Staudrucksonde

Eine integrierende Staudrucksonde ist eine Sonderform des Pitotrohres, die im Anlagenbau und in der Verfahrenstechnik verwendet wird.

Prinzip von integrierenden Staudrucksonden

Integrierende Staudrucksonden (auch integrierendes Staurohr, Staudrucksonde oder Annubar) werden zur Durchflussmessung von gasförmigen oder flüssigen Fluiden wie Luft, Erdgas, Dampf, Wasser etc. in Rohrleitungen und Kanälen verwendet. Staudrucksonden haben mehrere Öffnungen (meist Bohrungen) in und gegen die Strömungsrichtung. An den Öffnungen entgegen der Strömungsrichtung entsteht ein dynamischer Überdruck p_dyn1 (der sogenannte Staudruck), an den Öffnungen in Strömungsrichtung entsteht ein dynamischer Unterdruck p_dyn2. Innerhalb der Staudrucksonde werden die an den Wirkdrucköffnungen anliegenden Drücke gemittelt und außerhalb der Staudrucksonde gemessen. Der außerhalb der Staudrucksonde gemessen Differenzdruck dp ist die Differenz zwischen dem dynamischen Überdruck und dem dynamischen Unterdruck:

Prinzip der Staudrucksonde

$\begin{align} dp&=p_{1}-p_{2} \\ p_1&=p_{stat}+p_{dyn1} \\ P_2&=p_{stat}+p_{dyn2} \\ dp&=p_{dyn1}-p_{dyn2} \end{align}$

• dp – Differenzdruck
• p₁ – Gesamtdruck 1
• p₂ – Gesamtdruck 2
• p_dyn1 – dynamischer Überdruck
• p_dyn2 – dynamisches Vakuum

Durch die Mittelungsfunktion des integrierenden Staurohrs kann die Staudrucksonde gestörte Strömungsprofile, wie sie im Rohleitungsbau hinter Einbauten oder Umlenkungen vorhanden sind, besser korrigieren und den Durchfluss genauer erfassen, als dies bei einer Einpunktmessung der Fall ist.

Berechnungsgrundlagen

Die Durchflussberechnung nach dem Staudruckprinzip leitet sich aus dem Energieerhaltungsgesetz her. Im Anströmpunkt (Staupunkt) der Staudrucksonde wird die Strömung gebremst und wandelt ihre kinetische Energie (Geschwindigkeit) in potentielle Energie (Druck) um.

Aus dem gemessenen Differenzdruck lässt sich der Durchfluss des Fluids errechnen:

$q_{m}=K \epsilon \frac{\pi}{4} d^2 \sqrt {2 dp \rho}$

Hierin sind:

• q_m – Massenstrom (bzw Massendurchfluss)
• K – dimensionslose Kalibrierkonstante der Staudrucksonde (K-Zahl)
• ε – Expansionszahl
• dp – Differenzdruck
• ρ – Dichte des Fluids

Die dimensionslose Kalibrierkonstante K wird von den unterschiedlichen Herstellern für ihre integrierenden Staudrucksonden ermittelt und dem Benutzer mitgeteilt. Ein typischer Wert liegt zwischen 0,62 und 0,68.

Die Expansionszahl ε korrigiert die Dichteänderung des Fluids durch den Druckverlust an der integrierenden Staudrucksonde. Für inkompressible Fluide (Flüssigkeiten) ist ε = 1; bei kompressiblen Fluiden wird ε kleiner 1, bleibt aber typischerweise im Bereich 0,97 < ε < 1. Die Dichte ρ des Fluids ist die Dichte unmittelbar vor der integrierenden Staudrucksonde.

Bauformen

Staudrucksonde mit multivariablem Messumformer

Integrierende Staudrucksonden unterscheiden sich hinsichtlich Messprofil und Anschlussbauform.

Das Messprofil einer integrierenden Staudrucksonde ist der in der Rohrleitung befindliche umströmte Teil. Von außen sichtbar ist der Anschlussteil, mit dem die integrierende Staudrucksonde in die Rohrleitung eingebaut wird und Messgeräte wie Differenzdruckmessumformer, Druck- oder Temperaturmessumformer angebaut werden.

Literatur

• DIN EN ISO 5167 1-4, Durchflussmessung von Fluiden mit Drosselgeräten, 2004, Beuth-Verlag
• Berechnungsgrundlagen der deltaflow, 2003, systec Controls GmbH
• Messtechnik an Maschinen und Anlagen, Heinz Stetter (Hrsg), 1992 B.G. Teubner Stuttgart
• Messung gestörter Strömungsprofile, Oliver Betz, 2003, Konradin Verlag Heilbronn

Weblinks

systec Controls (Hersteller)