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

Die Herausforderung

In vollgefüllten Rohren (Druckrohr) ist die Durchflussmessung "relativ einfach", wenn bekannt ist, wie groß der Innendurchmesser ist und mit welcher Geschwindigkeit das Medium durchs Rohr fließt, dann kann der Volumenstrom errechnet werden.

Bei teilgefüllten Rohren ist das nicht so einfach, da dort nicht der Innendurchmesser als Referenz benutzt werden kann, sondern die benetzte Fläche vom Füllstand abhängig ist.

Noch schwieriger wird es 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. der Q-Eye Insertion.

Q-Eye Insertion Einschweißsensor Stationäre Abwasser Durchflussmessung

Alternativ kann auch sichergestellt werden, dass die Rohrleitung an einem bestimmten Punkt immer vollgefüllt ist, dies ist z. B. bei einer Steigleitung der Fall, wenn der Ausfluss oberhalb der Rohroberkante liegt.

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 Rohroberkante hinauszusteigen, also der Einlauf in das Rohr muss mindestens auf der Höhe der Rohroberkante am Auslaufpunkt liegen, alternativ kann auch mit einer Pumpe gearbeitet werden.

In der durch diese Installation vollgefüllten Rohrleitung kann ein "normaler" Durchflussmesser entsprechend dem Medium gewählt werden, unter anderem können Ultraschall-, Magnetisch-Induktive- oder Flügelrad-Zähler geeignet sein. Bei Flügelrad-Zählern gilt es zu beachten, dass keine Feststoffe im Medium enthalten sind.

Durchflussmessung in offenen Gerinnen, Kanälen und Flüssen

Auch in Kanälen und offenen Gerinnen bieten sich mehrere Möglichkeiten.

Je nach Situation und Bedingungen der Umwelt kann etwa ein Rohrstück eingebaut und wie oben beschrieben gemessen werden.

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

Messung ohne große bauliche Veränderungen

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 die Wahl, zwischen einer berührungslosen Messung und einer Messung mit Medienkontakt. Bei einer berührungslosen Messung wird oberhalb des Gerinnes ein Geschwindigkeitsradar sowie ein Füllstandssensor angebaut. Diese Lösung eignet sich vor allem dann, wenn das Medium häufig für Ablagerungen sorgt und eine berührungslose Messung gefordert ist. Hier eignet sich der Q-Eye mit Radar. Dabei sollte allerdings beachtet werden, dass bei diesem Verfahren nur die Oberflächengeschwindigkeit gemessen wird. Dementsprechend sollte das Medium gleichmäßig durch den Kanal fließen und keine Verwirbelungen erzeugen.

Alternativ kann ein Sensor am Boden des Kanals verbaut werden. Die sogenannte Kanalmaus besitzt einen Ultraschall-Doppler-Sensor, welcher von verschiedenen Partikeln im Fluid reflektiert wird, so ergibt sich ein gut aufgelöstes Strömungsbild, für diese Technologie muss der Partikelanteil im Medium mindestens 50 ppm, besser 100 ppm betragen.

Als Beispiel eignen sich leicht verschmutztes Abwasser oder Oberflächenwasser wie Regenwasser, wobei man auch darauf achten muss, dass nicht zu viele (Faser-)Feststoffe mitgeführt werden, die sich dann am Sensor bzw. Kabel selbst absetzen würden.

Zusätzlich zur Geschwindigkeit wird hier auch wieder der Füllstand mit einem Drucksensor oder Laufzeitultraschall 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 der Q-Eye PSC benutzt werden.

Wenn allerdings die Form des Flusses nicht bekannt sind oder sich große Ablagerungen am Boden oder Rand bilden, bleibt nur der Einbau einer Messrinne.

Bei breiten Querschnitten oder extrem niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten kann ein Ultraschalllaufzeitdifferenz-System wie das Kanalis oder Fluvius von Vorteil sein.

Dabei werden Sensoren an beiden Flussufern angebracht, in der minimalen Ausführung wird lediglich ein Sensor pro Seite verwendet und ein Schallsignal zwischen beiden Sensoren hin und her geschickt. Dabei braucht das Signal gegen den Strom länger als mit dem Strom. Aus dieser Differenz kann dann die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Zusätzlich wird noch der Füllstand gemessen und so kann dann das Volumen ermittelt werden. Dieses System kann auch mit mehreren Sensoren auf unterschiedlichen Ebenen installiert werden. Dadurch kann auch unter schwierigen hydraulischen Bedingungen wie Turbulenzen präziser die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden, da an verschiedenen Stellen im Fluss gemessen wird.

Ein weiterer Vorteil eines Laufzeitsystems ist, dass es driftfrei ist, also der Messfehler über die Betriebszeit konstant bleibt

Beispiel einer Messung mit dem Kanalis/ Fluvius:

Ultraschall Durchflussmessgerät für Kanäle und kleine Flüsse

Messrinnen in der Übersicht

Bei einer Messrinne wird nicht mehr eine Q/V*H gemessen, sondern 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 in der Rinne bekannt ist, kann 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-Messstelle 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 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 (vor der Venturi-Rinne) erfasst. Hierzu wird üblicherweise die ISONIC 4000 mit Ultraschall oder Radarsensor 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 MHF Der 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 andersherum als die Parshall Rinne. Sie hat zusätzlich noch eine Sohlschwelle, das sorgt für einen einfacheren Nullpunktabgleich, bedeutet jedoch leider auch, dass 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, dass genügend Abstand zur Wehr-Kante eingehalten wird, da direkt vor der Platte eine Ablaufsenke entsteht.

Wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, kann mit einem Messewehr eine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden. Allerdings unterbrechen die Wehre den freien Abfluss, sodass 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 genannt)

auch für sehr geringe Durchflüsse verwendbar, 0,2l/s bis 50l/s maximal kann es auch bis zu 1,8 m³/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, desto 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