Dinge, die Sie über Pitotrohre wissen müssen

Denken Sie daran, wie die Geschwindigkeit in Anwendungen wie der Messung von Flugzeugen gemessen wird, und das Pitotrohr ist das Instrument, das für diese Aufgabe entwickelt wurde. Dieses Instrument, das als Pitot-Sonde bekannt ist, besteht aus einem Rohr mit einem kurzen rechtwinkligen Bogen. Das Gerät dient zur Berechnung der Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstrom. Staurohre werden in Anemometern verwendet, um die Fluggeschwindigkeit in Windkanälen und an Bord von Flugzeugen im Flug zu messen. Sie werden verwendet, um den Durchfluss von Flüssigkeiten, Luft und Gas zu messen.

Heute lernen Sie die Definition, Funktion, Anwendungen, Komponenten, Diagramme, Gleichungen, Typen und Funktionsweisen eines Staurohrs kennen. Außerdem erfahren Sie Folgendes:

• Statischer Druck
• Dynamischer Druck
• Stagnationsdruck
• Strömungsgeschwindigkeit
• Pitotrohre mit einem Anschluss
• Mittelung von Pitotrohren
• Wie man endlich den Luftstrom mit einem Staurohr misst
• Sie lernen die Vor- und Nachteile eines Pitotrohrs kennen.

Was ist ein Staurohr?

Ein Staurohr ist ein Durchflussmessgerät zur Messung der Geschwindigkeit (Geschwindigkeit) einer strömenden Flüssigkeit. Erfunden wurde es von Henri Pitot, einem französischen Ingenieur im 18 ^ten Jahrhundert. Mitte des 19. ^Jahre wurde das Gerät in seine moderne Form umgebaut Jahrhundert von einem französischen Wissenschaftler Henry Darcy. Ein Staurohr ist ein schlankes Rohr mit zwei Löchern. Das vordere Loch befindet sich im Fahrtwind und hilft bei der Messung des sogenannten Staudrucks. Das seitliche Loch misst den sogenannten statischen Druck. Die Messung zwischen diesen beiden Drücken ergibt den dynamischen Druck, der zur Berechnung der Fluggeschwindigkeit verwendet werden kann. Nun, das wird weiter erklärt.

Pitot-Rohre, die Durchflusssensor-Instrumente sind, können eine kostengünstige Alternative zu einer Messblende sein. Seine Genauigkeit reicht von 0,5 % bis 5 % FS, was der einer Blende ähnelt. Auch sein Durchflussbereich von 3:1 (obwohl einige mit 4:1 arbeiten) entspricht eher der Kapazität der Messblende. Der Unterschied zwischen diesen beiden Geräten besteht darin, dass die Blende den vollen Durchfluss misst, während das Staurohr die Durchflussgeschwindigkeit nur an einem Punkt des Durchflusses erfassen kann.

Anwendungen eines Staurohrs

Staurohre finden sich mittlerweile in vielen Anwendungen nicht nur in der Luftfahrt wieder. Es ist beliebt, dass das Instrument in der Luftfahrt eingesetzt wird, sie sind auch in Industriemaschinen, Booten und sogar Sportwagen üblich. Tatsächlich können Sie sogar ein Pitot-Rohr für Ihr Projekt verwenden, das die Messung der Strömungsgeschwindigkeit erfordert. Flugzeuge verwenden jedoch häufig Pitotrohre, die zwei Öffnungen anstelle eines separaten Rohrs und statischer Anschlüsse enthalten.

Ein einzelnes Staurohr kann den statischen Druck und den Staudruck messen. Die statischen Anschlüsse an der Seite des Staurohrs tragen dazu bei, diese All-in-One-Fähigkeit zu erreichen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit separater statischer Ports. Ich werde weiter unten in diesem Artikel näher darauf eingehen.

Wie bereits erwähnt, wird Pitot Tune häufig verwendet, um die Fluggeschwindigkeit eines Flugzeugs und die Wassergeschwindigkeit eines Bootes zu bestimmen. Es wird zur Messung von Flüssigkeits-, Luft- und Gasströmungsgeschwindigkeiten in bestimmten industriellen Anwendungen verwendet. Grundsätzlich wird das Instrument in Windkanalexperimenten und in Flugzeugen zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt. Es wird in einer Vielzahl von Anwendungen zur Durchflussmessung eingesetzt, z. B. zur Fluggeschwindigkeit in Rennwagen und Kampfflugzeugen der Luftwaffe. In industriellen Anwendungen werden Pitotrohre zur Berechnung des Luftstroms in Rohren, Kanälen und Kaminen verwendet. Auch Flüssigkeitsfluss in Rohren, Wehren und offenen Kanälen.

Schließlich werden Pitotrohre in Anwendungen verwendet, um die Fluidströmungsgeschwindigkeit durch Messen der statischen und dynamischen Druckdifferenz zu messen. Dies kann erreicht werden, indem die kinetische Energie in einer Fluidströmung in potentielle Energie umgewandelt wird.

Bestandteil eines Pitotrohrs

Schaubild eines Staurohrs:

Staurohrgleichung

Das Prinzip basiert auf der Bernoulli-Gleichung wobei jeder Term der Gleichung als Druck interpretiert werden kann

p + 1/2 ρ v ² + ρ g h

      =p + 1/2 ρ v ² + γh

      = konstant entlang einer Stromlinie … (1)

Wo:

p =  Statischer Druck  (relativ zur sich bewegenden Flüssigkeit) (Pa)

ρ =  Dichte  Flüssigkeit (kg/m ³ )

v =Strömungsgeschwindigkeit (m/s)

γ = ρ g =  spezifisches Gewicht  (N/m ³ )

g =  Beschleunigung der Schwerkraft  (m/s ² )

h =Erhebungshöhe (m)

Jeder Term der Gleichung hat die Dimension Kraft pro Flächeneinheit N/m ²  (Pa) –  oder in imperialen Einheiten lb/ft ² (psi) .

Statischer Druck – Der Begriff P gibt den statischen Druck an. er ist relativ zum bewegten Fluid statisch und kann durch eine flache Öffnung parallel zur Strömung gemessen werden

Dynamischer Druck – Der zweite Begriff – 1/2 ρ v ² – wird dynamischer Druck genannt.

Hydrostatischer Druck – Der dritte Term – γ h – heißt hydrostatischer Druck. Er repräsentiert den Druck aufgrund einer Höhenänderung.

Stagnationsdruck – Die Bernoulli-Gleichung besagt, dass die Energie entlang einer Stromlinie konstant ist – und modifiziert werden kann zu

p₁ + 1/2 ρ v₁ ² + γh₁

    = p₂ + 1/2 ρ v₂ ² + γh₂

    =konstant entlang der Stromlinie … (2)

Wo:

Suffix₁ ist ein Punkt in der freien Strömung stromaufwärts

Suffix₂ ist der Staupunkt, an dem die Geschwindigkeit in der Strömung Null ist

Fließgeschwindigkeit – In einer Messstelle betrachten wir den hydrostatischen Druck als konstant mit h₁ =h₂ – und dieser Teil kann eliminiert werden. Seit v₂ Null ist, (2) kann geändert werden zu:

p₁ + 1/2 ρ v₁ ² = p₂ … (3)

oder

v₁ =[2 (p₂ – p₁ ) / ρ]  ^1/2

    = [2 Δp / ρ]  ^½ … (4)

Wo:

Δp =p₂ – p₁ (Differenzdruck)

Mit (4) es ist möglich, die Strömungsgeschwindigkeit in Punkt 1 – die freie Strömung stromaufwärts – zu berechnen, wenn wir die Differenzdruckdifferenz Δp = p₂ kennen – p₁ und die Dichte der Flüssigkeit.

Es ist üblich, anstelle von Druck voraus zu verwenden. (4) kann durch Division mit spezifischem Gewicht γ geändert werden zu

v₁ =c [2 g Δh] ^1/2 … (5)

wo:

c =Koeffizient – ​​je nach Referenzflüssigkeit und verwendeten oder berechneten Einheiten 

g =Erdbeschleunigung

Δh =h₂ – h₁ =Höhenunterschied (Flüssigkeitssäule)

Hinweis! – in der Grundgleichung bezieht sich die Kopfeinheit auf die Dichte der strömenden Flüssigkeit. Für andere Einheiten und Referenzflüssigkeiten – wie mm Wassersäule – prüfen Sie Geschwindigkeitsdruckhöhe.

Funktionsweise eines Pitotrohrs

Die Funktionsweise eines Pitotrohrs ist weniger komplex und lässt sich leicht nachvollziehen. Ein Staurohr misst zwei Drücke; Statik und der Gesamtstaudruck. Der statische Druck ist der Betriebsdruck im Rohr, Kanal oder der Umgebung vor dem Staurohr. Sie wird quer zur Strömungsrichtung gemessen, oft an einer Stelle mit geringer Turbulenz.

Die Summe aus statischem und kinetischem Druck ist der Gesamtstaudruck (PT). Es wird erfasst, wenn der fließende Strom auf die Pitot-Öffnung trifft. Um diesen Staudruck zu messen, ist das verwendete Staudruckrohr oft ein kleines und manchmal L-förmiges Rohr. Die Öffnung muss direkt der anströmenden Strömung zugewandt sein. Die Punktgeschwindigkeit der Annäherung (VP) wird berechnet, indem die Quadratwurzel aus der Differenz zwischen dem Gesamtdruck (PT) und dem statischen Druck (P) gezogen wird. Es wird dann mit dem C/D-Verhältnis multipliziert, wobei C eine Dimensionskonstante und D die Dichte ist. Es kann mathematisch ausgedrückt werden als;

Vp =C(PT – P)½/D

Da sich die Durchflussmenge aus der Multiplikation der Punktgeschwindigkeit (VP) mit der Querschnittsfläche des Rohres oder Kanals ergibt, muss die Geschwindigkeitsmessung in einer Eintauchtiefe erfolgen, die der mittleren Geschwindigkeit entspricht. Das Geschwindigkeitsprofil im Rohr ändert sich von länglich (laminar) zu flacher (turbulent). Dies geschieht, weil die Strömungsgeschwindigkeit ansteigt. Es verändert den Punkt der Durchschnittsgeschwindigkeit und erfordert eine Anpassung der Eintauchtiefe.

Staurohrinstrumente werden nur bei stark turbulenten Strömungen (Reynoldszahlen> 20.000) eingesetzt. Daher muss das Geschwindigkeitsprofil flach genug sein, damit die Einstecktiefe nicht kritisch ist.

Sehen Sie sich das Video unten an, um mehr über die Funktionsweise eines Staurohrs zu erfahren:

Ein Pitotrohr mit einem Anschluss

Ein Einloch-Pitotrohr misst die Strömungsgeschwindigkeit nur an einem einzigen Punkt im Querschnitt eines fließenden Stroms. Die Sonde ist bis zu einem Punkt in einen fließenden Strom einzuführen, an dem die Strömungsgeschwindigkeit der Durchschnitt der Geschwindigkeiten über den Querschnitt ist. Die Prallöffnung muss direkt in den Flüssigkeitsstrom zeigen.

Pitotrohre mit einem Anschluss können weniger empfindlich gegenüber der Strömungsrichtung gemacht werden, wenn der Prallanschluss n innere Abschrägungen von etwa 15 Grad aufweist, die sich bis zu etwa 1,5 Durchmessern in das Rohr erstrecken. Wenn die vom Venturi erzeugte Druckdifferenz für eine genaue Erfassung zu gering ist, kann das herkömmliche Pitot-Rohr durch ein Pitot-Venturi ersetzt werden. Ein doppelter Venturi-Sensor kann auch verwendet werden, um eine höhere Druckdifferenz zu erzeugen.

Ein sauber kalibriertes, sauberes und richtig eingesetztes Pitotrohr mit einem Anschluss bietet eine Durchflussgenauigkeit von ±1 % der Vollskala über einen Durchflussbereich von 3:1. Mit etwas Genauigkeitsverlust kann das Instrument sogar über einen Bereich von 4:1 messen. Zu den Vorteilen eines Pitotrohrs mit einem Anschluss gehören niedrige Kosten, eine einfache Konstruktion, keine beweglichen Teile und es verursacht einen sehr geringen Druckverlust im fließenden Strom. Obwohl es einige Einschränkungen gibt, zu denen Fehler gehören, die sich aus Änderungen des Geschwindigkeitsprofils oder aus Verstopfungen der Druckanschlüsse ergeben.

Mittelung von Pitotrohren

Mittelwertbildende Pitotrohre wurden erfunden, um das Problem des Auffindens des Durchschnittsgeschwindigkeitspunkts zu beseitigen. Dieses Rohr ist mit mehreren Stößen und Anschlüssen für statischen Druck versehen. Es ist so ausgelegt, dass es sich über den gesamten Rohrdurchmesser erstreckt. Die von allen Staudruckanschlüssen erfassten Drücke werden zusammengeführt und die Quadratwurzel ihrer Differenz wird als Hinweis auf den durchschnittlichen Durchfluss im Rohr gemessen.

Befindet sich ein Port näher am Ausgang des kombinierten Signals, hat er einen etwas größeren Einfluss als der am weitesten entfernte Port. Obwohl für sekundäre Anwendungen, bei denen üblicherweise Pitotrohre verwendet werden, der Fehler möglicherweise als nichts angezeigt wird. Ein Pitotrohr kann modifiziert werden, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen, wie z. B. die Anzahl der Aufprallöffnungen, der Abstand zwischen den Öffnungen und der Durchmesser des mittelnden Pitotrohrs.

Die Messöffnungen der Pitotrohre mit Mittelwertbildung sind oft zu groß, so dass das Rohr als echte Mittelwertkammer arbeiten kann. Die Portöffnungen sind optimiert, um ein Verstopfen zu verhindern, anstatt zu mitteln. Obwohl das Spülen mit Inertgas verwendet wird, um die Anschlüsse sauber zu halten, kann der Sensor kleinere Anschlüsse verwenden.

Pitotrohre mit Mittelwertbildung bieten die gleichen Vorteile und Einschränkungen wie Rohre mit einem Anschluss. Nur, dass sie etwas teurer und etwas genauer sind, besonders wenn die Strömung nicht vollständig ausgebildet ist. Darüber hinaus können einige mittelwertbildende Pitot-Sensoren durch dieselbe Öffnung (oder Hot Tap) eingeführt werden, die ein Rohr mit einem Anschluss aufnimmt.

So messen Sie den Luftstrom mit einem Staurohr

Da Pitotrohre gut für die Messung des Luftstroms bei mittlerer bis hoher Geschwindigkeit geeignet sind, ist es wichtig zu wissen, wie der Luftstrom mit dem Instrument gemessen wird. Genaue Messungen erfordern eine Dichtekorrektur und einen sorgfältigen Durchlauf. Dies liegt daran, dass die Genauigkeit von der Druckmessvorrichtung bestimmt wird, die am Staurohr montiert ist. Obwohl eine wirtschaftlichere Methode (Heißdraht und Flügelrad) verwendet werden kann, um den Luftstrom in Anwendungen mit geringem Durchfluss zu messen. Für Anwendungen mit hohem Durchfluss oder hohen Temperaturen ist das Staurohr jedoch ideal.

Wie oben erwähnt, misst ein Staurohr den Gesamtdruck und den statischen Druck, um den Geschwindigkeitsdruck zu bestimmen. Dieser Prozess leitete auch die Luftgeschwindigkeit ab. Das Rohr wird mit der Spitze in Richtung Luftstrom in den Kanal eingeführt. Der positive Anschluss des Manometers wird mit dem Gesamtdruckanschluss (Pt) und der negative mit dem statischen Druckanschluss (Ps) verbunden. Dieses Manometer zeigt dann den Geschwindigkeitsdruck an, der in Geschwindigkeit umgerechnet werden kann.

Moderne Pitotrohre sind mit der richtigen Nase oder Spitze konstruiert und der Abstand zwischen der Nase, den statischen Druckabgriffen und dem Vorbau ist ausreichend. Dadurch werden Turbulenzen und Interferenzen minimiert, sodass es ohne Korrektur- oder Kalibrierungsfaktoren verwendet werden kann.

Um eine genaue Anzeige des Geschwindigkeitsdrucks zu gewährleisten, muss die Pitotrohrspitze direkt in (parallel zu) dem Luftstrom zeigen. Bei korrekter Ausrichtung des Pitotrohrs ist die Geschwindigkeitsdruckanzeige maximal.

Beachten Sie, dass in einem turbulenten Luftstrom keine genauen Messwerte erfasst werden können. Pitotrohre müssen mindestens bis zu 8-1/2 Kanaldurchmessern stromabwärts von Krümmern, Biegungen oder anderen Hindernissen eingeführt werden, die Turbulenzen verursachen können. Für eine genaue Messung sollten die Richtschaufeln 5 Kanaldurchmesser stromaufwärts vom Pitotrohr angebracht werden, sofern vorhanden.

Die Luftgeschwindigkeit ist über eine Querschnittsfläche eines Kanals oder einer Lamelle nicht gleich. Daher muss eine Traverse des Kanals durchgeführt werden, um eine Durchschnittsgeschwindigkeit zu bestimmen. Die Reibung näher an den Wänden des Kanals verlangsamt den Luftstrom, wenn sie die Kanalwände scheuern. Ein definiertes Muster wird befolgt, um eine genaue Messung zu gewährleisten.

Vor- und Nachteile eines Staurohrs

Vorteile:

• Das Instrument ist tragbar
• Es enthält keine beweglichen Teile.
• Trotz seiner enormen Arbeit ist es kostengünstig
• Ein einfaches Design haben und zuverlässig sind.
• Niedriger Dauerdruckverlust.
• Einfache Installation in einem bestehenden System.
• Geeignet für unterschiedliche Umgebungsbedingungen, einschließlich hoher Temperaturen und eines breiten Druckbereichs.

Nachteile:

Trotz der guten Vorteile des Pitotrohrs treten noch einige Einschränkungen auf. Nachfolgend sind die Nachteile von Staurohren in ihren verschiedenen Anwendungen aufgeführt.

• Geringe Reichweite
• Geringe Genauigkeit.
• Das Lesen kann je nach Flüssigkeit leicht behindert werden.
• Vibrationen können zu falschen Messwerten führen und sogar das Instrument beschädigen.

Schlussfolgerung

Ein Pitot-Rohr ist eine großartige Komponente für Messungen an fließenden Flüssigkeiten. In diesem Beitrag haben wir die Definition, Funktion, Anwendungen, Gleichung, Typen und Funktionsweise eines Staurohrs untersucht. Wir haben auch die Vor- und Nachteile der Pitot-Rohr-Instrumente gesehen.

Ich hoffe, Sie haben viel von diesem Artikel mitgenommen, wenn ja, teilen Sie ihn bitte mit anderen Studenten. Danke fürs Lesen. Bis zum nächsten Mal!