Messung der Luftgeschwindigkeit
Einleitung Bei Arbeiten im Bereich Klimatisierung, Heizung und Lüftung ist es hilfreich, die Techniken zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit zu verstehen. In diesem Bereich wird die Luftgeschwindigkeit (zurückgelegte Strecke pro Zeiteinheit) in der Regel in Fuß pro Minute (FPM) angegeben. Durch Multiplikation der Luftgeschwindigkeit mit der Querschnittsfläche eines Kanals lässt sich das Luftvolumen bestimmen, das pro Zeiteinheit an einem Punkt im Kanal vorbeiströmt. Der Volumenstrom wird in der Regel in Kubikfuß pro Minute (CFM) gemessen.
Geschwindigkeits- oder Volumenmessungen können oft zusammen mit technischen Handbüchern oder Konstruktionsinformationen verwendet werden, um die ordnungsgemäße oder nicht ordnungsgemäße Leistung eines Luftstromsystems aufzudecken. Die gleichen Prinzipien, die zur Bestimmung der Geschwindigkeit verwendet werden, sind auch bei der Arbeit mit pneumatischen Fördersystemen, Rauchgasströmungen und Prozessgassystemen von Nutzen. In diesen Bereichen unterscheiden sich die üblichen Einheiten für Geschwindigkeit und Volumen jedoch manchmal von denen, die in der Klimatechnik verwendet werden.
Um Luft zu bewegen, werden in der Regel Ventilatoren oder Gebläse eingesetzt. Sie übertragen Bewegung und Druck auf die Luft entweder durch eine Schraubenpropeller- oder eine Schaufelradwirkung. Wenn die Kraft oder der Druck der Ventilatorflügel die Luft in Bewegung versetzt, erhält die sich bewegende Luft aufgrund ihres Gewichts und ihrer Trägheit eine Kraft- oder Druckkomponente in ihrer Bewegungsrichtung. Aus diesem Grund ragt eine Fahne oder ein Wimpel im Luftstrom hervor. Diese Kraft wird als Geschwindigkeitsdruck bezeichnet. Sie wird in Zoll Wassersäule (w.c.) oder Wassersäule (w.g.) gemessen. In Betrieb befindlichen Kanalsystemen ist immer ein zweiter Druck vorhanden. Er ist unabhängig von der Luftgeschwindigkeit oder -bewegung. Dieser als Statischer Druck bezeichnete Druck wirkt in alle Richtungen gleichermaßen. In der Klimatechnik wird dieser Druck ebenfalls in Zoll w.c. gemessen. In Druck- oder Spannungsversorgungssystemen ist der statische Druck auf der Auslassseite des Ventilators positiv. In Abluftsystemen tritt auf der Einlassseite des Ventilators ein negativer statischer Druck aus. Wenn ein Ventilator in der Mitte zwischen Einlass und Auslass eines Kanalsystems installiert ist, ist es normal, dass am Ventilatoreinlass ein negativer statischer Druck und am Auslass ein positiver statischer Druck herrscht.
In pressure or supply systems, static pressure will be positive on the discharge side of the fan. In exhaust systems, a negative static pressure will exit on the inlet side of the fan. When a fan is installed midway between the inlet and discharge of a duct system, it is normal to have a negative static pressure at the fan inlet and positive static pressure at its discharge.
Der Gesamtdruck ist die Kombination aus statischem Druck und Geschwindigkeitsdruck und wird in denselben Einheiten ausgedrückt. Er ist für uns ein wichtiges und nützliches Konzept, da er leicht zu bestimmen ist und obwohl der Geschwindigkeitsdruck nicht einfach direkt zu messen ist, kann er leicht durch Subtraktion des statischen Drucks vom Gesamtdruck ermittelt werden. Diese Subtraktion muss nicht mathematisch durchgeführt werden. Sie kann automatisch mit dem angeschlossenen Messgerät erfolgen.
Erfassung des statischen Drucks
Für die meisten industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen sind nur Messungen des statischen Drucks, des Gesamtdrucks und der Temperatur erforderlich. Mit diesen Werten lassen sich die Luftgeschwindigkeit und das Luftvolumen schnell berechnen.
Zur Messung des statischen Drucks werden üblicherweise fünf Arten von Geräten verwendet. Diese werden mit Schläuchen an ein Druckmessgerät angeschlossen. Abb. 1-A zeigt einen einfachen Durchgangsanschluss für den statischen Druck. Dabei handelt es sich um eine scharfe, gratfreie Öffnung in einer Kanalwand, die außen mit einer Art Schlauchanschluss versehen ist. Die Achse des Messstutzens oder der Öffnung muss senkrecht zur Strömungsrichtung stehen. Diese Art von Messstutzen oder Sensor wird verwendet, wenn die Luftströmung relativ langsam, gleichmäßig und ohne Turbulenzen ist. Bei Turbulenzen können Aufprall, Ansaugung oder eine ungleichmäßige Verteilung der bewegten Luft an der Öffnung die Genauigkeit der Messwerte erheblich beeinträchtigen.
Abb. 1-B zeigt die Dwyer Nr. A-308 Statischer Druckanschluss. Es wurde für eine vereinfachte Installation entwickelt, ist einfach zu installieren, kostengünstig und bietet eine genaue statische Druckmessung bei gleichmäßiger Luftströmung mit Geschwindigkeiten von bis zu 1500 FPM.
Abb. 1-C zeigt ein einfaches Rohr durch die Wand. Die Einschränkungen dieses Typs sind ähnlich wie bei Wandtyp 1-A.
Abb. 1-D zeigt eine statische Druckspitze, die sich ideal für Anwendungen wie die Messung des statischen Drucks an industriellen Filtern und Kältemittelspulen eignet. Hier erfordert die Wahrscheinlichkeit von Luftturbulenzen, dass die Druckmessöffnungen weit entfernt von den Kanalwänden angebracht werden, um Aufprall und Ansaugen zu minimieren und somit genaue Messwerte zu gewährleisten. Für eine dauerhafte Installation dieses Typs wird die statische Drucksonde Nr. A-301 oder A-302 von Dwyer verwendet. Sie misst den statischen Druck durch radial gebohrte Löcher in der Nähe der Spitze und kann bei Luftströmungsgeschwindigkeiten von bis zu 12.000 FPM eingesetzt werden.
Abb. 1-E zeigt eine Dwyer Nr. A-305 Statikdruck-Spitze mit geringem Widerstand. Sie ist für den Einsatz in staubbeladener Luft und für Anwendungen mit schneller Reaktion ausgelegt. Sie wird empfohlen, wenn ein sehr niedriger Betätigungsdruck für einen Druckschalter oder ein Anzeigegerät erforderlich ist – oder wenn die Ansprechzeit kritisch ist.
Messung des Gesamtdrucks und des Geschwindigkeitsdrucks
Bei der Erfassung des statischen Drucks bemühen wir uns, den Einfluss der Luftbewegung zu eliminieren. Um den Geschwindigkeitsdruck zu bestimmen, müssen diese Auswirkungen vollständig und genau ermittelt werden. Dies geschieht in der Regel mit einem Prallrohr, das direkt in den Luftstrom zeigt. Dieser Sensor-Typ wird häufig als „Gesamtdruckaufnehmer” bezeichnet, da er sowohl die Auswirkungen des statischen Drucks als auch des Geschwindigkeitsdrucks erfasst.
Beachten Sie in Abb. 2, dass separate statische Anschlüsse (A) und Gesamtdruckanschlüsse (B) gleichzeitig über ein Manometer (C) angeschlossen werden können. Da der statische Druck auf beide Seiten des Manometers wirkt, hebt sich seine Wirkung auf und das Manometer zeigt nur den Geschwindigkeitsdruck an.
Um den Geschwindigkeitsdruck in die tatsächliche Geschwindigkeit umzurechnen, sind entweder mathematische Berechnungen, der Rückgriff auf Tabellen oder Kurven oder eine vorherige Kalibrierung des Manometers erforderlich, damit dieses direkt die Geschwindigkeit anzeigt. In der Praxis wird diese Art der Messung in der Regel mit einem Pitotrohr durchgeführt, das sowohl einen statischen als auch einen Gesamtdrucksensor in einem einzigen Gerät vereint.
Im Wesentlichen besteht ein Pitotrohr aus einem Prallrohr (das den Gesamtdruck aufnimmt), das konzentrisch in einem zweiten Rohr mit etwas größerem Durchmesser befestigt ist, das den statischen Druck aus radialen Messöffnungen um die Spitze herum aufnimmt. Der Luftraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr ermöglicht die Übertragung des Drucks von den Messöffnungen zum statischen Druckanschluss am gegenüberliegenden Ende des Pitotrohrs und dann über ein Verbindungsrohr zur Unterdruck- oder Negativdruckseite eines Manometers. Wenn das Gesamtdruckrohr an die Hochdruckseite des Manometers angeschlossen ist, wird der Geschwindigkeitsdruck direkt angezeigt. Siehe Abb. 3.
Da das Pitotrohr ein primäres Standardgerät zur Kalibrierung aller anderen Luftgeschwindigkeitsmessgeräte ist, muss bei seiner Konstruktion und Herstellung mit großer Sorgfalt vorgegangen werden. Bei modernen Pitotrohrkonstruktionen minimiert eine geeignete Formgebung der Spitze – zusammen mit einem ausreichenden Abstand zwischen Spitze, statischen Druckmessstellen und Schaft – Turbulenzen und Störungen. Dadurch ist eine Verwendung ohne Korrektur- oder Kalibrierungsfaktoren möglich. Alle Pitotrohre von Dwyer werden gemäß den AMCA- und ASHRAE-Normen hergestellt und verfügen über einheitliche Kalibrierungsfaktoren, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
Um genaue Geschwindigkeitsdruckmessungen zu gewährleisten, muss die Spitze des Pitotrohrs direkt in den Luftstrom (parallel dazu) zeigen. Da die Pitotrohrspitze parallel zum statischen Druckauslassrohr verläuft, kann letzteres als Zeiger verwendet werden, um die Spitze richtig auszurichten. Wenn das Pitotrohr korrekt ausgerichtet ist, wird der maximale Druck angezeigt.
Da in einem turbulenten Luftstrom keine genauen Messungen vorgenommen werden können, sollte das Pitotrohr mindestens 8-1/2 Kanaldurchmesser stromabwärts von Rohrbögen, Krümmern oder anderen Hindernissen, die Turbulenzen verursachen, eingesetzt werden. Um die höchste Präzision bei den Messungen zu gewährleisten, sollten die Gleichrichtungslamellen 5 Kanal-Durchmesser stromaufwärts vom Pitotrohr angebracht werden.
So nehmen Sie Traversenmessungen vor
In der Praxis ist die Geschwindigkeit des Luftstroms nicht über den gesamten Querschnitt eines Kanals gleichmäßig. Durch Reibung wird die Luft in Wandnähe verlangsamt, sodass die Geschwindigkeit in der Mitte des Kanals größer ist.
Um die durchschnittliche Gesamtgeschwindigkeit in Kanälen mit einem Durchmesser von 4 Zoll oder mehr zu ermitteln, muss eine Reihe von Geschwindigkeitsdruckmessungen an Punkten mit gleicher Fläche vorgenommen werden. Es wird empfohlen, ein formales Muster von Messpunkten über den Querschnitt des Kanals zu verwenden. Diese werden als Traversenmessungen bezeichnet. Abb. 4 zeigt die empfohlenen Pitotrohrpositionen für die Traversierung runder und rechteckiger Kanäle. In runden Kanälen sollten Geschwindigkeitsdruckmessungen an den Mittelpunkten gleicher konzentrischer Flächen vorgenommen werden. Es sollten mindestens 20 Messungen entlang zweier Durchmesser vorgenommen werden. In rechteckigen Kanälen werden mindestens 16 und höchstens 64 Messungen an den Mittelpunkten gleicher rechteckiger Flächen vorgenommen. Die tatsächlichen Geschwindigkeiten für jeden Bereich werden aus den einzelnen Geschwindigkeitsdruckmessungen berechnet. Auf diese Weise können die Messwerte und Geschwindigkeiten auf Fehler oder Unstimmigkeiten überprüft werden. Anschließend wird der Durchschnitt der Geschwindigkeiten berechnet. Durch äußerst sorgfältige Messungen mit dem Pitotrohr kann die Luftgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von ±2 % bestimmt werden. Für maximale Genauigkeit sollten die folgenden Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden:
In round ducts, velocity pressure readings should be taken at centers of equal concentric areas. At least 20 readings should be taken along two diameters. In rectangular ducts, a minimum of 16 and a maximum of 64 readings are taken at centers of equal rectangular areas. Actual velocities for each area are calculated from individual velocity pressure readings. This allow the readings and velocities to be inspected for errors or inconsistencies. The velocities are then averaged.
By taking Pitot tube readings with extreme care, air velocity can be determined within an accuracy of ±2%. For maximum accuracy, the following precautions should be observed:
- Der Kanalquerschnitt sollte mindestens das 30-fache des Durchmessers des Pitotrohrs betragen.
- Das Pitotrohr sollte so positioniert werden, dass es sich 8-1/2 oder mehr Kanalquerschnitte stromaufwärts und 1-1/2 oder mehr Querschnitte stromabwärts vom Pitotrohr befindet und frei von Biegungen, Querschnittsänderungen oder Hindernissen ist.
- Bringen Sie 5 Kanal-Durchmesser stromaufwärts vom Pitotrohr einen Strömungsgleichrichter vom Typ „Eierkiste” an.
- Führen Sie eine vollständige, genaue Traverse durch.
In kleinen Kanälen oder wenn Traversenbetriebe anderweitig nicht möglich sind, kann häufig eine Genauigkeit von ±5 % erreicht werden, indem das Pitotrohr in der Mitte des Kanals platziert wird. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit anhand des Messwerts und multiplizieren Sie diesen dann mit 0,9, um einen ungefähren Durchschnittswert zu erhalten.
Berechnung der Luftgeschwindigkeit aus dem Geschwindigkeitsdruck
Manometer zur Verwendung mit einem Pitotrohr werden in zwei Skalentypen angeboten. Einige sind speziell für die Messung der Luftgeschwindigkeit ausgelegt und direkt in Fuß pro Minute kalibriert. Sie sind für Standardluftbedingungen korrekt, d. h. eine Luftdichte von 0,075 lbs pro Kubikfuß, was trockener Luft bei 70 °F und einem Luftdruck von 29,92 Zoll Hg entspricht. Um den Geschwindigkeitsmesswert für andere als Standardluftbedingungen zu korrigieren, muss die tatsächliche Luftdichte bekannt sein. Sie kann berechnet werden, wenn die relative Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und der Luftdruck bekannt sind.
Die meisten Manometerskalen sind in Zoll Wassersäule kalibriert. Anhand der Messwerte eines solchen Instruments kann die Luftgeschwindigkeit mit der folgenden Grundformel berechnet werden:
Bei trockener Luft mit 29,9 Zoll Quecksilber kann die Luftgeschwindigkeit direkt aus den Luftgeschwindigkeits-Diagrammen abgelesen werden. Bei teilweise oder vollständig gesättigter Luft ist eine weitere Korrektur erforderlich. Um Zeit bei der Umrechnung von Geschwindigkeitsdruck in Luftgeschwindigkeit zu sparen, kann der Dwyer-Luftgeschwindigkeitsrechner verwendet werden. Dieser einfache Rechenschieber liefert alle Faktoren, die für eine schnelle und genaue Berechnung der Luftgeschwindigkeit erforderlich sind. Er ist als Zubehör im Lieferumfang jedes Dwyer-Pitotrohrs enthalten.
So verwenden Sie den Dwyer-Rechner:
- Stellen Sie die relative Luftfeuchtigkeit auf der Skala ein. Lesen Sie den Korrekturfaktor auf der Skala gegenüber der bekannten Trockentemperatur ab.
- Stellen Sie die Temperatur unter der Luftdruckskala ein. Lesen Sie die Luftdichte über dem in Schritt 1 ermittelten Korrekturfaktor ab.
- Stellen Sie auf der anderen Seite des Rechners die soeben ermittelte Luftdichte auf der Skala ein.
- Lesen Sie unter dem Pitotrohrwert (Geschwindigkeitsdruck, Zoll Wassersäule) die Luftgeschwindigkeit in Fuß pro Minute ab.
Bestimmung des Volumenstroms
Sobald die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit bekannt ist, lässt sich die Luftdurchflussrate in Kubikfuß pro Minute leicht mit der folgenden Formel berechnen:
Q = AV
Dabei gilt: Q = Durchflussmenge in Kubikfuß pro Minute.
A = Querschnittsfläche des Kanals in Quadratfuß.
V = Durchschnittsgeschwindigkeit in Fuß pro Minute.
Bestimmung des Luftvolumens anhand der Kalibrierung des Widerstands
Hersteller von Luftfiltern, Kühl- und Kondensatorspulen und ähnlichen Geräten veröffentlichen häufig Daten, anhand derer der ungefähre Luftstrom bestimmt werden kann. Es ist charakteristisch für solche Geräte, dass sie einen Druckabfall verursachen, der proportional zum Quadrat der Durchflussrate variiert. Abb. 5 zeigt einen typischen Filter und eine Kurve für den Luftstrom im Verhältnis zum Widerstand. Da sie auf logarithmischem Papier aufgezeichnet ist, erscheint sie als gerade Linie. Auf dieser Kurve würde ein sauberer Filter, der einen Druckabfall von 0,50" w.c. verursacht, einen Durchfluss von 2.000 CFM anzeigen.
Beispiel: Angenommen, die Herstellerangaben für einen Filter, eine Spule usw. lauten:
Andere Geräte zur Messung der Luftgeschwindigkeit
Es gibt eine Vielzahl von Geräten zur Messung der Luftgeschwindigkeit auf dem Markt. Dazu gehören Hitzdrahtanemometer für niedrige Luftgeschwindigkeiten, rotierende und schwenkbare Flügelradanemometer und Durchflussmesser mit variabler Fläche.
Der Luftmesser Modell 460 von Dwyer ist eines der beliebtesten und wirtschaftlichsten Anemometer vom Typ Durchflussmesser mit variablem Querschnitt. Das schnell und einfach zu bedienende tragbare Gerät ist so kalibriert, dass es die Luftgeschwindigkeit direkt anzeigt. Auf der anderen Seite des Messgeräts befindet sich eine zweite Skala zur Ablesung des statischen Drucks in Zoll Wassersäule. Der Luftmesser 460 wird häufig zur Bestimmung der Luftgeschwindigkeit und des Luftstroms in Kanälen sowie an Zu- und Abluftgittern und Diffusoren eingesetzt. Es sind zwei Messbereiche (hoch und niedrig) mit Kalibrierungen in FPM und Zoll Wassersäule vorhanden.
So überprüfen Sie die Genauigkeit
Verwenden Sie nur Geräte mit zertifizierter Genauigkeit. Alle Anemometer und (in geringerem Maße) tragbare Manometer sollten regelmäßig anhand eines Primärnormals wie einer Hakenlehre oder einem hochwertigen Mikromanometer überprüft werden. Wenn Sie Zweifel an der Genauigkeit Ihres Produkts haben, senden Sie es bitte zur vollständigen Kalibrierung an das Werk von Dwyer Instruments zurück.
