Staudrucksonde (Annubar-Prinzip)

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Eine Staudrucksonde nach dem Annubar-Prinzip (auch Annubar, Ellison-Annubar oder integrierendes Staurohr) ist eine Sonderform des Pitotrohres, die im Anlagenbau und in der Verfahrenstechnik zur Durchflussmessung verwendet wird.

Staudrucksonde in Rohrleitung

Prinzip[Bearbeiten]

Prinzip der Staudrucksonde

Diese Staudrucksonden 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:


\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
  • p_{1} – Gesamtdruck 1
  • p_{2} – Gesamtdruck 2
  • p_{dyn1} – dynamischer Überdruck
  • p_{dyn2} – dynamisches Vakuum

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

Berechnungsgrundlagen[Bearbeiten]

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:[1]

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)
  • \epsilon – Expansionszahl
  • d – Innendurchmesser der Rohrleitung
  • dp – Differenzdruck
  • \rho – Dichte des Fluids

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

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

Bauformen[Bearbeiten]

Staudrucksonden nach dem Annubar-Prinzip unterscheiden sich hinsichtlich Messprofil und Anschlussbauform.

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

Anwendungen / Einsatzgrenzen[Bearbeiten]

Staudrucksonden nach dem Annubarprinzip sind vor allem in verfahrenstechnischen Anlagen im Einsatz, also zum Beispiel in Kraftwerken, in chemischen und petrochemischen Anlagen, in Brauereien, Verbrennungsanlagen und Kläranlagen. Da Staudrucksonden Totvolumina aufweisen, werden sie in der Regel nicht für Lebensmittel oder andere sensible Produkte eingesetzt, sondern primär für Hilfsmedien wie Dampf, Druckluft, Heizwasser, Thermoöl, Rauchgas etc.

Vorteilhaft gegenüber klassischen dp-Messverfahren wie Blenden, Venturis oder Düsen, ist der einfachere Einbau und der geringe Druckverlust (bzw Energieverlust). Einen Online-Rechner zur überschlägigen Berechnung der Druckverluste gibt es hier: / Onlinerechner

Klassische Primärelemente haben dagegen den Vorteil international genormt und standardisiert zu sein (ISO 5167). Preiswert ist der Einsatz von Staudrucksonden insbesondere bei großen Rohrleitungen, da der Preis vom Staudrucksonden sich näherungsweise linear mit dem Durchmesser entwickelt, der von klassischen Primärelementen quadratisch oder kubisch.

Literatur[Bearbeiten]

  • Messtechnik an Maschinen und Anlagen, Heinz Stetter (Hrsg), 1992 B.G. Teubner Stuttgart

/ Fachartikel über Energieeinsparung in Kraftwerk mit Staudrucksonden (PDF-Datei; 560 kB)

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Berechnungsgrundlagen einer kommerziellen Staudrucksonde, 2003, systec Controls GmbH (PDF-Datei; 126 kB)