherheiten würde helfen, den Effekt der Rohrleitung von der Variabilität der Messgeräte zu trennen und festzustellen, wie weit sich die beobachtete Verbesserung auf andere Prüfstände übertragen lässt.

Die Gleichungen (1)–(3) geben die Quellanalyse wieder. An einem tatsächlichen Prüfstand müssen die Verluste zwischen den Positionen berücksichtigt werden, bevor die Bernoulli-Beziehung zur Vorhersage einer Geschwindigkeitsdifferenz verwendet wird. Die historischen Kriterien der Studie, die Probenmesswerte und die Längen der geraden Rohre sollten im ursprünglichen Testkontext interpretiert werden.

Xu Z., Zhao Z., Zhou Y. Analyse der Ursachen und Gegenmaßnahmen für Positionsunterschiede bei Mehrpositions-Gaszählerprüfeinrichtungen [übersetzter Titel]. 2022, 32(2), S. 34–36. DOI-Eintrag.

Titelbild der Redaktion: Betty Carrell, U.S. Department of Energy. U.S. Government Work gemäß Quelleneintrag. Für das Titelbildlayout mit Titelüberlagerung zugeschnitten. Das Foto veranschaulicht Ingenieurarbeit.