Strömungsmessung: Venturi-Rohr, Blende und Staurohr im Vergleich

Venturi-Rohr: Aufbau und Funktion

Das Venturi-Rohr besitzt zwei Eingänge an jedem Ende mit einer Düse. Die Flüssigkeit strömt durch diese Düse. Das Venturi-Rohr wird in der Regel aus einem Guss gefertigt und besteht aus folgenden Hauptelementen:

• Ein Upstream-Bereich (Einlaufbereich) mit dem gleichen Durchmesser wie das Rohr, versehen mit einem Messingring und einer Reihe von piezometrischen Öffnungen zur Messung des statischen Drucks in diesem Abschnitt.
• Eine konvergierende Verjüngung (Konus) und ein zylindrischer Hals, ebenfalls mit einem Piezometer-Messingring ausgestattet.
• Ein divergierender Kegelschnitt mit einer allmählichen Erweiterung bis zum ursprünglichen Rohrdurchmesser. Die Piezometer-Ringe an beiden Enden sind mit einem Differenzdruckmesser verbunden.

Die Dimensionierung des Venturi-Rohrs wird durch den Durchmesser des verwendeten Rohrs und den Durchmesser des Halses (Engstelle) bestimmt. Beispielsweise passt ein 6''x4''-Venturi-Rohr in ein 6''-Rohr und hat einen Halsdurchmesser von 4''.

Um genaue Messergebnisse zu erzielen, muss dem Venturi-Rohr eine gerade Rohrstrecke von mindestens dem 10-fachen des Rohrdurchmessers vorausgehen.

Wenn die Flüssigkeit vom Rohr in den Hals strömt, erhöht sich die Geschwindigkeit drastisch, während der Druck sinkt (Bernoulli-Effekt). Die Durchflussmenge durch die Pipeline (im Falle eines inkompressiblen Flusses) ist eine Funktion der abgelesenen Differenzdruckwerte.

Das Venturi-Rohr hat verschiedene Anwendungen, beispielsweise als wichtiger Bestandteil von Vergasern in Motoren und in Antriebssystemen.

Vorteile des Venturi-Rohrs

• Es wird verwendet, wenn ein geringer Druckverlust wichtig ist.
• Der konisch zulaufende Ausgang (Divergenz) ist glatt ausgeführt.
• Es eignet sich für schmutzige und leicht verunreinigte Flüssigkeiten.

Messblende (Orifice Plate)

Die Messblende besteht aus einer Lochplatte, die in das Rohr eingebaut wird. Das Loch hat eine zylindrische oder prismatische Öffnung, durch die die Flüssigkeit strömt. Die Blende ist genormt; die Kantenmerkmale stellen sicher, dass der erzeugte Strahl die Wand am Ausgang des Lochs nicht berührt.

Die Strömungsrate kann anhand der Differenzdruckmessungen bestimmt werden. Zwei Anschlüsse werden vor und hinter der Platte angebracht, um diesen Differenzdruck zu erfassen.

Konzentrische Blenden

Konzentrische Blenden (mit dem Loch in der Mitte) werden typischerweise für saubere Flüssigkeiten verwendet.

Exzentrische Blenden

Exzentrische Blenden dienen dazu, Gasdruckschwankungen zu bereinigen, die Turbulenzen verursachen (zur Vermeidung von Partikelansammlungen). Die Hochdruckseite dient der Vermeidung von Messfehlern.

Segmentierte Blenden

Segmentierte Blenden werden verwendet, um Turbulenzen und die Ansammlung von Feststoffen oder Gasen, die die Flüssigkeit mitführen kann, zu verhindern. Die Platte enthält eine Entlüftungsöffnung. Zu den verschiedenen verwendeten Lochprofilen gehören: „Scharfkantig“, „Viertelkreis“ und „Fase“.

Die Bernoulli-Gleichung

Die Bernoulli-Gleichung ist eines der nützlichsten und bekanntesten physikalischen Prinzipien in der Strömungsmechanik und wird zur Messung des Durchflusses verwendet. Das Bernoulli-Theorem besagt, dass die Gesamtenergie eines strömenden Fluids, gemessen durch die Summe aus potenzieller Energie, kinetischer Energie und Druckenergie, konstant ist.

Das Staurohr (Pitot-Rohr)

Das Staurohr ist die älteste Methode zur Messung des Differenzdrucks und zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit in einem Rohr. Es besteht aus einem kleinen Rohr, dessen Eingang gegen die Richtung des Fluidstroms gerichtet ist. Da die Geschwindigkeit der Flüssigkeit am Eingang Null ist (Staupunkt), wird die kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt, was zu einem erhöhten Gesamtdruck (p_total) im Rohr führt.

Staurohre sind einfache, preiswerte Instrumente, die in einer Vielzahl von Größen erhältlich sind. Bei korrekter Anwendung erreichen sie eine moderate Genauigkeit. Obwohl sie routinemäßig zur Messung der Luftgeschwindigkeit eingesetzt werden, können sie mithilfe einer Integrationstechnik auch zur Bestimmung des Gesamtflusses in großen Kanälen und praktisch allen Flüssigkeiten verwendet werden.

Eigenschaften und Vorteile

• Misst die Geschwindigkeit punktuell.
• Zu seinen Vorteilen zählen der geringe Druckverlust und der niedrige Preis, weshalb es eine gute Wahl für Rohre mit großem Durchmesser, insbesondere für Gase und saubere Medien, ist.
• Es besteht aus einem Rohr mit kleinem Durchmesser, das dem Fluss widersteht, sodass die Geschwindigkeit am Staupunkt Null ist.

Funktionsweise

Die Öffnung der Pitot-Sonde erfasst den Gesamtdruck (Staudruck) und leitet ihn zur Druckmessung weiter. Der reine statische Druck wird separat erfasst und ebenfalls zur Messung geleitet. Der resultierende Differenzdruck ist der dynamische Druck, der von der Geschwindigkeit abhängt und zur Analyse herangezogen wird.

Berechnungsgrundlage

Die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit aus der gemessenen Druckdifferenz mithilfe der Pitot-Sonden-Formel basiert auf der Bernoulli-Gleichung. Dies ermöglicht die Bestimmung des gesamten Durchflusses der Flüssigkeit.