Mikroelektronischer Haushaltsgaszähler EGZ-G4

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1 Mikroelektronischer Haushaltsgaszähler EGZ-G4 In der hier vorgestellten Neuentwicklung wird aktuellste Sensor on-chip Technologie eingesetzt, um das mehr als 150 Jahre alte Prinzip der Haushalts- und Gewerbegaszähler in eine neue Ära zu führen. Das neue Gerät der EMS PATVAG AG ist klein und handlich, misst unabhängig von Temperatur und Druck und kann mit diversen Schnittstellen bzw. Fernauslesemodulen kombiniert werden. D ie europäischen Energiemärkte befinden sich im Umbruch. Zunehmende Marktliberalisierungen, neue gesetzliche Auflagen, wie z. B. die neue Energieeffizienzrichtlinie oder die neue Messstellenzugangsverordnung für Deutschland sowie eine zunehmende Kundenfokussierung erfordern neue Ansätze in der Messund Abrechnungssystematik. Smart Metering heißt das Zauberwort. Was bedeutet dies nun für die Energieversorger, welche Maßnahmen müssen im Messwesen getroffen werden? Eines ist klar, die Messtechnik wird modernisiert und die Kundenorientierung gewinnt im zunehmend härteren Wettbewerb an Wichtigkeit. Strom Kunde Bedürfnisse: - Individualisierung - Transparenz Gas Wasser Wärme Abb. 1: Übersicht Smart-Metering-Landschaft Erdgas hat weltweit gesehen einen Anteil von ca. 25 Prozent am Gesamtenergieverbrauch Tendenz steigend. In einigen Ländern innerhalb Europas ist der Anteil noch höher, beispielsweise werden in Deutschland mehr als 75 Prozent der neu erstellten Wohnungen mit Erdgas beheizt [1]. Um die Erdgasbezüge der einzelnen Erdgaskunden zu messen, werden Gaszähler benötigt. In Haushalten und im gewerblichen Bereich kommen heute überwiegend so genannte Balgengaszähler zur Anwendung. Der jährliche Bedarf an solchen Messgeräten liegt weltweit bei ca. 20 Millionen Einheiten, mit einem Gesamtmarktwert von etwa 1 Milliarde Euro. Balgengaszähler haben sich weit über 100 Jahre als zuverlässig erwiesen, allerdings haben sie auch gravierende Mängel: Sie messen druck- und temperaturabhängig, sind groß und schwer und eignen sich nur schlecht für die immer wichtiger werdende Zählerfernauslesung. Kundenbeziehung EVU Bedürfnisse: - Billingprozesse - Produktmanagement - Netzmanagement - Datenmanagement Smart Metering Die Disziplin Smart Metering beschreibt die Messung von Energieverbrauchsdaten mit anschließender Übermittlung und Verarbeitung beim Energieversorgungsunternehmen. Dies betrifft hauptsächlich den Bereich Strom, jedoch auch Gas, Wärme und Wasser. Die Politik möchte durch Änderungen der gesetzlichen Rahmenbedingungen im Bereich Messung und Abrechnung mehr Transparenz in die Energieabrechnungen bringen, was dem Konsumenten entgegenkommen und schlussendlich den Gesamtenergieverbrauch senken soll. Aus diesem Grund beschloss die deutsche Bundesregierung am 6. Juni 2008, dass das Messwesen für Strom und Gas liberalisiert werden soll. Mit der Änderung des Energiewirtschaftgesetzes (EnWG) und der neuen Messstellenzugangsverordnung wird diese neue gesetzliche Grundlage ab Ende Juli 2008 in Kraft gesetzt. Ab diesem Zeitpunkt bekommt Smart Metering eine neue Bedeutung, es wird Pflicht. Smart Metering kann für Energieversorgungsunternehmen eine große Chance darstellen (Abb. 1); folgende Vorteile können resultieren, wenn Kundendaten präzise und nicht zeitverzögert beim Versorger sind: Prozessoptimierung für Ablesung und Verrechnung aller Medien (Strom/Gas/ Wasser/Wärme), verbessertes Netz- und Datenmanagement, Optimierung des Energiehandels, Produkte nach individuellen Verbrauchsverhalten der Kunden (Mehrwert auch für Kunde), Integration von erneuerbaren Energien nach Bedarf, Transparenz gegenüber dem Kunden, bei Bedarf monatliche Rechnungsstellung, Kundenbindung, Differenzierung gegenüber auftretenden Konkurrenten. 26

2 Die Umstellung auf Smart Metering bedarf neuer Mess- und Kommunikationsgeräte, die präzise Verbrauchsdaten aufnehmen und dem Energieversorger übermitteln können. Ein Gerät, welches all diese Erwartungen und Bedürfnisse deckt, ist der neue Gaszähler von EMS PATVAG, welcher hier näher vorgestellt wird (Abb. 2). Die thermische Durchflussmessung Thermische Durchflusssensoren basieren normalerweise auf der Kühlung eines erwärmten Objektes im Fluss. Die im EGZ-G4 zur Anwendung kommenden CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) Durchflusssensoren bedienen sich der Temperaturdifferenz von zwei bezüglich des Mikroheizers symmetrisch stromauf- und stromabwärts angebrachten Temperaturfühlern. Fließt kein Gas über den Sensor, messen die beiden Temperaturfühler im Heizmoment, d. h. während der Mikroheizer stromdurchflossen ist und sich dabei gegenüber der Umgebungstemperatur um einige Grad erwärmt, die gleiche Temperaturerhöhung. Fließt nun ein Gasstrom über das Sensorelement, wird diese Symmetrie gestört. Zwischen den beiden Temperatursensoren entsteht eine Temperaturdifferenz, die gemessen wird. Dieses, in der Form einer Spannungsdifferenz anliegende, Temperaturdifferenzsignal wird im Analogteil des Sensorchips aufbereitet und anschließend digitalisiert. Diese spezielle Art der thermischen Durchflussmessung zeichnet sich unter anderem durch den hohen Messeffekt und die weit gehende Unabhängigkeit gegenüber Temperatur- und Druckeinflüssen aus (Abb. 3). Der in enger Zusammenarbeit mit der Firma Sensirion in Stäfa (CH), einem Spinoff des Physikalisch Elektronischen Labors (PEL) der ETH Zürich, entwickelte und für diese Anwendung optimierte Halbleiter- Chip beinhaltet auf rund 16 mm 2 einen Sensorteil sowie eine analoge und eine digitale Elektronik für die Signalaufbereitung. Mit einer elektrischen Gesamtleistung von ca. 0,2 mw ist es möglich, den neuen Gaszähler mit einer Lithium-Thyonilchlorid Batterie über 16 Jahre lang zu betreiben. Gas Flow Temperature Sensors Der aus Polysilizium gefertigte, mikrothermische Sensor misst den durchflussabhängigen Wärmetransport des über ihn strömenden Gases (Abb. 4). Der sich in der Mitte der Anordnung befindende integrierte Heizer wird in einem quasi-periodischen Pulsbetrieb mit einigen mw Heizleistung P el erwärmt. Bei einer Fließgeschwindigkeit ν des Gases und einer konstanten Heizleistung P el bildet sich eine Temperaturdifferenz ΔT(ν) zwischen den beiden Temperaturfühlern. Aus ΔT(ν) wird dann die Fließgeschwindigkeit ν bestimmt. Die Temperaturdifferenz ist, bedingt durch das Messprinzip, von den physikalischen Eigenschaften des strömenden Gases abhängig. Um die Gasabhängigkeit des Sensorsignals herzuleiten, muss die zugehörige Differenzialgleichung betrachtet werden. Für einen Kanal mit einem Durchfluss in x- Richtung mit Wärmeerzeugung nur in den Wänden des Kanals kann die Gleichung annähernd geschrieben werden als [2]: 2 T 2 T 2 T ν x + + = (T) (1) x 2 y 2 z 2 α x wobei ν x die axiale Flussgeschwindigkeit und α die Diffusivität sind; Letztere definiert als ν = λ/c p ρ mit λ der thermischen Leitfähigkeit, c p der spezifischen Wärmekapazität und ρ der Gasdichte. Damit zeigt sich, dass 1/α denselben Einfluss auf das Sensorsignal hat wie die Änderung der axialen Durchflussgeschwindigkeit ν x. Aus Gleichung 1 ist ebenfalls ersichtlich, dass es sich bei der thermischen Durchflussmessung nicht um eine Betriebsvolumen-, sondern um eine Normvolumenmessung handelt, was nachfolgend dargelegt wird. Da proportional zu Heater ca. 2,8 mm Silicon Abb. 3: Prinzipschema der thermischen Durchflussmessung Abb. 2: Bild des neuen elektronischen Gaszählers, der auf einem mikrothermischen CMOS- Durchflusssensor basiert Abmaße: 97 mm x 97 mm Silicon nitrite (glass) Gap for pressure equalisation ρ ν x gemessen wird, ist diese Methode prinzipiell temperatur- und druckunabhängig. Mit einer Korrektur, auf die hier nicht im Detail eingegangen werden soll, welche auf einer periodischen Messung der thermischen Leitfähigkeit λ des Gases basiert, wird im Gaszähler EGZ-G4 diese auf den ersten Blick negative Eigenschaft der thermischen Durchflussmessmethode weit gehend kompensiert. Darüber hinaus wird die Möglichkeit dieser einfachen Gasartenerkennung im neuen Gaszähler benutzt, um am Display anzuzeigen, ob sich Luft in der Gasleitung befindet. Diese Anzeigemöglichkeit kann auch als Indikator für eine unzulässige Manipulation verwendet werden, indem der Gaszähler anzeigt, ob er sich nach dessen Einbau zeitweise in Kontakt mit Luft befand oder temporär deinstalliert wurde. Der mechanische Aufbau Die thermische Durchflussmessung ist an sich eine bekannte Messmethode. Die große Herausforderung bei der Entwicklung eines neuen Gaszählers war das Erfüllen der äußerst strengen Vorgaben bezüglich des elektrischen Leistungsbedarfs, der Langlebigkeit, des Messbereichs und der Messgenauigkeit. Die Komponenten des Gaszählers EGZ-G4 Quelle: Sensirion 27

3 wurden einzeln und unter Verwendung von Computer-Fluid-Dynamik-Simulationen und Berechnungen sowie den neusten Erkenntnissen auf dem Gebiet der Materialwissenschaft entwickelt. Abb. 4: CMOS Durchflusssensor mit 2,8 x 5,8 mm 2 Abb. 5: Funktionsprinzip und Schnittbild des neuen elektronischen Gaszählers Abb. 6: Explosionszeichnung des neuen Gaszählers Sensor EEPROM Durchflusssensor Supply Batterie Regulator SPI GRUNDFUNKTIONEN Abb. 7: Blockdiagramm der Gaszählerelektronik μc LCD Anzeige MSP430 SCI Kalibrierung Automatische Zählerauslesung Kommunikation ERWEITERTE FUNKTIONEN Quelle: Sensirion Der Gaszähler ist als Bypass-Konstruktion ausgelegt (Abb. 5). Der im Hauptgasfluss angebrachte Pressure Dropper erzeugt bei maximaler Erdgas-Durchflussrate von 6 m 3 /h einen Druckabfall von 0,8 mbar. Weniger als 1 Prozent des Gases wird dadurch gezwungen, durch den Bypass und über den Sensor zu strömen. Mit dieser Bypasskonstruktion kann eine große Messdynamik von ca. 150 zu 1 erzielt werden. Bezüglich der angestrebten hohen Messdynamik war die genaue Auslegung des Hauptrohres mit Pressure Dropper und dem Bypass von großer Bedeutung. Um sowohl für kleine Durchflussmengen einen hohen Messeffekt als auch für hohe Flüsse stabile Verhältnisse zu haben, mussten die laminaren und turbulenten Strömungsanteile beider Pfade aufeinander abgestimmt werden. Für eher blendenartige Rohrverengungen ergeben sich hohe turbulente Strömungsanteile und der erzeugte Druckabfall Δp in Funktion des Volumenflusses kann beschrieben werden mit der Gleichung [3]: 1 ξp Δp = Φ 2 v (2) A 2 ƒc 2 Wobei A 2 ƒc für den offenen Querschnitt der Lochblende, ρ für die Gasdichte, ξ als dimensionsloser Formfaktor der Blende und Φ v für den Volumenstrom stehen. Es ergibt sich also ein Differenzdruck, der proportional zum Quadrat der Durchflussgeschwindigkeit ist. Damit ist dieser Teil des erzeugten Differenzdruckes klein für kleine Durchflussraten, aber sehr groß für große Durchflussraten. Betrachtet man eher röhrenförmige Differenzdruckerzeuger, dann ist das Strömungsprofil in einer solchen Kapillare laminar und Δp entsteht vor allem durch viskose Reibungsverluste. Daraus ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen erzeugtem Differenzdruck und Durchflussrate entsprechend der folgenden Gleichung [3]: L μc Δp = ƒ Φ v (3) A ƒc D 2 h 2 Hierin beschreibt C ƒ den Reibungskoeffizienten, der von der Form der Kapillare abhängig ist. Im Gegensatz zur blendenförmigen Geometrie zeigt sich hier eine konstante Sensitivität des erzeugten Differenzdruckes zur Durchflussrate über den ganzen Durchflussbereich. 28

4 In älteren Versorgungsnetzen können sich z. B. durch rostige Rohre kleine Teilchen im Gas suspendieren. Dies ist allerdings nur beschränkt möglich, da die Fließgeschwindigkeiten im betrachteten Anwendungsgebiet sehr gering sind. Die Massenträgheit der sich möglicherweise im Gasstrom befindenden Partikel verhindert ein Eindringen in den Bypassbereich, womit der Sensor vor Verschmutzungen geschützt ist ein weiterer Vorteil der Bypassmethode. Durch die für diesen Zweck am besten geeignete Beschichtung für Halbleitersensoren (Si 3 N 4, Siliziumnitrid) wird der Sensor zusätzlich gegen Korrosion geschützt. Ein weiterer wichtiger Vorteil des neuen Gaszählers ist die geringe Anzahl der Komponenten und der einfache Zusammenbau, der größtenteils automatisiert werden kann (Abb. 6). Dies hat wiederum einen positiven Effekt auf die Herstellungskosten des Gerätes. Der Gaszähler der EMS PATVAG hat keine beweglichen Teile, was seine mechanische Anfälligkeit minimiert. Diese Konstruktionsund Messart hat zudem den Vorteil, dass keine störenden Geräusche auftreten. Der Gaszähler besticht durch die kleine, handliche Bauart, was ihn in Punkto Logistik und Optik klar bevorteilt. Ein EGZ-G4 entspricht in der Baugröße etwa einem Zehntel eines G4-Balgengaszählers. Bei größeren Versionen des EGZ wird dieser Vorteil noch beträchtlicher werden. Die Messtechnik Die Messfehler eines herkömmlichen Balgengaszählers, der den Betriebsvolumendurchfluss misst, können bei ungünstigen äußeren Verhältnissen bezogen auf den Normvolumenfluss beträchtlich sein. Die Temperatur- und Luftdruckschwankungen am Ort des Gaszählers wirken direkt auf das Messresultat ein, wie dies vereinfacht mit der universellen Gasgleichung [4]: p V = const (4) T gezeigt werden kann. Diese Darstellung besagt, dass sich das Messergebnis bezüglich Luftdruck um 0,1 %/mbar und bezüglich der Temperatur um zusätzlich 0,37 %/ C ändert. Es ist also entscheidend, wie ein Balgengaszähler beim Kunden eingebaut ist. Entsprechend gestaltet sich der jeweilige Fehler, der eine direkte Auswirkung auf die Energieabrechnung hat. Der Gaszähler EGZ-G4 zeigt das Volumen unabhängig von Luftdruck und Temperatur an. Außerdem zeigt der neue Gaszähler neben der total verbrauchten Gasmenge auch den momentanen Durchflusswert an, was für den Endkunden einen praktischen Zusatznutzen darstellt. Für einen Gaskunden, der mit Erdgas heizt oder kocht, ist die Energie E entscheidend, die mit dem Erdgas geliefert wird. Bei der Verwendung von Balgengaszählern wird jedoch der über eine bestimmte Zeitperiode integrierte Volumenstrom V (p,t) zur Bestimmung der konsumierten Gasenergie bestimmt, der dann vom Gasversorger mit einem für die Periode i gemittelten Brennwert H n (i) multipliziert wird: E = H n (i) i V (p,t) dt (5) Für die Referenztemperatur, auf welche der Brennwert des Gases bezogen ist, wird heute normalerweise 15 C gewählt (nach DVGW-Arbeitsblatt G 685). Wenn es am Standort des Gaszählers wärmer ist, be- Zustandsüberwachung in Bestform Das Kamstrup Inspektionssystem für Gas-Druckregelanlagen Überwachung von GDR-Anlagen bis PN 100. Senkung der Instandhaltungskosten. Passt in allen Instandhaltungsstrategien. Unterstützt DVGW Arbeitsblatt G 495 und G 1000 (TSM). Umfangreiche Software mit integrierten Funktionen für Trendanalysen. Personenunabhängige, objektive, reproduzierbare und standardisierte Inspektionen und Funktionsprüfungen. Menüführung für Inspektionen und Funktionsprüfungen. Drahtloser Datenaustausch für optimale Bewegungsfreiheit. Systemintegration in Betriebsmanagementsysteme. Einstellungen der GDR-Anlage müssen nicht verändert werden. Explosionssichere Ausführung für ATEX Zone 2. Bewährte Technologie vom Marktführer für intelligente Inspektionssysteme für Gas-Druckregelanlagen. Kamstrup Werderstrasse D Mannheim TEL: +49 (0) FAX: +49 (0) info@kamstrup.de 29

5 Abb. 8: Elektronik des Gaszählers: Stromverbrauch und Zuverlässigkeit prägen die Elektronik zahlt der Kunde pro 3 C ein Prozent zu viel für die von ihm bezogene Erdgasenergie. Bezüglich des nach der barometrischen Höhenformel gegebenen geodätischen, also höhenabhängigen, Luftdrucks p h in kpa, mit h als geodätischer Höhe (Meter über Meer) in km [4]: 6,5 h p 5,255 h = 101,3 kpa 1- (6) 288 km müssen die Energieversorger heute für die Berechnung der bezogenen Gasenergie den Brennwert je nach geodätischer Höhe des Bezugsortes variieren. In Deutschland ist eine Abstufung von maximal 100 Meter vorgeschrieben. Der Gaszähler von EMS PATVAG misst den Gasverbrauch unabhängig vom Luftdruck. Der Brennwert bleibt für die Verrechnung von Ascona (200 m ü. M.) bis Zermatt (1.620 m ü. M.) derselbe. Die Anzeige erfolgt in Normvolumen bezogen auf 15 C und 1013,25 mbar. Anforderungen an die Elektronik Der Sensor des elektronischen Gaszählers kann als das Herzstück bezeichnet werden. Daneben wird aber eine Zentrale benötigt, welche alle Abläufe koordiniert und steuert. Diese Aufgabe übernimmt ein Mikrocontroller. Er initiiert die Messung zum richtigen Aktive Zeit der CPU Bestimmung der Gaszusammensetzung Durchflussmessung Kontrollmessung Zeitpunkt, liest den bereits kalibrierten Messwert in digitaler Form aus dem Sensor und verrechnet die Informationen, sodass verschiedene Werte über das Display oder die Schnittstelle angezeigt werden können. Zusätzlich werden verschiedene Überwachungsaufgaben abgearbeitet, wie zum Beispiel das Batteriemanagement oder das Management des nichtflüchtigen Speichers (EEPROM) (Abb. 7). Neben den in der Industrieelektronik üblichen Anforderungen wie Zuverlässigkeit, einfache Wartung und lange Verfügbarkeit der Komponenten, ist es beim elektronischen Gaszähler zusätzlich der niedrige Stromverbrauch, dem ein hoher Stellenwert zugemessen werden musste. Außerdem möchte man die Vorteile des elektronischen Gaszählers nutzen, in dem man den Zähler über ein Fernauslesesystem (AMR, Automatic Meter Reading) abfragen kann. Low-Power System Beim elektronischen Gaszähler handelt es sich um ein autonomes, batteriebetriebenes Gerät. Um eine möglichst lange Betriebsdauer des Systems zu gewährleisten, muss der Stromverbrauch möglichst tief gehalten werden. Beim EMS PATVAG Gaszähler kommen fast ausschließlich Komponenten für Low-Power-Systeme Abb. 9: Die obere Kurve zeigt die verschiedenen Messmodi (Monitormessung: Messung mit reduzierter Auflösung und daher reduziertem Stromverbrauch, Accurate-Messung: Messung mit hoher Auflösung, - Messung: Gasbestimmung). Die untere Kurve zeigt, wie klein das Verhältnis zwischen Aktivund Standby-Modus Zeit im System ist (Signal high, entspricht ca. 0,2 % der Zeit). zur Anwendung. Dabei ist zum Beispiel für den Mikrocontroller nicht die Rechenleistung oder der Stromverbrauch alleine das ausschlaggebende Kriterium, sondern der Quotient aus Rechenleistung und Stromverbrauch. Andere wichtige Komponenten für ein Low-Power-System können Verstärker oder Spannungsregler sein. Hier ist vor allem der Ruhestrom ausschlaggebend. Entsprechend der Anwendungen können auch diese Komponenten beim EGZ in einen Standby-Modus versetzt werden. Ein ausgeklügeltes Strommanagement im Gaszähler berücksichtigt, dass nur diejenigen Komponenten und Funktionen aktiv sind, die auch für die aktuellen Messprozesse benötigt werden. Auf diese Weise kann die elektrische Gesamtleistung bei maximal 0,2 mw gehalten werden, was wiederum eine lange Batteriebetriebsdauer ermöglicht (Abb. 8). Ablauf der Messung Die meiste Zeit ist sowohl der Mikrocontroller als auch der Sensor in einem Low- Power- oder Sleep-Modus und nur ein Timer und der LCD-Treiber im Mikrocontroller sind aktiv. Der interne Timer signalisiert den Start einer neuen Messung und weckt den Mikrocontroller mit einem Interrupt aus dem Sleep-Modus auf. Abhängig von der Vorgeschichte können drei verschiedene Messabläufe initiiert werden: Accurate-, Monitor- oder λ-messung. Bei allen Messungen ist der Ablauf jedoch sehr ähnlich: Der Mikrocontroller programmiert Register im Sensor und parametrisiert damit die Messung. Nach dem eigentlichen Start der Messung kann der Mikrocontroller wieder in den Sleep-Modus versetzt werden. Er wird durch einen neuen Interrupt wieder aufgeweckt, sobald die Messung abgeschlossen ist und das Messresultat aus dem Sensor ausgelesen, weiter verrechnet und dargestellt werden kann (Abb. 9). 30

6 Abb : Verschiedene drahtgebundene Zählerauslesemöglichkeiten zur Datenfernauslesung Batteriebetrieb Da es sich beim Gaszähler der EMS PATVAG AG um ein batteriebetriebenes Gerät handelt, ist es wichtig, einen zuverlässigen, qualitativ hochwertigen und dauerhaften Batterietyp zu verwenden. Die Batterie muss hohe und tiefe Temperaturen aushalten können, ein für diese Anwendung geeignetes Stromprofil haben und eine möglichst geringe Selbstentladung aufweisen. Die umfangreiche Evaluation hat gezeigt, dass für die Anwendung im neuen Gaszähler eine Lithium/Thionylchlorid (Li/SOCl 2 ) Batterie eingesetzt werden muss. Nur in dieser Technik lassen sich heute Zellen herstellen, die auch über mehrere Jahre hinweg eine genügend kleine Selbstentladung haben (0,2 % pro Jahr). Zusätzlich lassen sich diese Zellen über einen weiten Temperaturbereich einsetzen. Die Nominalspannung der Zelle liegt mit 3,6 Volt in einem Bereich, in dem sich eine Elektronik gut betreiben lässt. Die minimale elektrische Leistung des Zählers (0,2 mw) erlaubt einen Betrieb von 16 Jahren pro Batterie. Danach kann die Batterie durch eine neue ersetzt werden. Schnittstellen Bei konventionellen Balgengaszählern zur Verbrauchsmessung muss ein beträchtlicher Aufwand betrieben werden, um die Geräte elektronisch auslesen zu können. Beim EGZ liegen die Messwerte und Daten bereits in elektronischer Form vor. Eine einfache, flexible Schnittstelle im Inneren des Gaszählers stellt die Daten bereit, welche anschließend über ein Zusatzmodul weitergeleitet werden können. Derzeit ist eine M-Bus Schnittstelle (Abb. 10) oder eine RS-232 Schnittstelle (Abb. 11) in den EGZ-G4 integrierbar und für die Verbrauchsabrechnung zugelassen. Damit lassen sich der momentane Zählerstand und Statusinformationen des EGZ-G4 auslesen. Bei Verwendung der optional erhältlichen Recorderversion können zudem auch Lastprofile ausgelesen werden. Die M-Bus Schnittstelle kann mit einem externen Funkmodul erweitert werden, die RS- 232 Schnittstelle eignet sich für die Auslesung per GSM/GPRS Modem. Ab Ende 2008 wird ein EGZ-G4 mit einem integrierten Funkmodul erhältlich sein, der das standardisierte M-Bus Protokoll verwendet. Offene und standardisierte Protokolle und Kommunikationspfade sind die Grundlage für die Investition und einen wirtschaftlichen Betrieb einer Smart Metering Lösung. In Abbildung 11 sind die bereits erhältlichen Zählerfernauslesemöglichkeiten dargestellt. Die Software des neuen Gaszählers Auf Grund der Anforderungen, die in erster Linie hinsichtlich des Energieverbrauches an die Hardware gestellt werden, sind die Ressourcen, die für die Software zur Verfügung stehen, relativ bescheiden. Einen weiteren Engpass stellt der zur Verfügung stehende Speicherplatz dar. Es wurde deshalb während der gesamten Entwicklung des Gaszählers darauf geachtet, dass die primären Funktionen im Vordergrund stehen: die Messung, Kumulierung und Darstellung des Gasverbrauches. Hinzu kommen weitere zwingend notwendige Funktionen, die sich aus den Vorschriften für elektronische Gaszähler ergeben. Weitere wichtige Merkmale sind die Fehlererkennung und Protokollierung im Falle von Manipulationen oder Unterbrüchen der Stromversorgung sowie die Minimierung des Energieverbrauches. So ist der Mikrocontroller, wie bereits erwähnt, im Mittel nur gerade während ca. 0,2 Prozent der Betriebszeit des Gaszählers im aktiven Modus, während der restlichen Zeit befindet er sich im Ruhezustand. Die Auslegung der Software sollte ein hohes Maß an Flexibilität aufweisen, um zukünftigen Entwicklungen und Bedürfnissen, wie z. B. weiteren Kommunikationsschnittstellen, Rechnung tragen zu können. Bewährt hat sich in diesem Zusammenhang der Aufbau der Software aus mehreren Zustandsmaschinen, die eine sichere, übersichtliche und modulare Struktur ermöglichen. Die Messstrategien (Abb. 12) sowie die Schnittstelle zum Sensor wurden in enger Zusammenarbeit mit der Sensirion AG entwickelt. Um bei konstanten Flüssen energieintensive Präzisionsmessungen zu vermeiden, werden in der Regel Kontroll- oder Monitormessungen mit niedrigerer Auflösung durchgeführt. Wird bei einer Monitormessung eine Veränderung des Flusses festgestellt oder ist nach einer festgelegten Anzahl an Messungen keine Flussänderung mehr festgestellt worden, so wird eine präzise Messung durchgeführt. Im Weiteren kann die Wärmeleitfähigkeit λ des Gases periodisch bestimmt und zur Korrektur der Gasabhängigkeit genutzt werden. Dafür müssen weitere Parameter mit dem Sensor erfasst und ausgewertet werden. Durch Abtasten in unregelmäßigen Zeitabständen (Jitter), anstelle einer fixen Periodendauer, wird verhindert, dass der Gaszähler durch einen pulsierenden Gasfluss beeinflusst werden kann. Normen und Zulassung Der elektronische Gaszähler EGZ-G4 wurde im Jahr 2007 durch die benannte Stelle ME- TAS (Schweizerisches Bundesamt für Metrologie) nach MID (Measuring Instruments Directive) zertifiziert. Der Gaszähler wurde mit der Modulprüfung B (Bauartprüfzertifikat Nr. CH-MI ) und D (Konformitätszertifikat Nr ) zertifiziert. Seither ist es in Europa gestattet, den Gaszähler in Verkehr zu bringen und für die Verrechnung von Erdgasverbrauchsmengen zu verwenden. Der Zähler ist für die Verwendung mit Erdgasen des Typs H und L (nach EN 437, ISO ) zugelassen. Die Eichgültigkeitsdauer wurde durch die jeweils zuständige nationale Behörde festgelegt. In der Schweiz beträgt diese sechs Jahre (METAS) 31

7 Monitormessung keine präzise Messung Auswertung Abb. 12: Ablaufsteuerung der Messung und in Deutschland fünf Jahre (PTB). Diese Eichgültigkeit kann, nachdem genügend Erfahrungswerte gesammelt sein werden, in Zukunft hochgesetzt und auf ein Stichprobenverfahren erweitert werden (Losverfahren). Ein Zertifikat besteht ebenfalls für die M-Bus- und die RS-232 Schnittstelle sowie für die Recorderoption. Der DVGW und der SVGW haben den EGZ-G4 ebenfalls geprüft und zertifiziert. Entsprechende Dokumente liegen vor. Druck, Einbauhöhe, Temperatur Die heute zur Anwendung kommenden Balgengaszähler messen Gas in Betriebsvolumen (V b ). Dieses gemessene Volumen muss anschließend aufwändig über Temperatur- und Druckkompensierungen in Normvolumen (V n ) umgerechnet werden. Für die gesetzlich vorgeschriebene Höhenkompensation wird die Einbauhöhe jedes präzise Messung AGND präzise Messung Temp. Delta λ Temp. Oberlauf keine λ-messung λ-messung Temp. Unterlauf Zählers erfasst und im Verrechnungssystem hinterlegt, was den Energieversorgern oft großen Aufwand verursacht. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass alle Konsumenten die richtige Energiemenge (Q) die vom Normvolumen (V n ) über den spezifischen Brennwert des Gases ermittelt wird in Rechnung gestellt bekommen. Der neue elektronische Gaszähler misst direkt Normvolumen bezogen auf 15 C und 1.013,25 mbar, also Meereshöhe. Dadurch kann jeder Kunde individuell genau abgerechnet werden, unabhängig davon, ob in seinem Keller, wo der Gaszähler üblicherweise installiert ist, eine Temperatur von konstant 15 C herrscht oder nicht. Unerheblich ist auch die Einbauhöhe des Gaszählers, auf die Bildung von Höhenzonen kann verzichtet werden bzw. es können alle EGZ der gleichen Höhenzone zugeordnet werden. Gaszusammensetzung Dank der thermischen Messmethode, die abhängig von der zu messenden Gasart ist, kann der Gaszähler zwischen Erdgas und Luft unterscheiden. Für Erdgas des Typs H und L sind jeweils verschiedene Modelle erhältlich, eine Zertifizierung existiert bereits für beide Varianten. Zu einem späteren Zeitpunkt wird es auch einen EGZ-G4 für Propan- oder Butanmessungen geben. Zukunftsvision Denkbar ist ebenfalls, die neuen Gaszähler unmittelbar für die bezogene Energie (kwh) zu kalibrieren (Abb. 13), auch dies ist gemäß PTB ein gangbarer Weg, bedingt jedoch einen Paradigmenwechsel der heute bestehenden Volumenmessung in die Richtung der Energiemessung. Ob und wann solche Lösungen die heutige Abrechnung über die Hilfsgröße des Volumens ablösen werden, muss die Zukunft zeigen. Zusammenfassung und Ausblick Der elektronische Zähler der EMS PATVAG AG erfüllt die hohen Erwartungen der Energieversorger an ihre zukünftigen Smart-Metering-Komponenten. In der Schweiz laufen seit sieben Jahren Feldtests im Erdgasabrechnungsbereich die Resultate sind sehr gut: keine Falschmessungen oder Ausfälle und keine Degradation der Sensorik. Praktisch alle großen Energieversorger in Europa führen derzeit Pilotversuche mit dem EGZ-G4 durch. Aber auch kleinere Unternehmen und Stadtwerke zeigen großes Interesse, sich für die anstehenden Veränderungen auf dem Markt vorzubereiten. Literatur: [1] Stat. Bundesamt, Stat. Landesamt und Ruhrgas: Heizenergie: Erdgas ist unangefochten die Nr. 1. In: GWF Gas Erdgas (2002) Nr. 9, S [2] F. Mayer, G. Salis, J. Funk, O. Paul und H. Baltes: Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Microsensors: Experiment and Simulation.- In: Proceeding IEEE Micro Electro Mechanical Systems, (IEEE San Diego, 1996) Nr. 9, S [3] W. Bohl: Technische Strömungslehre. 8. Aufl., Würzburg [4] F. Kneubühl: Repetitorium der Physik. 2. Aufl., Stuttgart [5] tm, Technisches Messen, 3/2004 Abb. 13: Kalibrier-Rack der EMS PATVAG AG in Domat/Ems: Bis zu 24 Geräte können gleichzeitig kalibriert werden. Kontakt: Dipl.-Ing. Robert Braun EMS-PATVAG AG Reichenauerstraße CH-7013 Domat/Ems Tel.: +41 (0) Fax: robert.braun@emspatvag.com Internet: 32