Staudrucksonde (Annubar-Prinzip)

Eine Staudrucksonde nach dem Annubar-Prinzip (auch Annubar, Ellison-Annubar, S-Type Staurohr oder integrierendes Staurohr) ist eine Sonderform des Pitotrohres, die im Anlagenbau und in der Verfahrenstechnik zur Durchflussmessung verwendet wird.

Staudrucksonde in Rohrleitung

Prinzip

Diese Staudrucksonden werden zur Durchflussmessung von gasförmigen oder flüssigen Fluiden wie Luft, Erdgas, Dampf, Wasser etc. in Rohrleitungen und Kanälen verwendet. Staudrucksonden haben mehrere Öffnungen (meist Bohrungen) in und gegen die Strömungsrichtung. An den Öffnungen entgegen der Strömungsrichtung entsteht ein dynamischer Überdruck $p_{dyn1}$ (der sogenannte Staudruck), an den Öffnungen in Strömungsrichtung entsteht ein dynamischer Unterdruck $p_{dyn2}$. Innerhalb der Staudrucksonde werden die an den Wirkdrucköffnungen anliegenden Drücke gemittelt und außerhalb der Staudrucksonde gemessen. Der außerhalb der Staudrucksonde gemessene Differenzdruck $dp$ ist die Differenz zwischen dem dynamischen Überdruck und dem dynamischen Unterdruck:

${\begin{aligned}dp&=p_{1}-p_{2}\\p_{1}&=p_{\text{stat}}+p_{\text{dyn1}}\\p_{2}&=p_{\text{stat}}+p_{\text{dyn2}}\\dp&=p_{\text{dyn1}}-p_{\text{dyn2}}\end{aligned}}$

• $dp$ – Differenzdruck
• $p_{1}$ – Gesamtdruck 1
• $p_{2}$ – Gesamtdruck 2
• $p_{\text{dyn1}}$ – dynamischer Überdruck
• $p_{\text{dyn2}}$ – dynamisches Vakuum

Durch die Mittelungsfunktion dieses Staurohrtypus kann die Staudrucksonde gestörte Strömungsprofile, wie sie im Rohrleitungsbau hinter Einbauten oder Umlenkungen vorhanden sind, besser korrigieren und den Durchfluss genauer erfassen, als dies bei einer Einpunktmessung der Fall ist.

Berechnungsgrundlagen

Die Durchflussberechnung nach dem Staudruckprinzip leitet sich aus dem Energieerhaltungsgesetz her. Im Anströmpunkt (Staupunkt) der Staudrucksonde wird die Strömung gebremst und wandelt ihre kinetische Energie (Geschwindigkeit) in potentielle Energie (Druck) um.

Aus dem gemessenen Differenzdruck lässt sich der Durchfluss des Fluids errechnen:

$q_{m}=K\epsilon {\frac {\pi }{4}}d_{i}^{2}{\sqrt {2dp\rho }}$

Hierin sind:

• $q_{m}$ – Massenstrom (bzw. Massendurchfluss)
• $K$ – dimensionslose Kalibrierkonstante der Staudrucksonde (K-Zahl)
• $\epsilon$ – Expansionszahl
• $d_{i}$ – Innendurchmesser der Rohrleitung
• $dp$ – Differenzdruck
• $\rho$ – Dichte des Fluids

Die dimensionslose Kalibrierkonstante $K$ wird von den unterschiedlichen Herstellern für ihre Staudrucksonden ermittelt und dem Benutzer mitgeteilt. Ein typischer Wert liegt zwischen 0,62 und 0,68.

Die Expansionszahl $\epsilon$ korrigiert die Dichteänderung des Fluids durch den Druckverlust an der Staudrucksonde. Für inkompressible Fluide (Flüssigkeiten) ist $\epsilon =1$; bei kompressiblen Fluiden wird $\epsilon$ kleiner 1, bleibt aber typischerweise im Bereich $0{,}97<\epsilon <1$. Die Dichte $\rho$ des Fluids ist die Dichte unmittelbar vor der Staudrucksonde.

Bauformen

Staudrucksonden nach dem Annubar-Prinzip unterscheiden sich hinsichtlich Messprofil und Anschlussbauform.

Das Messprofil einer Staudrucksonde ist der in der Rohrleitung befindliche umströmte Teil. Von außen sichtbar ist der Anschlussteil, mit dem die Staudrucksonde in die Rohrleitung eingebaut wird und Messgeräte wie Differenzdruckmessumformer, Druck- oder Temperaturmessumformer angebaut werden.

Anwendungen/Einsatzgrenzen

Staudrucksonden nach dem Annubarprinzip sind vor allem in verfahrenstechnischen Anlagen im Einsatz, also zum Beispiel in Kraftwerken, in chemischen und petrochemischen Anlagen, in Brauereien, Verbrennungsanlagen und Kläranlagen. Da Staudrucksonden Totvolumina aufweisen, werden sie in der Regel nicht für Lebensmittel oder andere sensible Produkte eingesetzt, sondern primär für Hilfsmedien wie Dampf, Druckluft, Heizwasser, Thermoöl, Rauchgas etc.

Vorteilhaft gegenüber klassischen dp-Messverfahren wie Blenden, Venturis oder Düsen, ist der einfachere Einbau und der geringe Druckverlust (bzw. Energieverlust).

Klassische Primärelemente haben dagegen den Vorteil, international genormt und standardisiert zu sein (ISO 5167). Preiswert ist der Einsatz von Staudrucksonden insbesondere bei großen Rohrleitungen, da sich der Preis von Staudrucksonden näherungsweise linear mit dem Durchmesser entwickelt, der von klassischen Primärelementen dagegen quadratisch oder kubisch.

Literatur

• Messtechnik an Maschinen und Anlagen, Heinz Stetter (Hrsg.), B.G. Teubner, Stuttgart 1992
• Willy Heusing: Mehr Effizienz durch Staudrucksonden. In: BWK. Band 59, Nr. 6, 2007, S. 24 (systec-controls.de [PDF; 560 kB]). 
• Reinhold Kuchenmeister: Statt Blende, Venturi oder Vortex. In: CITplus. Nr. 1–2, 2014, S. 28–31 (systec-controls.de [PDF; 832 kB]). 
• Berechnungsgrundlagen von Iso-Primärelementen und Staudrucksonden. (PDF; 127 kB) systec-controls.de; abgerufen am 25. Februar 2020 
• ISO 10780
• ISO 5167