Rohrdurchflussmessung – Venturi-Durchflussmesser

Warum Durchfluss messen?

In vielen industriellen Prozessen ist es heute unerlässlich, die Durchflussrate von Flüssigkeiten innerhalb eines Systems als Ganzes oder in Teilen genau zu messen. Dies gilt sowohl für Gase und Flüssigkeiten (z.B. Kohlendioxid, Stickstoff, Flüssigkeiten usw.), die integraler Bestandteil des Prozesses sind, als auch für Druckluft, Wasser oder Dampf, die für den Betrieb der Anlage grundlegend sind. Die Installation eines Durchflussmessers kann auf zwei Arten begründet werden:

1. Prozesssteuerung
Hier wird das Durchflussmessgerät verwendet, um die Rate des Flüssigkeits- oder Energiedurchflusses zu messen, damit der Prozess gesteuert werden kann und so sichergestellt wird, dass das Endprodukt die erforderliche Qualität aufweist. Ein gängiges Beispiel hierfür sind Dampfinjektionssysteme für die Futtermittelindustrie… zu viel Dampf und das Produkt wird nicht pelletiert… zu wenig Dampf und die Rohstoffe werden nicht verarbeitet und können die Produktionsmaschinen beschädigen.

2. Kostenzuordnung
Wenn Energie für die Bereitstellung von Prozess- oder Raumwärme verwendet wird, ist es von grundlegender Bedeutung zu wissen, wo die mit der Energie verbundenen Kosten tatsächlich anfallen. Die Durchflussmessung ermöglicht es, die Energiekosten einem bestimmten Produkt, einer Abteilung oder einem anderen Nutzer zuzuordnen, was in der Regel zu einer erheblichen Reduzierung der Gesamtenergiekosten führt.

Verständnis der Rohrdurchflussrate

Der Begriff Rohrdurchflussrate wird oft verwendet, um sich auf die Durchflussrate für eine beliebige geschlossene Rohrleitung unter Druck zu beziehen. Die geschlossene Rohrleitung ist oft kreisförmig, kann aber auch quadratisch oder rechteckig sein, wie z. B. ein Heizungskanal. Die andere Hauptkategorie der Strömung ist die Strömung in offenen Kanälen, die auftritt, wenn es eine freie Flüssigkeitsoberfläche gibt, die dem atmosphärischen Druck ausgesetzt ist.

Die Messung der Durchflussrate einer unter Druck fließenden Flüssigkeit wird für eine Vielzahl von Zwecken durchgeführt, wie z. B. für die Abrechnung der Wasserversorgung von Haushalten oder Unternehmen oder für die Überwachung oder Prozesssteuerung einer Vielzahl von industriellen Prozessen, die fließende Flüssigkeiten beinhalten.

Die Durchflussmessung in Rohren wird oft mit einem Differenzdruck-Durchflussmesser wie dem Blenden-, Durchflussdüsen- und Ventruri-Messgerät durchgeführt; Venturi-Messgeräte werden in diesem Artikel besprochen.

Bei jedem Typ verursacht eine Verengung im Durchflussweg einen Druckabfall über dem Messgerät. Der Druckabfall kann gemessen und mit der Durchflussmenge korreliert werden.

Das Venturi-Prinzip und die Bernoulli-Gleichung

Das differenziell arbeitende Durchflussmessgerät oder Venturi hat eine lange Geschichte der Verwendung in vielen Anwendungen. Aufgrund seiner Einfachheit und Zuverlässigkeit gehört der Venturi zu den am häufigsten verwendeten Durchflussmessern. Ohne bewegliche Teile oder abrupte Durchflussbeschränkungen kann der Venturi den Flüssigkeitsdurchfluss mit einem minimalen Gesamtdruckverlust messen.

Das Prinzip hinter dem Betrieb des Venturi-Durchflussmessers ist der Bernoulli-Effekt. Der Venturi misst die Durchflussmenge einer Flüssigkeit, indem er den Durchflussquerschnitt im Strömungsweg verkleinert und eine Druckdifferenz erzeugt. Nachdem die Druckdifferenz erzeugt wurde, wird die Flüssigkeit durch einen Druckrückgewinnungs-Ausgangsabschnitt geleitet, in dem bis zu 80 % des an der Einschnürung erzeugten Differenzdrucks zurückgewonnen werden.

Bernoulli-Gleichung

Das Venturi-Prinzip

Eine Erhöhung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit führt zu einer Abnahme des Innendrucks.

In der obigen Abbildung tritt das Fluid, entweder flüssig oder gasförmig, an der Stelle mit der Querschnittsfläche A1, dem Druck P1 und der Geschwindigkeit v1 in die Venturi ein. Diese Eigenschaften bilden die potentielle und kinetische Energie des Fluids an einer Stelle. In einem geschlossenen System bleibt die Energie erhalten, d.h. die Summe der potentiellen und kinetischen Energie an einem Ort muss gleich der Summe der potentiellen und kinetischen Energie an jedem anderen Ort im System sein.
Wenn die potentielle Energie an einem Ort abnimmt, muss die kinetische Energie an diesem Ort proportional zunehmen. Das Fluid tritt nun mit einer neuen Fläche A2, die kleiner als A1 ist, in die Kehle des Venturis ein. In einem geschlossenen System kann Masse weder erzeugt noch vernichtet werden (Massenerhaltungssatz, einfach gesagt, was reingeht, muss auch wieder rauskommen), und daher muss der Volumenstrom an der Stelle A1 gleich dem Volumenstrom an der Stelle A2 sein.
Ist die Fläche an der Stelle A2 kleiner als A1, muss die Flüssigkeit schneller strömen, um den gleichen Volumenstrom zu erhalten. Diese Zunahme der Geschwindigkeit führt zu einer Abnahme des Drucks, die der Bernoulli-Gleichung folgt. Das Ergebnis: Wenn man den Druck und die Querschnittsfläche an zwei Stellen kennt, kann man die Geschwindigkeit des Fluids berechnen. Mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeit und ihrer Dichte kann man den Durchfluss berechnen.

Ein Venturi benötigt zwei Druck- und eine Temperaturmessung, um den Durchfluss genau zu bestimmen. Der erste Druck wird an der stromaufwärts gelegenen Stelle des Venturis, P1, gemessen. Dieser wird für die Dichteberechnung und den Eingang auf der hohen Seite für die Differenzdruckmessung verwendet.

Venturimessgeräte

Das Prinzip dieser Durchflussmessgeräte wurde erstmals 1797 von J.B. Venturi in Italien dokumentiert. Das Prinzip, nach dem diese Geräte arbeiten, ist, dass eine gewisse Druckhöhe in eine Geschwindigkeitshöhe umgewandelt wird, wenn die Querschnittsfläche der Strömung abnimmt (Bernoulli-Gleichung).

Damit kann die Druckdifferenz zwischen dem Einlauf- und dem Auslaufabschnitt gemessen werden, um eine Schätzung der Strömungsgeschwindigkeit zu erhalten, und diese kann mit der Durchflussfläche multipliziert werden, um einen Abflusswert zu erhalten. Der konvergierende Abschnitt beträgt in der Regel ca. 21°, der divergierende Abschnitt liegt in der Regel zwischen 5° und 7°.

Wobei C ein dimensionsloser Koeffizient von etwa 0.935 (kleine Einschnürungsgeschwindigkeit und Durchmesser) bis 0.988 (große Einschnürungsgeschwindigkeit und -durchmesser); β ist das Verhältnis von D2 / D1; D1 & D2 sind die Innendurchmesser am Anström- bzw. Einschnürungsabschnitt; A2 ist die Fläche des Einschnürungsabschnitts; Δh ist die Druckdifferenz; und „sg“ ist das spezifische Gewicht der Manometerflüssigkeit.

Der Abflusskoeffizient, C, ist ein konstanter Wert für gegebene Venturidimensionen. Beachten Sie, dass, wenn D2 = D1 ist, β = 1 und Q undefiniert ist; wenn D2 > D1 ist, erhalten Sie die Quadratwurzel einer negativen Zahl (aber keine der beiden Bedingungen gilt für ein Venturi). Der Koeffizient C muss angepasst werden, um Schwankungen der Wassertemperatur zu berücksichtigen. Der Wert von β liegt in der Regel zwischen 0,25 und 0,50, kann aber auch bis zu 0,75 betragen.

Geradeausrichtende Schaufeln können vor dem Venturi erforderlich sein, um Drallströmungen zu verhindern, die die Kalibrierung erheblich beeinflussen können. Im Allgemeinen wird empfohlen, dass vor dem Venturi ein Abstand von mindestens 10xD1 eines geraden Rohrs vorhanden sein sollte.

Der Druckverlust über ein Venturi-Messgerät liegt normalerweise zwischen 10 und 20 % von Δh. Dieser Prozentsatz nimmt bei größeren Venturis und mit steigendem Durchfluss ab. Der Fehler bei der Messung des Venturidurchflusses liegt oft innerhalb von ±0,5 % bis ±1 % des wahren Durchflusswertes.

Venturi-Zähler wurden aus Stahl, Eisen, Beton, Holz, Kunststoff, Messing, Bronze und anderen Materialien hergestellt und viele kommerzielle Venturi-Zähler haben patentierte Eigenschaften.

Normen für Durchflussdüsen, Venturidüsen und Blenden

ISO 5167-3:2003 legt die Geometrie und die Art der Verwendung (Einbau und Betriebsbedingungen) von Düsen und Venturidüsen fest, wenn sie in eine vollgelaufene Leitung eingesetzt werden, um den Durchfluss der in der Leitung fließenden Flüssigkeit zu bestimmen.

ISO 5167-3:2003 liefert auch Hintergrundinformationen für die Berechnung des Durchflusses und ist in Verbindung mit den Anforderungen in ISO 5167-1 anwendbar.

ISO 5167-3:2003 ist anwendbar auf Düsen und Venturidüsen, bei denen die Strömung über die gesamte Messstrecke subsonisch bleibt und das Fluid als einphasig betrachtet werden kann. Darüber hinaus kann jedes der Geräte nur innerhalb der angegebenen Grenzen der Rohrgröße und der Reynoldszahl verwendet werden. Sie ist nicht anwendbar auf die Messung von pulsierender Strömung. Sie deckt nicht die Verwendung von Düsen und Venturidüsen in Rohrgrößen unter 50 mm oder über 630 mm oder für Rohr-Reynoldszahlen unter 10000 ab.

ISO 5167-3:2003 behandelt zwei Typen von Standarddüsen, die ISA 1932-Düse und die Langradiusdüse sowie die Venturidüse.

Die beiden Typen von Standarddüsen unterscheiden sich grundlegend und werden in ISO 5167-3:2003 separat beschrieben. Die Venturidüse hat die gleiche stromaufwärtige Fläche wie die Düse ISA 1932, hat aber einen divergenten Abschnitt und damit eine andere Lage für die nachgeschalteten Druckentnahmen und wird separat beschrieben. Diese Konstruktion hat einen geringeren Druckverlust als eine ähnliche Düse.

Für beide dieser Düsen und für die Venturidüse wurden direkte Kalibrierungsversuche durchgeführt, die in Anzahl, Verbreitung und Qualität ausreichend sind, um kohärente Anwendungssysteme auf ihren Ergebnissen aufzubauen und Koeffizienten mit bestimmten vorhersehbaren Grenzen der Unsicherheit anzugeben.

Die NormBS 1042-1-1.2 spezifiziert die Messung von Flüssigkeitsdurchfluss in geschlossenen Leitungen. Druckdifferenzgeräte. Spezifikation für quadratische Blenden und Düsen (mit Entleerungslöchern, in Rohrleitungen unter 50 mm Durchmesser, als Ein- und Auslaufgeräte) und andere Blenden.

Geometrie und Anwendungsmethode für konische Eingangsblenden, Viertelkreisblenden und exzentrische Blenden. Auch quadratische Blenden und Düsen außerhalb des Anwendungsbereichs von BS 1042:Section 1.1.

Die Norm MFC-3M von ASME legt die Geometrie und die Art der Verwendung (Einbau und Strömungsbedingungen) für Blenden, Düsen und Venturirohre fest, wenn sie in eine vollgelaufene Leitung eingesetzt werden, um die Durchflussmenge des Fluids zu bestimmen. Sie gibt auch die notwendigen Informationen zur Berechnung des Durchflusses und der zugehörigen Unsicherheit.

Sie gilt nur für Druckdifferenzgeräte, bei denen die Strömung über die gesamte Messstrecke turbulent und subsonisch ist oder sich nur langsam mit der Zeit ändert und das Fluid als einphasig betrachtet wird. Außerdem werden die Unsicherheiten in den entsprechenden Abschnitten dieser Norm für jedes dieser Geräte angegeben, innerhalb der angegebenen Grenzen der Rohrgröße und der Reynoldszahl.

Es werden Geräte behandelt, für die ausreichende Kalibrierungen vorgenommen wurden, um die Spezifikation von kohärenten Anwendungssystemen zu ermöglichen und um Berechnungen mit bestimmten vorhersehbaren Grenzen der Unsicherheit zu ermöglichen. Die in die Rohrleitung eingebrachten Geräte werden als Primärgeräte bezeichnet. Der Begriff Primärgerät umfasst auch die Druckentnahmestellen und die zugehörigen vor- und nachgeschalteten Rohrleitungen.

Alle anderen Instrumente oder Geräte, die zur Messung oder Übertragung der Differenzdrücke erforderlich sind, werden als Sekundärelemente bezeichnet und in Kombination als Sekundärgeräte bezeichnet. Diese Norm behandelt die primären Geräte; sekundäre Geräte werden nur gelegentlich erwähnt.

Diese Norm gilt nicht für Rohr- oder Leitungsgrößen unter 50 mm (2 Zoll) Nenndurchmesser.
Diese Norm gilt nicht für Messungen nach dem ASME Performance Test Code.
Die Norm ist anwendbar auf die Messung des Durchflusses eines beliebigen Fluids (Flüssigkeit, Dampf oder Gas).