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Schriftzug der H. Hermann Ehlers GmbH

Alles rund um die Durchflussmessung in offenen Gerrinnen, Kanälen und teilgefüllten Rohren

Die Herausforderung

In "normalen", vollgefüllten Rohren (Druckrohr) ist die Durchflussmessung relativ einfach, wenn man weiß, wie groß der Innendurchmesser ist und weiß, wie mit welcher Geschwindigkeit das Medium durchs Rohr fließt, dann kann man den Volumenstrom relativ einfach errechnen.

Bei teilgefüllten Rohren ist das nicht so einfach, da man da nicht den Innendurchmesser als Referenz nehmen kann, sondern die benetzte Fläche vom Füllstand abhängig ist.

Noch schwieriger wird es dann bei offenen Gerinnen und Kanälen, da hier teilweise noch nicht mal die genaue Form bekannt ist und damit auch die benetzte Fläche schwierig zu berechnen ist.

 

 

Durchflussmessung in teilgefüllten rohren

in teilgefüllten Rohren gibt es unterschiedliche Möglichkeiten der Durchflussmessung.

Zum einen kann ein spezieller Durchflussmesser verwendet werden, der sowohl Füllstand als auch Geschwindigkeit erfasst, hier eignet sich z.B. die Q.Eye PSC bei leicht verschmutztem Abwasser, Q Eye Radar, berührungslose Messung, bei starker Verschmutzung ,

Oder aber man stellt sicher dass die Rohrleitung an einem bestimmten Punkt immer voll gefüllt ist, dies ist z.b. bei einer Steigleitung so, wenn der Ausfluss oberhalb der Rohroberkannte liegt SKIZZE

Denselben Effekt kann man auch provozieren in dem man z.B. eine Dükerung vornimmt, oder einen 90° Bogen am Ende der Rohrleitung einbaut. Hier muss  beachtet werden, dass der Druck in der Rohrleitung ausreichen muss um auch über die Rohroberkannte hinaus zu steigen, also der Einlauf in das Rohr muss mindestens auf der Höhe der Rohroberkannte am Auslaufpunkt liegen.

In der durch diese Installation voll gefüllten Rohrleitung kann jetzt natürlich wieder ein "normaler" Durchflussmesser entsprechend des Mediums gewählt werden beispielsweise Ultraschall, Magnetisch-Induktiv oder Flügelrad-Zähler.

 

 

Durchflussmessung in offenen Gerinnen und Kanälen

Auch in Kanälen und offenen Gerinnen bieten sich mehrere Möglichkeiten.

Je nach Situation und Bedingungen der Umwelt kann man z. B. einfach ein Rohrstück einbauen und wie oben beschrieben messen.

Da dies häufig unpraktisch ist, gibt es allerdings auch noch Alternativen:

 

Messung ohne Einbau einer Rinne

Wenn die Dimensionen und die Form des Kanals / offenen Gerinnes bekannt sind und es nicht zu dicken Schlammablagerungen kommt, kann das Fluid ohne große Baumaßnahmen gemessen werden, hier besteht dann die Wahl, ob man eine berührungslose Messung haben möchte, dabei wird oberhalb des Gerinnes einmal ein Geschwindigkeitsradar sowie ein Füllstandsensor angebaut. Diese Lösung eignet sich vor allem dann, wenn das Medium häufig für Ablagerungen sorgt und eine berührungslose Messung gefordert ist. Hier eignet sich die Q-Eye mit Radar
Oder aber man verbaut einen Sensor am Boden des Kanals. Die sog. Kanalmaus besitzt einen Ultraschall-Doppler-Sensor, welcher von verschiedenen Partikeln im Fluid reflektiert wird, so ergibt sich ein gut aufgelöstes Strömungsbild, natürlich muss das Medium hier auch Feststoffe mit sich führen, leicht verschmutztes Abwasser, wobei man auch darauf achten muss, das nicht zu viele (Faser-)Feststoffe mitgeführt werden, die sich dann am Sensor bzw. Kabel selbst absetzen würden. Zusätzlich zur Geschwindigkeit wird hier natürlich auch wieder der Füllstand mit einem Drucksensor erfasst. Diese Variante eignet sich vor allem dann, wenn sich die Strömungsprofile häufig ändern oder ungleichmäßig sind. Zusätzlich wird auch eine Temperaturänderung automatisch kompensiert. Hier kann man z. B. die Q-Eye-PSC benutzen.
Wenn allerdings die Form des Flusses nicht bekannt sind oder sich große Ablagerungen am Boden oder Rand bilden, bleibt nur der Einbau einer Messrinne.
 

Messrinnen in der Übersicht

Bei einer Messrinne wird nicht mehr eine Q/V*H gemessen, sondern nur noch eine Q/H Beziehung. Dies ist durch die besondere Bauform der Messrinnen möglich, denn hier gilt, je schneller das Fluid in die Rinne fließt, desto höher steigt es, da das Volumen ja bekannt ist, kann man so einfach die Füllhöhe in ein Volumen pro Zeiteinheit umrechnen.
Es gibt verschiedene Bauformen der Messrinne, jede hat spezielle Eigenschaften, hier sind nun ein paar gelistet:

Venturi Rinne

Die Venturi-Rinne verengt den Querschnitt, dadurch wird das Oberwasser angestaut. In der klassischen Bauform besteht eine Venturi Messtelle aus den folgenden Komponenten:

Eine Einlaufstrecke, deren Länge sollte mindestens das Vierfache der Höhe des maximalen Füllstands sein, einer Verjüngung, die vom ursprünglichen Durchmesser zur Einschnürungsstrecke überführt, der Einschnürungsstrecke selbst, diese sollte mindestens das doppelte des maximalen Wasserstands vor der Rinne als Länge haben und natürlich wieder die Rückführung auf den ursprünglichen Durchmesser. Die Überführungen sollten möglichst strömungsoptimal geformt sein, um weniger Druckverlust und Turbulenzen zu erzeugen.

Der Füllstand wird nun im Oberwasser (das Wasser vor der Venturi Rinne) erfasst. Hierzu wird üblicherweise die ISONIC 4000 mit Ultraschall oder Radar Sensor benutzt .

 

Die Messschachtrinne

eine Sonderform der Venturi-Rinne stellt die Messschachtrinne MHF dar, diese Messrinne wird in einem Kontrollschacht, auch Messschacht direkt im abgehenden Rohr montiert.

Abwasser Messeinrichtung im Kanalschacht Messschachtrinne MHFDer Vorteil ist die einfache Montage, besonders bei der Nachrüstung einer Messung kann die Messschachtrinne MHF ihre Vorteile ausspielen. Sie eignet sich für leicht verschmutztes Abwasser und ist in den Nennweiten DN 100 bis DN 300 verfügbar, die max. Abflussleistung beträgt 94 l/s. Die ISONIC 4000 ist hierzu die passende Messelektronik

 

Khafagi Venturi Rinne

Die Khafagi Rinne soll eine energieoptimierte Bauform darstellen, sie unterscheidet sich von der klassischen Venturi Rinne in der Länge der Drosselstrecke, diese ist hier kürzer gewählt, um Reibungsverluste zu minimieren.

Dadurch sind aber die Strömungsverhältnisse nicht mehr optimal und deswegen kann eine Khafagi Rinne nur im Modellversuch kalibriert werden.

Parshall Rinne

Die Parshall Rinne wird häufig verwendet, ihr Vorteil bzw. Unterschied besteht darin, dass sie über einen Sohlenabstieg verfügt.
Durch diesen wird die Strömung beschleunigt und die Rinne besser gegen Ablagerungen geschützt.

Palmer Bowlus Rinne

Die Palmer-Bowlus-Rinne macht dies im Prinzip genau anders herum als die Parshall Rinne. Sie hat zusätzlich noch eine Sohlschwelle, das sorgt für einen einfacheren Nullpunktabgleich, bedeutet jedoch leider auch, das sich an dieser Schwelle leichter Feststoffe absetzen können.

Messwehr

Bei dieser Art der hydraulischen Durchflussmessung wird der Fluss zunächst einmal komplett aufgestaut.

An der Staustelle fließt das Wasser dann über eine Kante im freien Fall vom Ober- zum Unterwasser. Hier ist wichtig, dass die Kante scharf genug ist, dass das Wasser nicht an der Stauwand abläuft, sondern belüftet, im freien Strahl nach vorne fließt. Auch hier wird wieder die Füllhöhe im Oberwasser gemessen. Wichtig hierbei ist das genügend Abstand zur Wehr-Kante eingehalten wird, da irekt vor der Platte eine Ablaufsenke entsteht.

Wenn diese Vorraussetzungen erfüllt sind, kann mit einem Messewehr eine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden. Allerdings unterbrechen die Wehre den freien Abfluss, so dass Fische und andere Wasserlebewesen ihn nicht mehr in der natürlichen Art nutzen können, hier gilt es vor allem die EU-Wasserrahmenrichtlinie 2000 (WRRL 2000) zu beachten. Auch kann es durch  Feststoffe im Wasser zu Verlandungen vor dem Wehr führen. Vor allem bei Bächen und Flüssen kann durch den Ablaufstrahl auf der Unterwasser-Seite eine Sohlenerosion entstehen.

 

 

V-Schnitt (Dreieck Wehr, auch Thomson-Wehr gennant)

auch für sehr kleine Durchflüsse verwendbar, 0,2l/s bis 50l/s maximal kann es auch bis zu 1,8m³/h verwendet werden. Bei der Auslegung kommt es vor allem auf den Winkel an, dieser bestimmt die Durchflussleistung. Es werden häufig 90°, 53°8' und 28°4' verwendet. Allgemein gilt: je kleiner der Winkel destso geringer der Durchfluss. Hier kann eine Genauigkeit von ±1% erreicht werden.

 

Rechteckwehr

Das Rechteckwehr gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen. Zum Einen als Platte mit rechteckigen Auslass in der Mitte. Zum Anderen auch als einseitige rechtwinkelige Einschnürung.

Der Durchfluss ist abhängig bei von der Breite, zwischen 1,4 l/s und 49 m³/s. Diese Art der Messung kann auf eine Messgenauigkeit zwischen 1 bis 2% kommen.

 

Weitere Wehrformen sind das trapezförmige Wehr (Cipoletti Meßwehr), kreisförmiges Wehr, Balken (Dammbalken)

Bei großen Durchflüssen können auch breitkronige Wehre verwendet werden.

 

 

nicht für Fluide mit Feststoffen

ungenau bei hohen Fliess-Geschwindigkeiten

günstig auch bei großen Flüssen nutzbar

beachte EU-Wasserrahmenrichtlinie 2000 WRRL 2000

Sand kann Verlandung vor dem Wehr fördern

 

Vergleich zwischen Venturi Rinnen und Messwehren

Pro Rinne:

weniger Druckverlust,

deutlich weniger Gefälle,

bessere Selbstreinigung

 

 

Pro Wehr

günstigere Herstellungskosten, grade bei großen Flüssen

 

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Quelle

Morgenschweis G. (2018) Kontinuierliche Erfassung des Durchflusses. In: Hydrometrie. VDI-Buch. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-55314-5_5