Ein Pitotrohr ist ein Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten, indem die kinetische Energie der Strömung in potenzielle Energie umgewandelt wird. Diese Geräte wurden 1732 vom französischen Ingenieur Henri Pitot zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssen erfunden und erfassen den dynamischen Druck der Flüssigkeitsströmung an einem bestimmten Punkt, indem sie die Differenz zwischen dem Staudruck (Gesamtdruck) und dem statischen Druck innerhalb der Flüssigkeit erfassen.
Später, im Jahr 1858, modifizierte Henry Darcy das Gerät zu seiner modernen Form und verbesserte damit seine Genauigkeit und Anwendbarkeit.
Was ist ein Pitotrohr?
Das Pitotrohr ist eine kostengünstige Alternative zu einer Blende und hat einen Messbereich von 0,5 % bis 5 % FS – vergleichbar mit der einer Blende. Sein Durchflussbereich von 3:1 (einige betreiben es mit 4:1) ähnelt ebenfalls der Leistungsfähigkeit der Blende. Pitotrohre funktionieren wie Blenden und andere Differenzdruck-Durchflussmessern nach dem Prinzip der Bernoulli-Gleichung, die besagt, dass mit zunehmendem Durchfluss einer Flüssigkeit ein Druckverlust auftritt.
Der Hauptunterschied zwischen Pitotrohr und Blende besteht darin, dass eine Blende den gesamten Durchfluss misst, während das Pitotrohr nur die Strömungsgeschwindigkeit an einem Punkt im Durchfluss misst. Ein Vorteil des schlanken Pitotrohrs besteht darin, dass es in bestehende und unter Druck stehende Rohrleitungen eingeführt werden kann (sogenanntes Hot Tapping), ohne dass eine Abschaltung erforderlich ist und unerwünschte Ausfallzeiten verursacht werden.
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Funktionsweise von Pitotrohr
Ein Pitotrohr besteht aus einer Doppelrohrkonstruktion innerhalb einer einzigen Sonde, die zur Messung des Gesamt- und des statischen Drucks in einer Flüssigkeitsströmung verwendet wird. Das Innenrohr hat ein offenes Ende, das direkt in den Durchfluss zeigt und den Gesamtdruck (Stagnationsdruck) erfasst, der sowohl die statischen als auch die dynamischen Druckkomponenten umfasst. Das Außenrohr ist mit kleinen radialen Löchern umgeben, die senkrecht zum Durchfluss stehen und es ermöglichen, den statischen Druck der Flüssigkeit zu erfassen. Der ringförmige Raum zwischen dem Innen- und Außenrohr ermöglicht die Übertragung dieser Drücke auf separate Druckanschlüsse am gegenüberliegenden Ende der Sonde.
Abbildung 1: Pitotrohre messen zwei Drücke Der Gesamtpralldruck (P T) ist die Summe aus statischem und kinetischem Druck und wird gemessen, wenn der strömende Luftstrom auf die Pitotöffnung trifft. Zur Messung des Aufpralldrucks verwenden die meisten Pitotrohre ein kleines, manchmal L-förmiges Rohr, dessen Öffnung direkt auf den ankommenden Strömungsstrom ausgerichtet ist. Die Anströmgeschwindigkeit (V P) kann berechnet werden, indem man die Quadratwurzel des dynamischen Drucks – also die Differenz zwischen Gesamtdruck (PT) und statischem Druck (P) – mit dem C/D-Verhältnis multipliziert, wobei C eine Dimensionskonstante und D die Dichte ist:
V P = C(P T – P) 1/2 / D
Wenn die Durchflussrate durch Multiplikation der Punktgeschwindigkeit (V P) mit der Querschnittsfläche des Rohrs oder Kanals ermittelt wird, ist es wichtig, dass die Geschwindigkeitsmessung in einer Einstecktiefe erfolgt, die der Durchschnittsgeschwindigkeit entspricht. Mit steigender Strömungsgeschwindigkeit ändert sich das Geschwindigkeitsprofil im Rohr von länglich (laminar) zu flacher (turbulent). Dadurch ändert sich der Punkt der Durchschnittsgeschwindigkeit und die Einstecktiefe muss angepasst werden. Pitotrohre werden nur für stark turbulente Strömungen (Reynolds-Zahlen > 20.000) empfohlen. Unter diesen Bedingungen ist das Geschwindigkeitsprofil in der Regel so flach, dass die Einstecktiefe keine entscheidende Rolle spielt.
Statische Druckmessung
Bei doppelwandigen Pitotrohrkonstruktionen ist der Druckanschluss nach vorne in die Strömung gerichtet, während die statischen Anschlüsse um das Außenrohr herum angeordnet sind. Beide Drucksignale (P T und P) werden über Schläuche zu einem d/p-Anzeigegerät oder -Transmitter geleitet. In industriellen Anwendungen kann der statische Druck (P) auf drei Arten gemessen werden:
- Über Entnahmestellen in der Rohrwand – Druckentnahmestellen verbinden das Rohr mit einem Manometer, auf dem die Druckdifferenz angezeigt wird.
- Durch statische Sonden, die in den Prozessstrom eingeführt werden.
- Durch kleine Öffnungen am Pitotrohr selbst oder an einem separaten aerodynamischen Element.
Fehler bei der Erfassung des statischen Drucks entstehen durch die Viskosität, Geschwindigkeit und Kompressibilität der Flüssigkeit. Der Schlüssel zur genauen Erfassung des statischen Drucks liegt darin, die kinetische Komponente bei der Druckmessung zu minimieren.
Pitotrohre mit einem Anschluss
Ein Pitotrohr mit einem Anschluss kann die Strömungsgeschwindigkeit nur an einem einzigen Punkt im Querschnitt eines strömenden Flusses messen (Abbildung 2). Die Sonde muss an einer Stelle in den strömenden Fluss eingeführt werden, an der die Strömungsgeschwindigkeit dem Durchschnitt der Geschwindigkeiten über den Querschnitt entspricht, und ihre Aufprallöffnung muss direkt in die Strömungsrichtung zeigen. Das Pitotrohr kann weniger empfindlich gegenüber der Strömungsrichtung gemacht werden, wenn die Aufprallöffnung eine interne Abschrägung von etwa 15° aufweist, die sich etwa 1,5 Durchmesser in das Rohr hinein erstreckt.
Abbildung 2: Installation des Pitotrohrs in einer Rohrleitung Wenn die durch das Venturi erzeugte Druckdifferenz für eine genaue Erfassung zu gering ist, kann das herkömmliche Pitotrohr durch ein Pitot-Venturi oder einen Doppel-Venturi-Sensor ersetzt werden. Dadurch wird eine höhere Druckdifferenz erzeugt.
Ein kalibriertes, sauberes und ordnungsgemäß eingesetztes Einfach-Pitotrohr kann eine Durchflussgenauigkeit von ±1 % des Skalenendwerts über einen Messbereich von 3:1 bieten; mit gewissen Verlusten an Genauigkeit kann es sogar über einen Bereich von 4:1 messen. Seine Vorteile sind niedrige Kosten, keine beweglichen Teile, Einfachheit und die Tatsache, dass es nur sehr geringe Druckverluste im Strömungsstrom verursacht. Zu seinen Haupteinschränkungen gehören Fehler, die durch Änderungen des Geschwindigkeitsprofils oder durch Verstopfung der Druckanschlüsse entstehen. Pitotrohre werden in der Regel für Durchflussmessungen von untergeordneter Bedeutung verwendet, bei denen die Kosten eine wichtige Rolle spielen und/oder wenn der Rohr- oder Kanaldurchmesser groß ist (bis zu 72 Zoll oder mehr).
Für den Einsatz bei pulsierenden Strömungen wurden speziell entwickelte Pitot-Sonden entwickelt. Eine Konstruktion verwendet eine mit Silikonöl gefüllte Pitot-Sonde, um die Prozessdrücke an die d/p-Zelle zu übertragen. Bei Anwendungen mit hohen Pulsationsfrequenzen dient das Öl als pulsationsdämpfendes und druckausgleichendes Medium.
Pitotrohre können auch in quadratischen, rechteckigen oder runden Luftkanälen verwendet werden. In der Regel passt das Pitotrohr durch eine Öffnung mit einem Durchmesser von 5/16 Zoll im Kanal. Die Montage kann über einen Flansch oder eine Stopfbuchse erfolgen. Das Rohr ist in der Regel mit einer externen Anzeige ausgestattet, sodass sein Prallanschluss genau so gedreht werden kann, dass er direkt in die Strömung zeigt. Darüber hinaus kann das Rohr so konstruiert werden, dass es das gesamte Geschwindigkeitsprofil erfasst, indem es schnell und gleichmäßig den Kanal durchquert.
Bei einigen Anwendungen, wie z. B. der von der EPA vorgeschriebenen Partikelprobenahme aus Schornsteinen, ist es erforderlich, einen Pitot-Probenehmer über einen Schornstein oder Kanal zu führen. Bei diesen Anwendungen werden an jedem in Abbildung 3 angegebenen Punkt zusätzlich zur Entnahme einer Gasprobe eine Temperatur- und Durchflussmessung durchgeführt, deren Daten dann kombiniert und zur Analyse in ein Labor gebracht werden. Bei solchen Anwendungen enthält eine einzige Sonde ein Pitotrohr, ein Thermoelement und eine Probenahmedüse.
Abbildung 3: Traversenpunktpositionen Ein Pitotrohr kann auch zur Messung der Wassergeschwindigkeit in offenen Kanälen, an Fallstellen, Rutschen oder über Fallkronen verwendet werden. Bei den für laminare Bedingungen typischen niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten werden Pitotrohre nicht empfohlen, da es schwierig ist, die der Durchschnittsgeschwindigkeit entsprechende Einstecktiefe zu finden, und da das Pitotelement nur eine sehr geringe Druckdifferenz erzeugt. Die Verwendung eines Pitot-Venturi verbessert diese Situation zwar durch Erhöhung der Druckdifferenz, kann jedoch das durch das langgestreckte Geschwindigkeitsprofil verursachte Problem nicht beheben.
Mittelwertbildende Pitotrohre
Mittelwertbildende Pitotrohre wurden eingeführt, um das Problem der Ermittlung des durchschnittlichen Geschwindigkeitspunkts zu lösen. Ein Mittelwert-Pitotrohr ist mit mehreren Druck- und Staudruckanschlüssen ausgestattet und so konstruiert, dass es sich über den gesamten Durchmesser des Rohrs erstreckt. Die von allen Druckanschlüssen (und separat von allen Staudruckanschlüssen) erfassten Drücke werden kombiniert und die Quadratwurzel ihrer Differenz wird als Indikator für den durchschnittlichen Durchfluss im Rohr gemessen (Abbildung 4). Die Öffnung, die näher am Ausgang des kombinierten Signals liegt, hat einen etwas größeren Einfluss als die am weitesten entfernte Öffnung, aber für sekundäre Anwendungen, bei denen Pitotrohre häufig verwendet werden, ist dieser Fehler akzeptabel.
Abbildung 4: Pitotrohr mit mehreren Öffnungen zur Mittelwertbildung Die Anzahl der Prallöffnungen, der Abstand zwischen den Öffnungen und der Durchmesser des Pitotrohrs zur Mittelwertbildung können an die Anforderungen einer bestimmten Anwendung angepasst werden. Die Messöffnungen in Pitotrohren zur Mittelwertbildung sind oft zu groß, als dass das Rohr als echte Mittelwertkammer fungieren könnte. Dies liegt daran, dass die überdimensionierten Öffnungen nicht für die Mittelwertbildung optimiert sind, sondern um ein Verstopfen zu verhindern. In einigen Installationen wird eine Spülung mit einem Inertgas verwendet, um die Öffnungen sauber zu halten, sodass der Sensor kleinere Öffnungen verwenden kann.
Mittelwertbildende Pitotrohre bieten die gleichen Vor- und Nachteile wie Rohre mit einer einzigen Öffnung. Sie sind etwas teurer und etwas genauer, insbesondere wenn die Strömung nicht vollständig ausgebildet ist. Einige Mittelwert-Pitot-Sensoren können durch dieselbe Öffnung (oder denselben Hot Tap) eingeführt werden, die auch für ein Einfachrohr geeignet ist.
Flächenmittelwertbildung
Pitot-Stationen mit Flächenmittelwertbildung werden zur Messung großer Strömungen von Niederdruckluft in Kesseln, Trocknern oder HLK-Anlagen verwendet. Diese Geräte sind für verschiedene Standardgrößen von runden oder rechteckigen Kanälen (Abbildung 5) und für Rohre erhältlich. Sie sind so konstruiert, dass jedes Segment des Querschnitts sowohl mit einem Prall- als auch mit einem Staudruckanschluss versehen ist. Jeder Satz von Anschlüssen ist mit einem eigenen Verteiler verbunden, der die durchschnittlichen Staudruck- und Pralldrucksignale kombiniert. Wenn eine Verstopfung wahrscheinlich ist, können die Verteiler gespült werden, um die Anschlüsse sauber zu halten.
Abbildung 5: Pitotstation mit Flächenmittelung Da Pitotstationen mit Flächenmittelung sehr geringe Druckdifferenzen erzeugen, kann es erforderlich sein, Zellen mit niedrigem Differenzdruck d/p und Spannen von nur 0 bis 0,01 in der Wassersäule zu verwenden. Um die Genauigkeit zu verbessern, können ein hexagonaler Strömungsgleichrichter und eine Strömungsdüse vor dem Pitot-Durchfluss-Sensor mit Flächenmittelung installiert werden. Der Strömungsgleichrichter beseitigt lokale Turbulenzen, während die Düse den vom Sensor erzeugten Differenzdruck verstärkt.
Installation
Pitotrohre können als fest installierte Durchfluss-Sensoren oder als tragbare Überwachungsgeräte zur regelmäßigen Datenerfassung eingesetzt werden. Fest installierte Geräte aus Kohlenstoffstahl oder Edelstahl können bei Drücken von bis zu 1400 PSIG betrieben werden und werden über Flansch- oder Schraubverbindungen in das Rohr eingesetzt. Ihre Installation erfolgt in der Regel vor der Inbetriebnahme der Anlage, sie können jedoch auch während des Betriebs in einen laufenden Prozess eingebaut werden.
Bei einer Hot-Tap-Installation (Abbildung 6) wird zunächst ein Anschlussstück an das Rohr geschweißt. Dann wird ein Durchgangsventil an dem Anschlussstück befestigt und ein Loch durch das Rohr gebohrt. Nach dem teilweisen Zurückziehen des Bohrers wird das Ventil geschlossen, der Bohrer entfernt und das Pitotrohr eingeführt. Schließlich wird das Ventil geöffnet und das Pitotrohr vollständig eingeführt.
Abbildung 6: Hot-Tap-Installation eines Pitotrohrs Das Geschwindigkeitsprofil der Strömung im Rohr wird durch die Reynolds-Zahl der strömenden Flüssigkeit, die Rauheit der Rohroberfläche und durch stromaufwärtige Störungen wie Ventile, Rohrbögen und andere Armaturen beeinflusst. Pitotrohre sollten nur verwendet werden, wenn die minimale Reynolds-Zahl 20.000 überschreitet und wenn entweder ein gerader Abschnitt von etwa 25 Durchmessern stromaufwärts zum Pitotrohr vorhanden ist oder wenn Richtflügel installiert werden können.
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