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Studienarbeit von D Gross FH Kaiserslautern .pdf



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Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

Inhalt
1 Einleitung ............................................................................................................................................ 4
2 Grundkenntnisse ............................................................................................................................... 5
2.1 Die Pumpenkennlinie................................................................................................................. 5
2.1.1 Kennfeld einer radialen Kreiselpumpe ............................................................................ 6
2.1.2 Kennlinienformen ................................................................................................................ 7
2.2 Die Anlagenkennlinie ................................................................................................................. 9
2.3 Der Betriebspunkt .................................................................................................................... 11
2.4 Regelmöglichkeiten ................................................................................................................. 12
2.4.1 Drosselung ......................................................................................................................... 12
2.4.2 Drehzahlverstellung .......................................................................................................... 13
2.4.3 Änderung der geodätischen Höhe ................................................................................. 13
3 Planung des Versuchsstandes ...................................................................................................... 14
3.1 Auswahl der Pumpe und der Sensoren ................................................................................ 14
3.1.1 Auswahl der Pumpe ......................................................................................................... 14
3.1.2 Auswahl des Drucksensors ............................................................................................. 15
3.1.3 Auswahl des Durchflusssensors .................................................................................... 17
3.2 Konstruktive Gestaltung .......................................................................................................... 19
4 Einführung in das Programm LabVIEW ....................................................................................... 20
4.1 Das Frontpanel ......................................................................................................................... 21
4.2 Das Blockdiagramm................................................................................................................. 21
4.3 Shortcuts ................................................................................................................................... 22
4.4 Paletten...................................................................................................................................... 22
4.4.1 Werkzeugpalette ............................................................................................................... 22
4.4.2 Elementpalette .................................................................................................................. 23
4.4.3 Funktionspalette ................................................................................................................ 24
4.5 Programmstrukturen ................................................................................................................ 25
4.5.1 Sequenz ............................................................................................................................. 25
4.5.2 Alternative (Case-Struktur) .............................................................................................. 26
4.5.3 Schleifen............................................................................................................................. 27
4.5.3.1 FOR-Schleife .............................................................................................................. 27
4.5.3.2 While-Schleife ............................................................................................................ 28
4.6 Datentypen ................................................................................................................................ 29
4.7 Array ........................................................................................................................................... 30
4.8 Cluster........................................................................................................................................ 30
4.9 Debug-Modus ........................................................................................................................... 31
5 Die Messkette .................................................................................................................................. 31

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes
6 Die Programmierung des Versuchsstandes................................................................................ 32
6.1 Messung einer analogen Spannung ..................................................................................... 33
6.1.1 SubVI „AInScBg“ .............................................................................................................. 35
6.1.2 SubVI „GetStatus“ ........................................................................................................... 38
6.1.3 SubVI „ToEng“ ................................................................................................................. 40
6.1.4 SubVI „StopBg“ ................................................................................................................ 40
6.1.5 SubVI „ErrMsg“ ................................................................................................................ 41
6.1.6 Erläuterungen zum Programmablauf ............................................................................. 41
6.2 SubVI „Kennlinie“ ..................................................................................................................... 43
6.3 SubVI „ISEL-Ansteuerung“ ..................................................................................................... 50
6.3.1 Anzeigen des Anschlusses ............................................................................................. 52
6.3.2 Konfiguration des seriellen Ports.................................................................................... 52
6.3.3 Case-Struktur „Schreiben“ ............................................................................................... 55
6.3.4 Aufbau des Daten-Strings mit Vor- und Rückwärtsfahrt ............................................. 56
6.3.5 Sequenz mit Leseverzögerung ....................................................................................... 59
6.3.6 Case-Struktur „Lesen“ und Funktion „VISA: Schließen“ ............................................. 59
6.4 Hauptprogramm (MainVI) ....................................................................................................... 60
7 Inbetriebnahme des Versuchsstandes......................................................................................... 71
7.1 Ermittlung der Geradengleichung für den Vol.-Strom ........................................................ 72
7.2 Ermittlung der Geradengleichung für die Druckhöhe ......................................................... 73
8 Ergebnis ............................................................................................................................................ 75
9 Ausblick ............................................................................................................................................. 77
10 Literatur ........................................................................................................................................... 78
11 Anhang............................................................................................................................................ 79

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Drosselkurve [3, S. 308] ............................................................................................... 5
Abbildung 2: Kennfeld einer radialen Kreiselpumpe [3, S. 311] .................................................... 6
Abbildung 3: Typische Kennlinienformen der Kreiselpumpe [6, S. 40] ........................................ 7
Abbildung 4: „einfach“ instabile Drosselkurve [3, S. 309] ............................................................... 8
Abbildung 5: sattelförmig instabile Drosselkurve [3, S. 309] .......................................................... 8
Abbildung 6: Anlagenkennlinie mit statischem und dynamischem Anteil [2, S. 139] ............... 10
Abbildung 7: Veränderung des Betriebspunktes durch Eindrosselung [4, S. 5] ....................... 12
Abbildung 8: Drehzahlregelung bei unterschiedlichen Anlagenkennlinien [4, S. 6] ................. 13
Abbildung 9: „Yacht“ Tauchpumpe 12V .......................................................................................... 14
Abbildung 10: Querschnitt des piezoresistiven Drucksensors 120PC [10, S. 78] .................... 16
Abbildung 11: piezoresistiver Drucksensors (Honeywell 130PC) [10, S. 78] ............................ 16
Abbildung 12: Durchflusssensor vom Typ MIK [Quelle KOBOLD] ............................................. 17
Abbildung 13: Entwurfskonstruktion ................................................................................................ 19
Abbildung 14: Idee der Simulation eines realen Messgeräts in LabVIEW [11, S. 22] ............. 20
Abbildung 15: Werkzeugpalette [11, S. 42] .................................................................................... 22
Abbildung 16: Elementpalette [11, S. 44]........................................................................................ 23
Abbildung 17: Funktionspalette [11, S. 46] ..................................................................................... 24
Abbildung 18: flache Sequenzstruktur ............................................................................................. 25
Abbildung 19: gestapelte Sequenzstruktur mit 'lokaler Sequenzvariable' ................................. 26
Abbildung 20: Case-Struktur ............................................................................................................. 26
Abbildung 21: FOR-Schleife ............................................................................................................. 27
Abbildung 22: While-Schleife ............................................................................................................ 28
Abbildung 23: Messkette ................................................................................................................... 32
Abbildung 24: Frontpanel zur Messung einer analogen Spannung ............................................ 33
Abbildung 25: Blockdiagramm zur Messung einer analogen Spannung ................................... 34
Abbildung 26: generiertes Auswahlfeld für den Messbereich ...................................................... 37
Abbildung 27: generiertes Auswahlfeld für die Funktion .............................................................. 39
Abbildung 28: Frontpanel des SubVIs „Kennlinie“ ......................................................................... 43
Abbildung 29: Blockdiagramm des SubVIs „Kennlinie“ ................................................................ 44
Abbildung 30: Frontpanel des SubVIs „ISEL-Ansteuerung“......................................................... 50
Abbildung 31: Blockdiagramm des SubVIs „ISEL-Ansteuerung“ ................................................ 51
Abbildung 32: FALSE der Case-Struktur „Schreiben“................................................................... 55
Abbildung 33: Aufbau des Daten-Strings mit Vorwärts- und Rückwärtsfahrt ............................ 56
Abbildung 34: Vorwärtsfahrt .............................................................................................................. 57
Abbildung 35: Rückwärtsfahrt ........................................................................................................... 58
Abbildung 36: erste Seite der Frontpanel-Registerkarte des MainVIs ....................................... 60
Abbildung 37: zweite Seite der Frontpanel-Registerkarte des MainVIs ..................................... 61
Abbildung 38: dritte Seite der Frontpanel-Registerkarte des MainVIs ....................................... 62
Abbildung 39: erste Seite des Blockdiagramms des MainVIs ..................................................... 63
Abbildung 40: zweite Seite des Blockdiagramms des MainVIs ................................................... 64
Abbildung 41: FALSE-Teil auf der zweiten Blockdiagrammseite des Main VIs ........................ 69
Abbildung 42: Kalibrierkurve Volumenstrom .................................................................................. 72
Abbildung 43: Kalibrierkurve Druckhöhe......................................................................................... 73
Abbildung 44: aufgenommene Pumpenkennlinie .......................................................................... 75
Abbildung 45: Referenz-Pumpen-Kennlinie ................................................................................... 79
Abbildung 46: zweite Referenz-Pumpen-Kennlinie ....................................................................... 80
Abbildung 47: dritte Referenz-Pumpen-Kennlinie mit 19 Messwerten ....................................... 81

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

1 Einleitung
In den technischen Anleitungen von handelsüblichen Pumpen werden meist nur die
max. Förderhöhe Hmax und die max. Fördermenge V max angegeben. Diese Werte
stellen aber nur die Endpunkte der Pumpenkennlinie dar.
Entscheidend ist, welche Höhe die Pumpe überwinden muss, bei noch ausreichendem Mengenstrom. Dieser Mengenstrom ist der Pumpenkennlinie zu entnehmen. Als
Beispiel ist die Bewässerung eines „Terrassen-Geländes“ zu nennen.
Eine Pumpe sollte bei Dauerbetrieb unbedingt bei bestem Wirkungsgrad laufen.
Im Rahmen dieser Studienarbeit wurde der drei Meter hohe Versuchsstand der
Fachhochschule Kaiserslautern als Tischaufbau mit einer max. Förderhöhe von
1,50m neu gebaut. Die Programmierung der Pumpenkennlinie erfolgte über das weit
verbreitete Programm LabVIEW.
Der Versuchsaufbau sieht folgendermaßen aus:
Neben der Messung von Druck und Volumenstrom wird der Druck- bzw. Austrittsstutzen der Pumpe über eine Linearführung schrittweise nach oben geführt.
Somit vergrößert sich schrittweise die geodätische Höhe und man erhält die Pumpenkennlinie, welche über dem Volumenstrom aufgetragen ist.

4

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

2 Grundkenntnisse
2.1 Die Pumpenkennlinie
Die Messung der Pumpenkennlinie einer Radialpumpe (Kreiselpumpe) wird oftmals
auf dem Prüfstand durchgeführt. Man erhält sie durch Drosselung der druckseitigen
Armatur, daher auch Drosselkurve genannt.
Unter
Drosselung
versteht
man
das
stufenweise
Verengen
des
Durchtrittsquerschnitts des Druckschiebers. [1, S. 137], [2, S. 136]
Bei der Kennlinienaufnahme werden der durch die Maschine strömende Volumen und die spezifische Stutzenarbeit Y gemessen. Die Pumpendrehzahl ist
strom V
dabei konstant.

 ) der Graph Förderhöhe
In der Praxis wird häufig anstelle der Funktion Y = f ( V
H = f (Förderstrom Q) dargestellt. Diese Förderhöhenkennlinie stellt das Betriebsverhalten einer Kreiselpumpe dar. [3, S. 307], [4, S. 3]
Es gelten folgende Formeln [4, S. 2]:

H

Y
g

Y  gz 2  z1  

p 2  p1 c 22  c 12


2

Eine dimensionsbehaftete lineare Darstellung zeigt folgende Abbildung:

Abbildung 1: Drosselkurve [3, S. 308]

Der Verlauf der Drosselkurve ist auch rechnerisch ermittelbar.

5

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

2.1.1 Kennfeld einer radialen Kreiselpumpe
Das Kennlinien-Kennfeld gibt die Darstellung des funktionellen Zusammenhanges
zwischen den verschiedenen Betriebs- und Abmessungsgrößen einer Pumpe wider.
Folgende Größen sollte ein Kennfeldblatt enthalten:



)
Drosselkurve Y  f ( V
)
Leistungskurve P  f ( V




)
Wirkungsgradkurve   f ( V
NPSHR-Wert speziell bei Pumpen [5, S. 243], [3, S.311]



Ein Beispiel eines Kennfeldes zeigt Abbildung 2 bei einer spezifischen Drehzahl von
nq  20 min1 :

Abbildung 2: Kennfeld einer radialen Kreiselpumpe [3, S. 311]

6

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

2.1.2 Kennlinienformen
Die Drosselkurve kann flach oder steil sein, wobei sich bei einer steilen Kurve und
bei gleicher Förderhöhendifferenz H der Förderstrom Q weniger ändert als bei einer flachen Kurve. [4, S. 3]
Stabile Kennlinien weisen eine stetig steigende Förderhöhen-Kennlinie auf. Dann ist
immer eine negative Steigung gegenüber der Q-Achse vorhanden und der Betriebspunkt befindet sich ausschließlich auf dem rechten Kennlinienzweig. Zu jeder Förderhöhe gehört jeweils nur eine Fördermenge. [6, S. 40], [5, S. 249]
Niedrige spezifische Drehzahlen und große Austrittswinkel führen zur Instabilität.
Im Bereich dieser Instabilität können jeder Förderhöhe zwei Volumenströme zugeordnet werden. [6, S. 40]
Die verschiedenen Formen sind in Abbildung 3 abgebildet:

Abbildung 3: Typische Kennlinienformen der Kreiselpumpe [6, S. 40]

Man unterscheidet zwischen zwei Formen bei den instabilen Drosselkurven:


die „einfache“ instabile Drosselkurve (Abbildung 4):

  0 bis zum Scheitel an und fällt für größer
Die Kurve steigt zunächst von V
werdende Volumenströme im stabilen Bereich stetig ab bis V max .
Viele Radialpumpen weisen eine derartige Kennlinie auf.

7

Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

Abbildung 4: „einfach“ instabile Drosselkurve [3, S. 309]



die sattelförmig instabile Drosselkurve:
Die Kurve fällt zunächst mit ansteigendem Volumenstrom ab und steigt danach bis zum Sattelpunkt S an.
  V ist die Drosselkurve wieder stabil.
Ab V
S
Dieser Kurvenverlauf ist meist für Axialpumpen, Radialventilatoren und
Querstromventilatoren charakteristisch.

Abbildung 5: sattelförmig instabile Drosselkurve [3, S. 309]

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Neubau des Pumpen-Kennlinien-Versuchsstandes

Stabile Kennlinien lassen sich bei Radialpumpen durch folgende Maßnahmen erzielen:
1. kleine Laufrad-Austrittswinkel
2. verlängerte Rückschaufeln bei mehrstufigen Maschinen
3. (bei niedriger spezifischer Drehzahl und kleinen Förderhöhen) kleiner Abstand
von Lauf-/Leitrad
4. kleine Schaufelzahl [6, S. 40]

2.2 Die Anlagenkennlinie
Die Anlagenkennlinie, auch Rohrleitungskennlinie genannt, gibt den Zusammenhang
zwischen der Förderhöhe HA der Anlage und dem Förderstrom Q wider.
Sie setzt sich aus statischen und dynamischen Anteilen zusammen (Abbildung 6).
Die von der Pumpe zu überwindende Förderhöhe besteht aus einem geodätischen,
vom Förderstrom unabhängigen Anteil Hgeo (auch Hstat genannt) und einem mit zunehmender Fördermenge quadratisch wachsenden Höhenverlust Hdyn . Dieser ist
von der Leitungsführung, vom Durchmesser und von der Länge der Rohrleitung abhängig. Der geodätische Anteil ergibt sich aus dem Höhenunterschied von Unterund Oberwasserspiegel.
In Formeln ausgedrückt ergibt sich:


Anlagenkennlinie: HA 
„a“:
„e“:
HVD:
HVS:

p a  p e c a2  c 2e

 z a  z e   HVD  HVS
g
2g

Auslass
Einlass
Druckverlusthöhe in der Druckleitung
Druckverlusthöhe in der Saugleitung
pa  pe
g



statischer Anteil = Hgeo 



dynamischer Anteil = Hdyn 

c a2  c 2e
2g

Da der Volumenstrom der Geschwindigkeit in der Rohrleitung proportional ist, entsteht eine parabelähnliche Kurve:

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