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Scharfkantiger Staurand zur Messung strömender Flüssigkeits-, Gas-
und Dampfmengen Die quantitative Messung strömender Dämpfe, Gase und Flüssigkeiten
in Rohrleitungen mittels Stauränder, Düsen, Venturirohre oder anderer, den. genannten
ähnlicher Druckminderungsgeräte beruht bekanntlich auf der Bestimmung der statischen
Drücke in zwei beliebigen, zur Achse des Gerätes senkrecht stehenden, vor, in oder
hinter diesem liegenden Querschnitten des strömenden Mittels. Aus der Größe des
Druckunterschiedes ergibt sich die Strömungsgeschwindigkeit in einem bestimmten
m,eßbaren Durchflußquerschnitt des Gerätes und damit die sekundliche bzw. stündliche
Durchflußmenge des betreffenden Mediums. Menge und Druckunterschied stehen in einer
durch die Gleichung
gegebenen, für tropfbare flüssige Körper geltenden. Beziehung. Für Gase und Dämpfe
dient als Ansatz der Ausdruck
In beiden Gleichungen bedeuten plz und die statischen Drücke in der! Querschnitten
I und II (in Richtung des Stromes gesehen), y1 und v1 das spezifische Gewicht bzw.
das spezifische Volumen in Querschnitt I, g die Beschleunigung bei der Erdanziehung,
F der kleinste Öffnungsquerschnitt des Durchflußgerätes und. G die sekundlich durch
dieses strömende Menge. Der -Ausdruck k in der Gleichung b ist der Koeffizient der
adiabatischen Expansion. Bei Benutzung vorstehender Gleichungen liegt '(in Stromrichtung
gesehen) der mit dem Index i bezeichnete Querschnitt (in beliebiger Entfernung)
vor dem kleinsten Öffnungsquerschnitt= F des Durchflußgerätes, der mit der -Bezeichnung
-> versehene in oder hinter F. Der Durchflußbeiwert genannte Koeffizient K bzw.
K' wird durch den Versuch durch Eichung aus den gegebenen Gleichungen bestimmt.
Er berücksichtigt eine Reihe von Erscheinungen bei dem Strömungsvorgang, die physikalisch-methematisch
nicht exakt formuliert werden. können, und schließt außerdem alle überhaupt nicht
erfaßbaren und unbekannten Einflüsse in sich. Sein Wert schwankt zwischen o,6 und
i; er ist in besonderem Maße durch die geometrische Gestalt der senkrecht und parallel
zur Strömungsrichtung liegenden Querschnitte des Durchflußger ätes bedingt (Fig.
i bis 4). Aber selbst bei geometrisch. ähnlichen Konstruktionen haben auf die Größe
des Koeffizienten u. a. Einfluß: die Art und der Zustand des strömenden Mittels,
das Verhältnis des engsten Öffnungsquerschnittes F zum Querschnitt
der
Leitung Fi, die Geschwindigkeit in diesem ,Querschnitt und dessen Größe, die konstruktive
Gestaltung der Druckbestimmungsstellen sowie deren Lage und Entfernung vom engsten
Öffnungsquerschnitt des Gerätes. Ein den Wert des Durcbflußbeiwertes wesentlich
bestimmender Bestandteil ist der Kontrakfionsfaktor, der das Verhältnis des kleinsten
Strahlquerschnittes F2 zum engsten bffnungsquerschnitt des Durchflußgerätes ausdrückt
(Fig. 5). Kontraktion des strömenden Mittels liegt immer vor bei scharfkantigen
und zylindrisch ausgebohrten Staurändern ohne konvergierenden Einlauf und kann bei
Venturirohren und Düsen durch zu schroffen Querschnittsübergang und durch eine die
Strahlablösung begünstigende Form der Einlaufflächen entstehen. Liegen die Ouerschnitte
F und F. in einer Ebene und haben sie die gleiche Größe, so wird bei einem in dieser
Ebene gemessenen und dieser zugeordneten Druck p, der Kontraktionsfalitor gleich
i, und der Durchflußbeiwert K liegt nahe bei i. Da bei den in der neuzeitlichen
Meßtechnik benutzten Venturirohren und Düsen einerseits die zum Erzielen eines wenig
veränderlichen und nahe bei i liegenden Kontraktionsbeiwertes gemachten Voraussetzungen
annähernd zutreffen, andererseits der durch die oben näher aufgeführten Verhältnisse
bedingte Einfluß auf den Faktor K gegenüber dem der Kontraktion zurücktritt, bleibt
auch der Durchflußkoeffizient K in weiten Grenzen annähernd konstant.- Die Charakteristik
eines der Mengenmessung dienenden Durchflußgerätes ist seine Beiwertkurve, und deren
Konstanz ist bestimmend für die Vielseitigkeit und Grenzen seiner Verwendung sowie
maßgebend für die Genauigkeit der mit ihm zu erzielenden Messungen.
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Durchflußgeräte, die eine Messung des verminderten Drucks in oder
in unmittelbarer Nähe des engsten öffnungs- bzw. des kleinsten Strahlquerschnittes
ermöglichen, sind bei Venturirohren, deren Abarten, ferner bei Düsen und düsenähnlichen
Konstruktionen mit verschieden stark abgerundeten Einlauf-und Auslaufkanten bekannC(Fig.
i, z und 3).
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Bei scharfkantigen Staurändern dagegen ist die Anordnung der Druckbestimmungsstelle
auf der Mantelfläche der Durchflußöffnung selbst und im engsten Öffnungsquerschnitt
(zur Messung des verminderten Drucks unbekannt. Unter scharfkantigen Staurändern
sind solche Einschnürorgane (Durchflußgeräte Fig. 4a und b) zu verstehen, durch
die eine Plötzliche Verringerung (unter einem Winkel von go°) des Rohrleitungsquerschnittes
F, auf den engsten Durchflußquerschnitt F ohne konvergierenden übergang erfolgt.
Das eine Scheibe bildende Durchflaßgerät erweitert sich unmittelbar hinter dein
Beginn (in Richtung des Stromes gesehen) der engsten Durchflußöffnung unter einem
allseitig zur Achse des Gerätes geneigten Winkel von 45 bis 6o°, derart, daß die
durch die konische Ausdrehung gebildete Rotationsfläche mit der Stirnseite des Durchflußorgans
eine scharfe Kante bildet, die zur Vermeidung einer Gradbildung leicht gebrochen
ist.
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Bei den bis heute verwendeten scharfkantigen Staurändern liegen die
zur Bestimmung der Drücke p1 und p2 erforderlichen Anbohrungen entweder in den Winkeln
zwischen Leitung und Staurand (Fig.4a) oder auf den Stauflächen, die dein Strom
zu- oder diesem abgekehrt sind (Fig. 4b). Fig. 5 zeigt den Verlauf der Strömung
in einem scharfkantigen Staurand. Engster Drosselquerschnitt F, kleinster Strömungsdurchschnitt
F2 und die Ebene der Druckbestimmungsstelle II liegen nicht zusammen und verändern
ihren Abstand unter anderem z. B. mit der Menge des durch das Gerät strömenden Mittels.
Die an der Stelle II gemessenen Drücke sind durch Wirbel und andere unkontrollierbare
Erscheinungen beeinflußt und geben nicht den Druck p2, der im engsten Stromquerschnitt
F2 herrscht und der für die M:engenbereclmung nach Gleichung a oder b maßgebend
ist. Der Kontraktionsfäktor ist bei dieser Art von Druckmessung ein stark veränderlicher,
dabei nicht berechenbarer Bestandteil des Koeffizienten K, dessen eindeutige Bestimmung
ohnehin schwieriger ist als die des Koeffizienten von Venturirohren und Düsen.
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Es ist ferner eine Kombination eines Pitotrohres mit einem scharfkantigen
Staurand bekannt, bei dem die Schlitze des Saugrohres 6 in der Ebene des kleinsten
Durchflußquerschnittes, und zwar nahezu in der Mitte des freien Durchfiußquersehnittes
liegen. Es ist auch schon angegeben, daß man den Saugdruck auf der Stauscheibe selbst
in der Nähe des inneren Randes der Durchflußöffnung abnehmen könnte, wobei jedoch
an die Austrittsseite der Durebflußöffnung gedacht ist, die bei einem scharfkantigen
Staurand nicht mehr in die Ebene des kleinsten Durchflußquerschnittes fällt.
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Die Nachteile bezüglich der Druckmessung bei den vorstehend beschriebenen
scharfkantigen Staurändern fallen bei der Konstruktion, die die Erfindung darstellt,
weg.
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Nach der Erfindung (Fig. 6) ist die Bestimmungsstelle für den verminderten
Druck p. auf der die Durchflußöffnung des Staurandes bildenden Mantelfläche in bzw.
in die unmittelbare Nähe des engsten, scharfkantigen Staurandquerschnittes verlegt.
Die
Abnahmestelle für den Druck ist in bekannter Weise als kreisförmiger
Spalt ausgebildet, der sich im Innern der Drosselscheibe zu einer ringförmigen Druckkammer
D erweitert. Durch eine oder mehrere Anbohrungen a wird die Druckkammer
D mit dem Druckanzeigegerät verbunden. Das die Druckkammer und den Spalt
bildende Ringblech b wird gegen den Flansch A abgedichtet und auf
diesen aufgeschraubt.
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Die Vorteile der beschriebenen Anordnung der Bestimmungsstelle für
den Druck p2 sind nach vorstehend gemachten Ausführungen offensichtlich. Sie sollen
nachfolgend noch einmal kurz zusammengefaßt werden: Durch Messung des Druckes in
einer dem kleinsten Durchflußquerschnitt des scharfkantigen Staurandes unmittelbar
benachbarten Ebene, und zwar aüfäder die Durchflußöffnung des Staurandes bildenden
Mantelfläche, wird der dem Strahlquerschnitt dieser Ebene zugeordnete Druck p2 exakter
bestimmt als bei den Messungen, die mit Hilfe der bisher bekannten Anordnungen der
Druckbestimmungsstelle vorgenommen werden; denn der Meßquerschnitt wird vom Strahl
fast vollkommen ausgefüllt, und der Einfluß von Wirbeln und anderen unkontrollierbaren
Erscheinungen ist gering. Außerdem haben der Strahlquerschnitt in der Meßebene und
engster Durchflußquerschnitt des Staurandes selbst bei ungünstigsten Strömungsverhältnissen
fast gleiche Größe. Der Kontraktionskoeffizient hat also stets einen von i wenig
abweichenden Wert, so daß der Durchflußkoeffizient K in weiten Grenzen relativ konstant
bleibt. Die Konstanz des Beiwertes K eines scharfkantigen Staurandes ist aber ein
Maß für die Genauigkeit der mit diesem Gerät zu erzielenden Angaben. .
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Auf Grund von etwa 2000 Versuchen konnten die hinsichtlich der Konstanz
des Durchflußbeiwertes K' gestellten Erwartungen bestätigt und die Eignung der aus
theoretischen Erwägungen abgeleiteten Staurandkonstruktion gemäß der Erfindung nachgewiesen
werden.