Grundlagen der Durchflussmessung

Grundlagen der Durchflussmessung

Der Durchfluss eines Gases oder einer Flüssigkeit wird aus verschiedenen Gründen gemessen, dazu zählen sicherlich auch kaufmännische Überlegungen als Teil eines Vertrages oder in Produktionsprozessen. Der Durchfluss beziehungsweise Volumenstrom (Volumen / Zeit) lässt sich unter anderem über die Messgrösse Druck erfassen.

Der Volumenstrom kann anhand verschiedener Methoden gemessen werden. Dazu zählen neben Ultraschalldurchflusssensoren, magnetisch-induktiven Durchflusssensoren auch Sensoren, die nach dem Differenzdruckverfahren arbeiten, darunter Messblende, Venturi-Rohr und Prandtsches Staurohr. Bei der Auswertung der gemessenen Werte wird für alle nach dem Differenzdruckverfahren arbeitenden Sensoren die Bernoullische Gleichung herangezogen:

Q = V/t = VmA

Q = Volumenstrom
Vm = mittlere Geschwindigkeit
t = Zeit
A = Fläche
V = Volumen

Nehmen wir die Messung des Volumenstroms mittels einer Blende als Beispiel. Durch das Anbringen der Blende an dem Rohr wird dieses an einer Stelle verengt:

Abbildung 1: Durchflussmessung mittels Blende. 

Bei reibungsloser Strömung sollte vor und nach der Blende der gleiche Druck herrschen:

p1 + ½ ρv12=p2+ ½ ρv22

p = Druck
ρ = Dichte
v = Geschwindigkeit

Diese Annahme beruht auf der Kontinuitätsgleichung, die besagt, dass alles, was in ein Rohr fliesst am Ende auch wieder rauskommt:

v1A1 = v2A2

v = Geschwindigkeit 
A = Fläche 

Abbildung 2: Strömungsmessung

Unter realen Bedingungen kommt es aber zu Reibung und dadurch bedingt zu einem Druckabfall:

p + ½ ρv2 + wR = const.

P= Druck
ρ = Dichte
v = Geschwindigkeit
wR = Arbeit der Reibungskraft pro Volumen

Abbildung 3: Druckabfall durch Reibung

Dieser Druckabfall ist wichtig zur Ermittlung des Volumenstroms. Allerdings hängt der Reibungseffekt von vielen Faktoren ab. Aus diesem Grund wird eine empirische Formel herangezogen, die wiederum auf Erfahrungswerte zurückgreift. Der Volumenstrom ergibt sich letztlich aus der Wurzel der Druckdifferenz:

Q = 4000 αεd2√∆p/ρ    

Q = Volumenstrom
α = empirische Durchflusszahl
ε = Expansionszahl
d = Innendurchmesser der Blende
∆p = Differenzdruck
ρ = Dichte

Um diese Formel für Anwender etwas handlicher zu machen, werden alle konstanten Werte der Messeinrichtung und des Messmediums als Konstante c zusammengefasst. Daraus ergibt sich beispielsweise für ein Fluid folgende Gleichung:

Q = c √∆p

Druckmessung: Kompressible Medien vs. inkompressible Medien

Druckmessung: Kompressible Medien vs. inkompressible Medien

Bei der Druckmessung gibt es eine Vielzahl Faktoren zu beachten. Dazu gehören natürlich auch die Eigenschaften des Mediums.

Eine grundlegende Unterscheidung ist jene, ob es sich um ein kompressibles oder inkompressibles Medium handelt. Unter kompressiblen Medien versteht man Stoffe, deren Dichten und somit auch das Volumen druckabhängig ist. Das trifft auf Gase zu. Inkompressible Medien haben unabhängig des Druckes ein konstantes Volumen. Zu dieser Kategorie zählen eher Flüssigkeiten. Es gilt jedoch festzuhalten, dass Inkompressibilität ein Idealfall ist, der in der Realität nicht existiert. Dennoch bezeichnet man in der Praxis Flüssigkeiten wie Wasser oder Hydraulik-Öl als inkompressibel, da sie in erster Näherung inkompressibel sind. Man nimmt also von Wasser in Wasserleitungen unter Normalbedingungen Inkompressibilität an, da dies Berechnungen enorm vereinfacht und die dadurch entstehenden Fehler vernachlässigbar sind.

Ein Beispiel hierfür ist die Berechnung des Volumenstroms. Da Flüssigkeiten in erster Näherung inkompressibel sind, sich die Dichte also nicht ändert, wenn bei konstantem Volumenfluss der Strömungsquerschnitt geweitet oder verengt wird (und somit eine Druckänderung herbeigeführt wird), gilt das Kontinuitätsgesetz:

Q = A1 •v1 = A2 • v2.

Für Gase gilt das Kontinuitätsgesetz in dieser Form aufgrund ihrer Kompressibilität nicht.

Damit haben wir dem nächsten Punkt bereits etwas vorgegriffen. Auch die Unterscheidung zwischen Statik und Dynamik ist wichtig. Mit Statik wird ein Kräftegleichgewicht bezeichnet. In diesem Fall tritt aufgrund des Ausgleichs von Druckunterschieden keine Strömung auf.

Anders ist dies bei der Dynamik. Hier unterschiedet man zwischen verschiedenen Strömungsarten:

  • Stationäre Strömung: Eine stationäre Strömung liegt vor, wenn die Strömungsgeschwindigkeit über die Zeit konstant ist.
  • Instationäre Strömung: Von einer instationären Strömung spricht man, wenn zeitliche Veränderungen auftreten. Das ist zum Beispiel bei Pumpen und Ventilöffnungen der Fall. Es kommt zu dynamischen Schlägen bis hin zu Druckspitzen, die auch die Rohrleitungen beschädigen können.
  • Laminare Strömung: Bei einer laminaren Strömung strömt das Fluid in sich nicht miteinander vermischenden Schichten. Es kommt zu keinen Verwirbelungen, die einzelnen Schichten können unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen.

Auch Reibung spielt eine grosse Rolle. Dabei unterschiedet man zwischen äußerer und innerer Reibung. Erstere bezeichnet die Reibung, die zwischen dem Fluid und einer Wand auftritt (z.B. der Innenwand der Rohrleitung, durch die das Fluid fliesst). Eine innere Reibung findet man beispielsweise im Falle einer laminaren Strömung, wo die einzelnen Schichten des Fluids aneinander reiben. Die Reibung, die auf die Strömung wirkt, hängt von verschiedenen Parametern ab und erfordert komplexe Berechnungen. Die Parameter sind Wandrauheit, Strömungsgeschwindigkeit, Dichte und Viskosität. Letzte steht wiederum in Abhängigkeit zur Temperatur, was die Berechnung weiterhin erschwert.

Kommen wir zur Unterscheidung zwischen Statik und Dynamik zurück: Von einer statischen Druckmessung sprechen wir, wenn wir den Schweredruck (auch hydrostatischer Druck) erfassen wollen. Damit ist der Druck gemeint, der sich in einem ruhenden Fluid unter Einfluss der Erdanziehungskraft einstellt. Der hydrostatische Druck wird beispielsweise zur Erfassung von Füllständen in Tanks gemessen. Auch hier ist die Unterscheidung zwischen kompressiblen und inkompressiblen Medien essenziell, da die Berechnung des hydrostatischen Drucks von beispielsweise Wasser ungleich einfacher ist als die eines kompressiblen Gases.

Die Masse von inkompressiblen Medien ist die Dichte mal Volumen, also ist gleich Dichte mal Grundfläche mal Höhe. Für die Berechnung des hydrostatischen Drucks gilt:

p = F/ A = ρAhg/A = ρgh

ρ = Druck
F = Kraft
A = Fläche
p = Dichte
h = Höhe
g = Erdbeschleunigung

Der Druck verhält sich in dieser Gleichung proportional zur Tiefe. Die Form bzw. der Querschnitt des Behältnisses spielt dabei keine Rolle. Der hydrostatische Druck ist also unabhängig vom Volumen in einem Gefäss, sondern von der Füllhöhe. Dieses Phänomen kennt man auch als hydrostatisches Paradoxon.

Abbildung 1: Hydrostatisches Paradoxon

Hier lesen Sie mehr zur Hydrostatischen Füllstandsüberwachung auf piezoresistiver Basis in Tanks.

Während der statische Druck also zur Füllstandmessung genutzt wird, sind dynamische Druckmessungen nötig, um einen Volumenstrom bzw. eine Durchflussmenge zu messen.

Mehr dazu lesen Sie hier.

Die physikalische Grösse Druck und die unterschiedlichen Druckarten

Die physikalische Grösse Druck und die unterschiedlichen Druckarten

Neben der Temperatur zählt der Druck zu den am häufigsten gemessenen physikalischen Grössen in industriellen Anwendungen. Es gibt allerdings verschiedene Masseinheiten für und Arten von Druck. Im Folgenden erklären wir die grundlegenden Begriffe.

Druck beschreibt die auf eine Fläche (A) wirkende Kraft (F) und wird mit dem Formelzeichen p angegeben:

p= F/A

Nach dem internationalen Einheitssystem wird die SI-Einheit von Druck Pascal (Pa) genannt. Die Bezeichnung geht auf den französischen Mathematiker Blaise Pascal (1623 – 1662) zurück und wird aus den SI-Einheiten Meter und Newton wie folgt abgeleitet: 1 Pa = 1 N/m2.

Das Pascal ist eine sehr kleine Druckeinheit. In industriellen Anwendungen greift man daher in der Regel auf die Einheit bar zurück. Die verwendeten Einheiten zur Angabe eines Druckes variieren von Anwendungsgebiet zu Anwendungsgebiet. So wird Pa für Druckmessungen in Reinräumen benutzt. Die Meteorologie greift auf die Einheit hPa zurück. Der Blutdruck wird hingegen in der Einheit mmHg gemessen. Wie sich diese einzelnen Einheiten zueinander verhalten wird in der unten stehenden Umrechnungstabelle deutlich.

Abbildung 1: Umrechungstablle Druckeinheiten

Die Druckarten

Für Anwender ist es wichtig, die verschiedenen Druckarten unterscheiden zu können, um den idealen Drucktransmitter für ihre Anwendung zu wählen.

Für die Druckmessung ist die Unterteilung in Absolut-, Differenz- und Relativdruck entscheidend.

Absolutdruck

Der absolute Druck bezieht sich auf den Druck Null. Damit ist ein luftleerer Raum gemeint, wie er beispielsweise in den Weiten des Universums oder in einem idealen Vakuum herrscht. Der Messdruck ist demnach immer grösser als der Referenzdruck. Zur besseren Unterscheidung von den anderen Druckarten wird der Absolutdruck mit dem Index abs kenntlich gemacht: Pabs.

Absolutdrucksensoren nutzen als Referenzdruck ein im Sensorelement eingeschlossenes Vakuum. Dieses befindet sich auf der Sekundärseite der Membran. Neben meteorologischen Anwendungen werden Absolutdrucksensoren auch oft in der Verpackungsindustrie eingesetzt (z.B. bei der Herstellung von Vakuumverpackungen).

Abbildung 2: Übersicht der unterschiedlichen Druckarten

Relativdruck 

Der Relativdruck referenziert den atmosphärischen Druck. Der atmosphärische Druck wird mit dem Index amb gekennzeichnet. Dabei handelt es sich um den Druck, der durch die erdumhüllende Luftschicht wirkt. Dieser Druck nimmt bis zu einer Höhe von ca. 500 Kilometer kontinuierlich ab (ab dieser Höhe herrscht absoluter Druck). Der atmosphärische Druck entspricht auf Meereshöhe in etwa 1013 mbar und schwankt bei Hoch- und Tiefdrucklagen um zirka fünf Prozent.

Im Unterschied zu einem Absolutdrucksensor ist die Sekundärseite eines Relativdrucksensors offen, um einen Druckausgleich zum Atmosphärendruck zu gewährleisten. Neben Relativdruck ist auch die Bezeichnung Überdruck üblich. Von einem positiven Überdruck spricht man, wenn der absolute Druck höher als der Atmosphärendruck ist. Ist dies nicht der Fall, wird von einem negativen Überdruck gesprochen (früher war auch die Bezeichnung Unterdruck gebräuchlich).

Als praktisches Beispiel für eine Relativdruckmessung soll der Reifendruck eines Fahrzeuges dienen: Werden bei einem Luftdruck von 1 bar einem Reifen 2 bar relativer Druck zugeführt entspricht dies 3 bar Absolutdruck.

Differenzdruck

Beim Differenzdruck wird der Druckunterschied zwischen zwei beliebigen Drücken angegeben. Aus diesem Grund besitzen Differenzdrucksensoren zwei Druckanschlüsse.

Ein Anwendungsbeispiel für die Differenzdruckmessung ist die hydrostatische Druckmessung in geschlossenen Tanks.

Mehr dazu lesen Sie hier.