J.con GmbH Im Froschbächle 21 D 77815 Bühl / Baden Tel.: +49 7223 281401-0 Fax.: +49 7223 281401-9 Mail: info@jcon-gmbh.com Strömungsüberwachung in Straßentunneln
Einführung Historisch gesehen wurden Luftströmungsmessungen in Straßentunneln mit an den Tunnelwänden angebrachten Turbinenrad Anemometern vorgenommen. Die gelieferten Messdaten wurden über lange Zeit vorbehaltlos akzeptiert, obwohl die Messeinrichtungen unter den im Tunnel herrschenden Bedingungen nur unzuverlässig arbeiteten. Heutzutage sind Sensoren, die ein Ultraschall Laufzeitverfahren zur Messung der Luftströmung in Tunneln verwenden der Standard. Diese Geräte enthalten keine sich bewegenden Komponenten oder verschmutzungsanfällige Düsen und sind daher für die raue Tunnelumgebung bestens geeignet. Cross-Tunnel Ultraschall Sensoren Die ersten Ultraschall- Sensoren bestimmten die Strömung mithilfe von Ultraschallwellen, die diagonal über den Querschnitt des Tunnels projizierten wurden, wie in Bild 1 dargestellt. B Bild 1 Luftströmung ~ Sensordistanz A Wenn Ultraschallwellen von Sensor A zu Sensor B wie oben dargestellt gesendet werden, wird die Schallwelle von der Strömungsgeschwindigkeit im Tunnel mitgetragen und die Laufzeit wird verkürzt. Dagegen tritt bei der Übertragung der Schallwellen in umgekehrter Richtung, also von B nach A ein Verzögerungseffekt ein, da die Strömung den Schall vom Sensor A wegweht. Durch die Bestimmung der Differenz der Übertragungszeiten zwischen den Sensoren, im Fachjargon auch Flugzeit (time of flight) genannt, ist es möglich den Wert für die Strömungsgeschwindigkeit entlang des Schall-Pfades und somit die Windgeschwindigkeit zu errechnen. Der Air Flow Monitor S Wir haben eine neue Technik zur Überwachung der Strömungsgeschwindigkeiten in Tunneln entwickelt, welche die Zuverlässigkeit des Ultraschallverfahrens mit der Einfachheit und den Vorteilen eines Anemometers kombiniert. Der Air Flow Monitor-S vereinigt einen Ultraschall Transmitter mit zwei hochpräzisen Empfängern in einer einzigen kompakten Komponente, welche als Einheit an der Tunnelwand montiert werden kann. Ultraschallwellen werden, wie nebenstehend dargestellt, vom Ultraschallgenerator Tx in Richtung der Empfänger Rx1 und Rx2 gesandt. Liegt keine Luftströmung an, sind die Laufzeiten zu den komplementären Empfängern Rx1 und Rx2 exakt gleich. Die von Rx1 empfangen Schallwellen sind zudem phasengleich mit den von Rx2 empfangenen Wellen. Setzt nun eine Luftströmung in Pfeilrichtung ein, wird der Schall von Rx1 weggeblasen, wodurch sich die Laufstrecke und damit die Laufzeiten verlängern. Der umgekehrte Effekt tritt bei Rx2 auf. Hier wird der Schall zum Sensor hingeblasen, was zu einer Verkürzung der Laufstrecke und damit zu einer Reduzierung der Laufzeit führt. Es tritt somit eine Phasenverschiebung zwischen Rx1 und Rx2 auf. Diese Phasenverschiebung wird hochgenau gemessen und ist direkt proportional zur Luftgeschwindigkeit und der Strömungsrichtung. Wir verwenden ein Sensorpaar um einen Messbereich von +/- 0 bis zu 20 m/s abzudecken. Der AFM-S beinhaltet keine beweglichen Teile, bedarf keinerlei Routinewartung und ist in ein Edelstahlgehäuse eingebaut. Neben den voll konfigurierbaren Analogausgängen und Alarmkontakten, stehen zudem RS232 und RS485 Ausgänge zur Ankoppelung per MODBUS an ein SCADA System zur Verfügung. Bild 2 Tx Luftströmung Rx1 Rx2
Strömungsgeschwindigkeit Strömungsgeschwindigkeit Tunnel Luftströmungscharakteristika Die zwei auf dem Markt befindlichen Ultraschall Laufzeitmessverfahren bieten dem Anwender unterschiedliche Messwerte. Das von uns eingesetzte Punktmessverfahren ist vergleichbar mit den ursprünglich verwendeten Flügelradanemometern, jedoch unvergleichlich genauer und stabiler. Das andere Verfahren, die Messung über den Tunnelquerschnitt, misst ausschließlich die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit. Um die wichtigen Unterschiede im Detail zu erläutern, ist es notwendig die Strömungscharakteristik in Straßentunneln näher zu betrachten. Ein Straßentunnel kann als ein langes Rohr mit einem großen Innendurchmesser betrachtet werden, in dem Luft strömt. Am Rand ist die Luft im direkten Kontakt mit der Tunnelwand und die Strömungsgeschwindigkeit hat an dieser Stelle einen Wert von annähernd Null. Verfolgt man nun die Strömungswerte weiter zur Tunnelmitte so nimmt dieser Wert zu und beim Überschreiten der Mittellinie wieder ab. Es bildet sich also über den Tunnelquerschnitt ein Strömungsprofil und es stellt sich die Frage, welche Signifikanz dieses Profil für die Strömungsmessung hat. Prinzipiell gibt es in einem Rohr zwei Strömungszustände: den laminaren und den turbulenten Strömungszustand Das laminare Regime ist gekennzeichnet durch parallel verlaufende Strömungsfäden die sich nicht miteinander Vermischen oder verwirbeln. Mindestens eine sehr dünne Schicht entlang der Wandung wird aufgrund der auftretenden Reibung die Strömungsgeschwindigkeit Null aufweisen, wodurch ein Strömungsgradient wie in Bild 3 dargestellt, ausgebildet wird. Turbulente Strömungen treten auf, wenn eine Impulsübertragung zwischen den Strömungsfäden beispielsweise durch Querbeschleunigungen oder Wirbel auftritt. Durch diese Effekte wird die gesamte Strömung wesentlich beeinflusst. Das Strömungsprofil wird stark abgeflacht, je stärker der Einfluss der Turbulenz zunimmt und es verbleibt nur eine dünne Grenzschicht entlang der Tunnelwand die eine Geschwindigkeitsänderung aufweist (Bild 4). Bild 3 laminare Strömung Re: <2200 Bild 4 turbulente Strömung Re: >2200 Tunnelquerschnitt Tunnelquerschnitt Reynolds Zahl (Re) Eine dimensionslose Zahl, die sogenannte Reynolds Zahl wird verwendet, um das Strömungsregime empirisch zu beschreiben. Re = V x D/u Wobei V = Strömungsgeschwindigkeit D = Durchmesser der Röhre und u = spezifische Viskosität der Fluides Von Experimentalergebnissen wurde abgeleitet, dass ein laminares Strömungsprofil bei Re kleiner 2200 auftritt. Oberhalb dieses Wertes wird die Strömung zunehmend turbulent, das Strömungsprofil abgeflacht und die Grenzschicht immer dünner. Typische Reynolds Zahl für einen Straßentunnel Gehen wir von einem Tunneldurchmesser von 30 m und einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 m/s aus. Die kinematische Viskosität von Luft bei 20⁰C beträgt 15 x 10-6m 2 /s. Unter diesen Annahmen ergibt sich eine Reynolds Zahl für einen typischen Straßentunnel von 2 x 10 7. Verglichen mit dem Schwellenwert von 2200 ist diese Reynolds Zahl so hoch, das man sicher von einem turbulenten Strömungsprofil im Tunnel ausgehen kann. Die Grenzschichtdicke an der Tunnelwand beträgt unter diesen Verhältnissen nur wenige Millimeter. Vorausgesetzt der Strömungssensor wird mit einem Abstand von einigen Zentimetern von der Tunnelwand angebracht, ist das erhaltene Messergebnis repräsentativ für die Gesamtströmung im Tunnel.
Sowohl das tunnelquerende, als auch das Punktmessverfahren verwenden Ultraschalltechnologie nach der time of flight Methode und nicht nach dem Dopplerprinzip. Bewegliche Teile werden nicht eingesetzt was zu einer hohen Verlässlichkeit und einem geringen Wartungsaufwand der Messung führt. Das tunnelquerende Verfahren hat jedoch mit einer Reihe von Beeinträchtigungen und Nachteilen zu kämpfen, die systembezogen sind. Tunnelquerende Messungen Für eine tunnelquerende Messung ist es entscheidend, dass der Schallweg frei von Hindernissen und Unterbrechungen ist. Der Sensor muss so über der Fahrbahn montiert werden, dass Fahrzeuge mit hohen Aufbauten den Schallweg nicht kreuzen, was zwangsläufig zu einer Anbringung in der Nähe der Tunneldecke führt. Dort können jedoch Wirbel, die von Beleuchtungseinrichtungen und Straßenschildern herrühren die Schallübertragung verfälschen. In der Praxis ist es oftmals schwierig einen Ort, der frei von solchen Störungen ist, zu finden. Vor allem bei nachträglichen Einbauten werden diese Erfordernisse häufig nicht ausreichend berücksichtigt. Vielfach wird die Tunnelbelüftung mit Deckenventilatoren gewährleistet. Aufgrund der von den Ventilatoren erzeugten Luftströmung wird die Messung der Strömungsgeschwindigkeit in dieser Höhe oft erheblich beeinträchtigt. Die tunnelquerenden Sensoren messen die Geschwindigkeit der Schallimpulse in jede Richtung über die Tunnelbreite. Die Differenz zwischen diesen gemessenen Zeiten ist sehr gering, denn die Strömungsgeschwindigkeit der Luft ist sehr viel langsamer als die Schallgeschwindigkeit (ca. 300m/s). Die Strömungsgeschwindigkeit der Tunnelluft wird letztendlich aus der Messung dieser kleinen Differenz berechnet. Dabei muss die tatsächliche Distanz zwischen den Sensorköpfen und deren Ausrichtung aufeinander bei der Montage exact bestimmt werden. Aufgrund dieser Randparameter und der Messunsicherheit bei der Ermittlung des eigentlichen Start- und Ankunftspunktes entstehen potentielle Fehler in Messwertberechnungen insbesondere bei niedrigen Windgeschwindigkeiten. Zum Beispiel würde ein Fehler von 1% das Messergebnis um 4 m/s verändern! Air Flow Sensor S Der Sensor Air Flow S kann überall im Tunnel angebracht werden. Der übliche Anbringungsort des Sensors ist die Tunnelwand, wobei das Design des Sensors sicherstellt, dass die Messung frei von jeglichen Grenzschichteffekten durch die Tunnelwand ist. Die Geräte können wenn nötig auch über der Fahrbahn montiert werden, da die Sensoren nicht von Schallreflexionen beeinflusst werden. Zudem müssen keine montagebedingten Werte ermittelt und keine Ausrichtungen vorgenommen werden. Einfach gestaltet sich auch die Bestimmung des Nullpunktes, wobei eine speziell konzipierte Abdeckhaube verwendet wird. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft wird durch die Messung der Phasenänderung zwischen zwei Wellen derselben Frequenz ermittelt. Dies ist eine Messung, die leicht und mit einer hohen Präzision von besser als 0,2 m/s unter allen Konditionen ermittelt werden kann. Diese Technik hat somit keine bekannten Nachteile System Vergleich Tunnelquerende Messverfahren Vorteile: Keine beweglichen Komponenten Sehr zuverlässig Wenig Wartung Nachteile: Muss zur Vermeidung von Hindernissen durch den Verkehr an der Tunneldecke angebracht werden Messverfälschung durch Schallreflexionen möglich Beeinflussung durch Tunneleinbauten Schlechte Nullpunktstabilität PunktmessverfahrenAir Flow Measurement Vorteile: Keine beweglichen Komponenten Sehr zuverlässig Wenig Wartung Hohe Nullpunktstabilität, problemlose Nullpunktkalibrierung Kann überall im Tunnel platziert werden Nachteile: Keine Nachteile bekannt Unsichere Nullpunktkalibrierung im Tunnel
Air Flow Das Diagramm in Bild 5 illustriert die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen mit den neuen Punktmess Ultraschall Sensoren. Es zeigt eine 24 Stunden Strömungskurve von 5 Sensorpaaren, welche jeweils an den gegenüberliegenden Tunnelwänden montiert wurden. Die Tunnellänge beträgt 2,4 km und die Sensoren wurden in 500 m Intervallen angebracht. Die Ergebnisse dieser 5 Stationen belegen eine nahezu perfekte Übereinstimmung der Luftströmung mit den Sensorwerten an den unterschiedlichen Positionen. Bild 5