Weiterbildungskurse 2013 www.brunnenmeister.ch Messtechnik von Hauswasserzählern Von: Peter Bruggmann Country Manager Kamstrup A/S Schweiz Industriestrasse 47 8152 Glattbrugg www.kamstrup.ch pbr@kamstrup.ch Veranstaltungsort: 1
Messtechnik von Hauswasserzählern Peter Bruggmann, Kamstrup A/S Schweiz 1. Einleitung Wasserzähler sind Messgeräte, die das Volumen der durchgeflossenen Wassermenge anzeigen. Häufig werden sie unzutreffend als Wasseruhren bezeichnet. Meist werden die Wasserzähler für die Verrechnung vom Wasserversorgungsunternehmen zum Verbraucher eingesetzt. Während der Industrialisierung zu Beginn der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erhielten auch die ersten Privathäuser eigene Wasseranschlüsse. Carl Siemens entwickelte 1851 in England einen ersten Wasserzähler, der im Gegensatz zu früheren Konstruktionen, die verbrauchte Wassermenge direkt anzeigte. In der Zuleitung war ein Flügelrad eingesetzt und ein Zahnradgetriebe übertrug die Zahl der Umläufe auf ein Zählwerk. Das Gerät wurde ein großer Erfolg und wurde ab 1858 auch in Europa verkauft. Abbildung: Antike Wasserzähler Bis anhin sind die Kaltwasserzähler, welche heute noch meist mechanische Mehrstrahl-Flügelradzähler sind, in der Schweiz (noch) nicht dem Eichrecht unterstellt und es gibt immer noch Wasserversorgungsunternehmen welche keine Zähler installiert haben. Da das Wasser in der Schweiz recht kostengünstig verfügbar ist, wurde dem nicht in allen Gemeinden Rechnung getragen. Leider steigen die Abwasserkosten stetig, somit wird eine genaue Wassermessung immer wichtiger um die Kosten verursachergerecht zu verrechnen. Dies wird sich im Hinblick bezüglich der Energiewende noch verstärken, da vermehrt Smart Meters (Stromzähler) gefragt sind. Diese werden demzufolge auch die Wasserzählerdaten an eine Zentrale übermitteln können um die Abrechnung einfach durchzuführen. Da sich auch die Messtechnik stetig weiterentwickelt hat, sind nun verschiedene Messtechniken für Kaltwasserzähler auf dem Markt verfügbar. Die neuen Generationen von Wasserzählern haben, nebst den neuesten Messtechniken, meist auch die Möglichkeit die Zähler drahtlos oder drahtgebunden aus der Ferne abzulesen. Folgende verschiedenen Messprinzipien werden vorgestellt: Wasserzähler mit mechanischem Flügelrad Wasserzähler mit Ultraschall-Messtechnik Wasserzähler mit magnetisch-induktivem Messprinzip 2
1.1. Mechanische Wasserzähler Zur Messung kleiner bis mittlerer Wassermengen für Nenndurchflüsse bis 15 m³/h werden Flügelrad-Durchflussmesser verwendet. Hier erfolgt die Unterscheidung hinsichtlich der Messprinzipien Einstrahl und Mehrstrahl. In der Schweiz werden meist die qualitativ besseren Mehrstrahlzähler verwendet. Bei den Hauswasserzählern handelt es sich in der Regel um Mehrstrahlzähler, die Anströmung des Flügelrads erfolgt symmetrisch von der Mantelfläche der Messkammer aus. Dadurch wirkt die Wassermenge gleichmäßig auf das Flügelrad, wodurch eine erhöhte Messstabilität sowie Messgenauigkeit gewährleistet wird. Die Anzeige erfolgt durch Zahlenrollen sowie (für die niedrigwertigen Ziffern) auch durch kleine Zeiger mit einer dezimalen Skala. Nach Vorschrift muss der Messwert in Kubikmeter angezeigt werden (schwarze Ziffern), die Bruchteile eines Kubikmeters werden durch rote Ziffern oder Zeiger angezeigt. Abbildung: Mechanischer Wasserzähler im Querschnitt Mechanische Wasserzähler sind in der Schweiz am häufigsten anzutreffen. Sie haben sich über die letzten rund 150 Jahre laufend im Markt verbreitet. Sie sind mittlerweile auch technisch verbessert worden und verfügen heutzutage meist auch über verschiedene Kommunikationsmodule, die nachträglich am Zähler angebracht werden können. Wichtig ist, dass keine Partikel ins Flügelrad gelangen können, da sonst mechanische Schäden auftreten können. In der Vergangenheit wurden die Gusskörper, welche sehr massiv ausgelegt sind, aufgearbeitet und neu kalibriert. Ob sich dieser Aufwand in Zukunft noch lohnen wird ist zu betrachten. Abbildung: Klassische mechanische Wasserzähler 3
1.2. Ultraschall Wasserzähler Kaltwasserzähler mit der Ultraschall-Technik sind noch nicht so lange am Markt anzutreffen, da sie bis anhin zu teuer in der Herstellung gegenüber den mechanischen Wasserzählern waren. Dies hat sich jedoch geändert und es sind schon mehrere Anbieter anzutreffen welche solche Kaltwasserzäher anbieten. Das Messprinzip selbst wird jedoch schon über 20 Jahre für die Wärme- und Kältezähler eingesetzt und ist eine erprobte sichere Technologie. Ultraschall-Durchflussmesser messen die Geschwindigkeit des strömenden Wassers mit Hilfe akustischer Wellen. Die Durchfluss-Messeinrichtung besteht aus zwei Teilen: dem eigentlichen Messaufnehmer (Ultraschallsensor) sowie einem Auswerte- und Speiseteil (Transmitter oder Messumformer). Vereinfacht dargestellt: zwei Boote, die einen Fluss auf derselben Linie diagonal durchqueren, der eine in Strömungsrichtung und der andere entgegengesetzt. Das Boot welches sich in Strömungsrichtung bewegt benötigt eine wesentlich kürzere Zeit um das gegenüberliegende Ufer zu erreichen. Genauso verhalten sich die Ultraschallwellen. Eine Schallwelle breitet sich in Fließrichtung des Messmediums schneller aus als die Schallwelle in entgegengesetzter Richtung. Die akustische Durchflussmessung bietet einige Vorzüge gegenüber anderen Messverfahren. Die Messung ist weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der verwendeten Medien. Das Fehlen bewegter, mechanischer Teile verringert den Wartungsaufwand und ein Druckverlust durch Querschnitts-Verengung entsteht nicht. Ein großer Messbereich zählt zu den weiteren positiven Eigenschaften dieses Verfahrens. Für die Strömungsmessung mittels Ultraschall kommt meist das Differenz-Laufzeit-Verfahren zum Einsatz. Die Ultraschall Kaltwasserzähler können in jeder beliebigen Lage eingebaut werden und sind über die gesamte Lebensdauer von rund 16 Jahren sehr messgenau. Abbildung: Ultraschall Messprinzip Die Ultraschall-Kaltwasserzähler haben meist die Kommunikation (Wireless M-Bus Funk) schon im Zähler integriert, sind somit zukunftssicher und für die Fernablesung bereit. Ebenfalls verfügen sie über Lecküberwachung, Trockenlaufmeldung, Rückwärtszählung, Manipulationsschutz und andere zusätzliche Alarmmöglichkeiten, welche die Elektronik mittlerweile ermöglicht. Die Zähler können meist auch im Brunnenschacht eingebaut werden, da sie üblicherweise IP 68 geprüft sind. Abbildung: Ultraschall Wasserzähler 4
1.3. Magnetisch-induktive Wasserzähler Kaltwasserzähler mit der magnetisch induktiven Messtechnik gibt es schon seit längerem am Markt. Bis anhin wurden diese Zähler hauptsächlich im industriellen Bereich eingesetzt, da die Anschaffungskosten für solche Zähler meist noch sehr hoch sind. Wie auch bei den Ultraschall-Zählern ist die Messung berührungslos und es werden keine beweglichen, mechanische Teile benötigt. Das Messprinzip dieser Durchflussmesser nutzt die Trennung bewegter Ladungen in einem Magnetfeld. Durch ein Rohr, aus nichtmagnetischem Werkstoff, das innen eine elektrisch isolierende Auskleidung hat, strömt die zu messende, leitfähige Flüssigkeit. Von außen wird mittels Spulen ein senkrecht zur Flussrichtung orientiertes Magnetfeld aufgebracht. Die in der leitfähigen Flüssigkeit vorhandenen Ladungsträger, Ionen oder geladene Teilchen, werden durch das Magnetfeld abgelenkt. Die positiven Ladungsträger zum Beispiel nach links, die negativen nach rechts. An den senkrecht zum Magnetfeld angeordneten Messelektroden entsteht durch die Ladungstrennung eine Spannung, die mit einem Messgerät (Auswertegerät) erfasst wird. Die Höhe der gemessenen Spannung ist proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Ladungsträger, d.h. zu deren Fließgeschwindigkeit. Dieses Messprinzip funktioniert ähnlich wie ein Velodynamo. Durch Bewegung wird eine Spannung induziert und für die Durchflussberechnung verwendet. Abbildung: Magnetisch-induktives Messprinzip Die Vorzüge dieser Wasserzähler liegen auch in der berührungslosen Messung, da keine mechanischen Verschleissteile vorhanden sind. Sie können ebenfalls mit verschiedenen Kommunikationsmodulen ausgerüstet werden um die Werte mittels Fernablesung zu erfassen. Abbildung: Magnetisch-induktive Wasserzähler 5