Durchflussmessung in offenen Gerinnen mit Messwehren und Messrinnen

Durchflussmessung in offenen Gerinnen mit Messwehren und Messrinnen

Ein Wasserstandsensor im offenen Gerinne misst die Überfall- beziehungsweise Messhöhe. Eine validierte Kennlinie des Primärmessorgans rechnet sie in Durchfluss um. Die Steigung der Kennlinie verstärkt Höhenfehler. Zur gesamten Unsicherheit tragen außerdem Wehr- oder Rinnengeometrie, Koeffizient, Anströmbedingungen und die Vermessung des Höhenbezugs bei.

Die Formel bestimmt die Fehlerempfindlichkeit

Für ein 90°-Dreieckswehr bei freiem Abfluss lautet eine beispielhafte SI-Näherung:

Q = 1.38 × h^2.5 (Q in m³/s, h in Metern). Der Koeffizient ist für dieses Beispiel angenommen und keine allgemeingültige Kennlinie. Verwenden Sie die zugelassene Gleichung oder Kalibrierung für den tatsächlichen Ausschnitt und Einbau.

Auch die Kennlinien von Rechteckwehren und Messrinnen hängen von ihrer genauen Geometrie und den hydraulischen Bedingungen ab. Eine einfache Rechteckwehrnäherung kann einen Höhenexponenten nahe 1.5 verwenden; Koeffizient und Einschnürungskorrekturen müssen jedoch bestimmt werden. Für die Kennlinie Q = C × h^n ist die Empfindlichkeit erster Ordnung gegenüber einem kleinen Höhenfehler:

ΔQ/Q ≈ n × (Δh/h)

Dabei ist n der Exponent. Ein Höhenfehler von 1% bei n = 2.5 ergibt einen Durchflussfehler von 2.5%.

Rechenbeispiel: Ein 90°-Dreieckswehr mit h = 0.20 m liefert Q = 1.38 × 0.2^2.5 = 1.38 × 0.0179 ≈ 0.0247 m³/s ≈ 89 m³/h. Ein Wasserstandsfehler von 10 mm, leicht verursacht durch einen falsch angebrachten Maßstab, eine Schaumschicht oder einen nicht kalibrierten Sensor, ergibt nun ΔQ/Q = 2.5 × (0.01/0.2) = 12.5%, also 11 m³/h scheinbaren Durchfluss. Bei h = 0.40 m entsprechen dieselben 10 mm nur 6.25%. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft: Wehrsysteme verlieren genau im unteren Durchflussbereich an Genauigkeit, der bei umweltrechtlichen Nachweisen meist besonders wichtig ist.

Die Messhöhe muss im ruhigen Wasser am richtigen Punkt erfasst werden

Die Formel setzt voraus, dass die Messhöhe dem oberstromigen Wasserstand entspricht, gemessen in einem ruhigen, repräsentativen Oberflächenbereich:

Messort: oberstromig der Absenkkurve, bei einem Dreieckswehr an der vorgeschriebenen Höhenmessstelle. Bei einem herkömmlichen, vollständig eingeschnürten 90°-Dreieckswehr mindestens das Vierfache der maximalen Überfallhöhe stromaufwärts und keinesfalls im Absturzbereich nahe dem Ausschnitt.

Beruhigung: Eine geeignete Anströmstrecke oder zugelassene Beruhigung vorsehen, ohne die Hydraulik des Primärmessorgans zu verändern. Kleine Wellen erhöhen die Streuung; Radar misst nicht grundsätzlich deren Spitzen. Validieren Sie die zeitlich gemittelte Messhöhe und die Geräteantwort.

Nullpunkt: Die Höhe der Wehrkrone oder Rinnensohle ist der Nullpunkt. Sie muss vermessen werden und darf nicht einfach aus einer Zeichnung übernommen werden. Ein Nullpunktfehler von 5 mm erzeugt bei jeder Messhöhe einen bleibenden Durchflussfehler.

Berührungslose Radar- oder Ultraschallgeräte vermeiden einen eingetauchten Sensor, benötigen aber eine starre Montage und einen freien Messweg. Eine Halterungsverschiebung um 3 mm kann unmittelbar zum Höhenfehler werden. Drucksensoren benötigen zusätzlich eine Dichteannahme und können durch Sediment, Verschmutzung oder einen verstopften Druckanschluss beeinflusst werden. Abgesetztes Material geht nicht automatisch mit seiner vollen Dichte in die Wasserdruckhöhe ein.

Freier Abfluss ist eine Bedingung, keine Hoffnung

Eine Kennlinie für freien Abfluss gilt nur innerhalb ihrer festgelegten hydraulischen Bedingungen. Prüfen Sie beim Wehr die Belüftung des Überfallstrahls und die Unterwassergrenzen, bei der Messrinne die baugrößenspezifische Einstaugrenze und die Höhenmessstellen. Für manche Ausführungen gibt es Korrekturen für eingestauten Abfluss; sie sind jedoch nicht mit der Kennlinie für freien Abfluss austauschbar.

Kann im Gerinne Rückstau auftreten, etwa durch Gezeiten, Schützbetätigung oder Unwetter, messen Sie zusätzlich die Unterwasserhöhe und korrigieren den Einstau oder wählen ein anderes Messprinzip. Eine auf eingestauten Abfluss angewandte Freiabflussformel erzeugt unbemerkt scheinbar sichere, aber falsche Werte.

Zwischen Messwehr und Messrinne wählen

Wählen Sie das Primärmessorgan nach erforderlichem Durchflussbereich, Höhenverlust, Feststoffen, Unterwasser und anwendbarem Nachweisverfahren. Ein Dreieckswehr kann für kleine saubere Ströme sinnvoll sein; eine geeignete Messrinne lässt Feststoffe möglicherweise besser passieren. Keine Ausführung ist jedoch wartungsfrei.

Fragen aus Projekten mit offenen Gerinnen

F1. Kann der Wasserstandsensor direkt über dem Wehr sitzen?

Nein. Er muss oberstromig an der vorgeschriebenen beruhigten Messstelle sitzen oder über einen mit dem Gerinne verbundenen Messschacht messen. Über dem Ausschnitt erfasst er die Absenkung, die nach der Formel gerade nicht gemessen werden darf.

F2. Ist ein Radarsensor genau genug?

Radar mit Millimetergenauigkeit ist erhältlich, doch meist bestimmen Montage und Nullpunktvermessung das Ergebnis. Planen Sie zuerst die Einbausteifigkeit und den vermessenen Höhenbezug, bevor Sie Sensorspezifikationen vergleichen.

F3. Was ist bei sehr kleinen Durchflüssen zu beachten?

Nahe der unteren Kennliniengrenze werden Oberflächenspannung, Verhalten des Überfallstrahls und Höhenunsicherheit wichtig. Verwenden Sie die validierte Mindestmesshöhe für den jeweiligen Ausschnitt und die Anströmgeometrie. Ein anderer Ausschnittwinkel oder ein anderes Primärmessorgan kann erforderlich sein. Beanspruchen Sie unterhalb des validierten Bereichs keine für behördliche Nachweise ausreichende Durchflussqualität.

Weitere technische Leitfäden

• Genauigkeit von Radar-Füllstandmessumformern: Was der Datenblattwert nicht aussagt
• Ausgangssignale von Radar-Füllstandmessumformern: Das passende Signal wählen

Besprechen Sie Ihre Messanwendung mit METRAVON

Technische Referenzen

• US-Bundesbehörde für Wasserwirtschaft: Betriebsbedingungen für Dreieckswehre