Strömungsmesstechnik und Hydraulik

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1 Strömungsmesstechnik und Hydraulik Daniel Braun Zürich

2 Beispiele von Anwendungen der Strömungsmesstechnik in den Umweltingenieurwissenschaften

3 Grundwasser und Hydromechanik Pumpversuche an Aquiferen Gemessen wird die Piezometerhöhe in Funktion des Volumenstroms der gepumpt wird.

4 Hydrologie und Wasserwirtschaft Abflussmessungen von Flüssen und Bächen Für die Wasserbilanz von einem Einzugsgebiet muss der Abfluss der Flüsse gemessen werden.

5 Stoffhaushalt- und Entsorgungstechnik Abgasmessungen in Verbrennungsanlagen Für die Bilanzierung einer Verbrennungsanlage müssen der Durchfluss und die Zusammensetzung der Abgase gemessen werden.

6 Siedlungswasserwirtschaft Trinkwasser: Abwasser: Wasseruhren für die Abrechnung von Trinkwasser Messungen in offenen Gerinnen

7 Lernziele Grundverständnis für die Probleme bei der Strömungsmesstechnik Kenntnis der wichtigsten Messprinzipien Anwendung von dimensionslosen Kennzahlen Abschätzen von Messfehlern bei der Strömungsmessung

8 Einteilung von Durchflussmessern nach Messprinzipien Wirkdruckmesser Verdrängungszähler Turbinenzähler Wirbelzähler Schwebekörper Messgeräte Magnetisch-induktive Durchflussmesser Ultraschall Durchflussmesser Coriolis Massendurchflussmesser Thermische Massendurchflussmesser

9 Wirkdruckmesser Wirkdruckerzeugung (Geschwindigkeitshöhe in Druckhöhe umwandeln) durch Drosselung oder Stauung Bsp.: Blende, Düse, Staudrucksonde, Venturi

10 Verdrängungszähler Mechanisch-volumetrische Durchflussmessung (unmittelbarer Volumenzähler) Anwendung: Abrechnungsmessung, Dosierung und Abfüllung

11 Turbinenradzähler Strömungszähler (mittelbare Volumenzähler) Anwendung: Abrechnungsmessung, Prozesssteuerung

12 Wirbelzähler (Vortexmeter) Strömungszähler (mittelbare Volumenzähler) Anwendung: für Gase

13 Schwebekörper Durchflussmesser Durchflussmessung aus der Kraft auf angeströmte Körper Anwendung: Chemische Verfahrenstechnik

14 Magnetisch-Induktive Durchflussmesser (MID) Magnetisch-induktiv Anwendung: für leitfähige Flüssigkeiten

15 Ultraschall Durchflussmesser (engl. ADV Acoustic Doppler Velocimeter) Doppler-Effekt Anwendung: mindest Verunreinigung

16 Coriolis Massendurchflussmesser Coriolis-Effekt: Rohrschleifen in Resonanzschwingung, Corioliskräfte des Fluids verformen die Rohrstücke mit gleicher Periode, Verformung prop. zum Massenfluss Anwendung: Erdölindustrie

17 Thermische (Kaliometrische) Massendurchflussmesser Temperaturdifferenz (aufgrund Heizelement) prop. zum Massendurchfluss Anwendung: für Gase

18 Entscheidungskriterien Medium Messbereich Messgenauigkeit Mobil oder Stationär Kosten Wartung

19 Messbereiche Wirkdruckmesser: fast beliebig Verdrängungszähler: l/s Strömungszähler: l/s Schwebekörper: 1 l/h 100 l/s Wirbelzähler: l/s MID: 1 l/h... l/s Ultraschall-Doppler: l/s Coriolis: 1 kg/h 200 kg/s Quelle: Früh(2000) Handbuch der Prozessautomatisierung

20 Die Genauigkeit der Messung, kann sehr unterschiedlich sein, wie die folgenden zwei Beispiele zeigen:

21 Genaue Durchflussmessung Thermische Messung mit Sensirion SFC4200

22 Ungenaue Durchflussmessung Vergleich von verschiedenen Messmethoden bei Freispiegelabfluss (im offenen Kanal)

23 Reynolds-Zahl bei der Rohrströmung ist die Zähigkeitskraft massgebend u L Re = ν u : Strömungsgeschwindigkeit L : Charakteristische Länge ν : Kinematische Viskosität Mit der Reynoldszahl wird das Verhältnis der Trägheitskraft zur Zähigkeitskraft ausgedrückt. Lineare Strömung Turbulente Strömung

24 Froudezahl im Freispiegelabfluss ist die Schwerkraft massgebend u Fr = g h u : Strömungsgeschwindigkeit g 2 : Erdbeschleunigung (9.81 m/s ) h : Wassertiefe Bei der Froudezahl wird die Wurzel der Trägheitskraft dividiert durch die Schwerkraft gebildet. strömend kritisch schiessend

25 Abflussmessung im Gerinne Khafagi-Venturi

26 Abflussmessung im Gerinne Ultraschall Puls Doppler- (ADV-) Profiler

27 Abflussmessung im Gerinne Punktmessungen mit Messflügel

28 3D Strömungsmessungen 3D ADV-Messgerät Mit ADV-Messungen kann das dreidimensionale Strömungsmuster gemessen werden.

29 Überfallmessung Überprüfung der Überfallformel durch eine hoch Zeitaufgelöste Druckmessung am scharfkantigen Rechteck-Überfall

30 Wehrströmung Druckverhältnisse am Überfall Untersuchung des Wechselsprungs

31 Messung von Rohrströmungen Geschwindigkeit als Funktion des Staudrucks Staudrucksonde: Venturirohr:

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