DWA- Regelwerk Merkblatt DWA-M 256-6 Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 6: Messeinrichtungen zur Bestimmung des Füll- und Grenzstandes Juni 2014 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.
DWA- Regelwerk Merkblatt DWA-M 256-6 Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 6: Messeinrichtungen zur Bestimmung des Füll- und Grenzstandes Juni 2014 Herausgabe und Vertrieb: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee 17 53773 Hennef Deutschland Tel.: +49 2242 872-333 Fax: +49 2242 872-100 E-Mail: info@dwa.de Internet: www.dwa.de
Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) setzt sich intensiv für die Entwicklung einer sicheren und nachhaltigen Wasser- und Abfallwirtschaft ein. Als politisch und wirtschaftlich unabhängige Organisation arbeitet sie fachlich auf den Gebieten Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall und Bodenschutz. In Europa ist die DWA die mitgliederstärkste Vereinigung auf diesem Gebiet und nimmt durch ihre fachliche Kompetenz bezüglich Regelsetzung, Bildung und Information sowohl der Fachleute als auch der Öffentlichkeit eine besondere Stellung ein. Die rund 14 000 Mitglieder repräsentieren die Fachleute und Führungskräfte aus Kommunen, Hochschulen, Ingenieurbüros, Behörden und Unternehmen. Impressum Herausgeber und Vertrieb: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee 17 53773 Hennef, Deutschland Tel.: Fax: E-Mail: Internet: +49 2242 872-333 +49 2242 872-100 info@dwa.de www.dwa.de Satz: DWA Druck: Druckhaus Köthen GmbH & Co KG ISBN: 978-3-944328-56-0 Gedruckt auf 100 % Recyclingpapier DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef 2014 Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Merkblattes darf ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers in irgendeiner Form durch Fotokopie, Digitalisierung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen werden. 2 Juni 2014 DWA-Regelwerk
Vorwort Einrichtungen zur Messung des Füll- und Grenzstandes sind auf Kläranlagen aus verfahrens- und betriebstechnischen Gründen installiert. Grundsätzlich werden Füllstandmesseinrichtungen eingesetzt, um Pegelstände von flüssigen oder festen Medien kontinuierlich zu bestimmen. Grenzstandmesseinrichtungen überwachen Füll- und Schütthöhen als statische Grenzwerte. Füll- und Grenzstandmessungen liefern damit wichtige Prozessinformationen, die zur Überwachung, Steuerung und Regelung von Verfahrensschritten genutzt werden können, und deren Kenntnis auch aus Gründen der Betriebssicherheit notwendig sind. Die Einsatzzwecke und die Einsatzorte auf Kläranlagen sowie die zu berücksichtigenden Gegebenheiten am Messort können sehr unterschiedlich sein. Bei der Auswahl des geeigneten Messverfahrens müssen auch die Eigenschaften des Füllgutes, die Beschaffenheit des Behälters sowie spezielle betriebliche Anforderungen, wie Messungen in explosionsgefährdeten Bereichen, berücksichtigt werden. Diese Vielfalt prägt das Bild der am Markt befindlichen Geräte zur Füll- und Grenzstandmessung. So steht für alle Einsatzzwecke eine Vielzahl von Messgeräten mit verschiedenen Messverfahren für flüssige und feste Medien in unterschiedlichen Ausführungsformen zur Verfügung, die den zahlreichen applikativen Anforderungen Rechnung trägt. Umso wichtiger ist es, aus der Vielzahl der Messgeräte die richtige Wahl für eine Messaufgabe zu treffen. Das vorliegende Merkblatt soll die Bandbreite der verfügbaren Technologien ausführlich darstellen sowie dem Planer und Anwender eine Hilfestellung für die richtige Instrumentierung der Abwasserreinigungsanlage mit Füll- und Grenzstandmessgeräten liefern. Darüber hinaus werden diese Technologien auch zur Messung des Wasserstandes in Entwässerungssystemen eingesetzt. Dieser Anwendungsbereich wird im Merkblatt DWA-M 181 abgehandelt, das sich ausführlich mit der Messung des Wasserstandes und Durchflusses in Entwässerungssystemen beschäftigt. Ferner sei auf die VDI/VDE-Richtlinie 3519 hingewiesen, die die Füllstandmessung von Flüssigkeiten und Feststoffen (Schüttgütern) für die breite industrielle Anwendung beschreibt. Der Einsatz der in den Teilen 1 bis 8 beschriebenen Prozessmessgeräte hat naturgemäß einen finanziellen Aufwand zur Folge, was sich sowohl auf die Investition als auch auf den Betrieb bezieht. Mithilfe der in Teil 1 des Merkblattes vorgelegten Übersicht über sinnvolle Messorte und Messgrößen ist ein effizienter Einsatz von Prozessmesstechnik möglich. Darüber hinaus ist die zunehmende Verbreitung von Messgeräten mit digitaler Technik eine Voraussetzung zu einer Minimierung des Aufwandes für die erforderlichen Messungen. Richtig eingesetzt, ist der mögliche Nutzen der Prozessmessgeräte in Bezug auf Kosten als auch auf die Qualität der Abwasserreinigung deutlich höher als der damit verbundene Aufwand (vgl. Merkblatt DWA-M 256-1: Unterabschnitt 3.3). Frühere Ausgaben Merkblatt ATV-DVWK-M 256-6 (02/2001) DWA-Regelwerk Juni 2014 3
Verfasser Das Merkblatt wurde von der DWA-Arbeitsgruppe KA-13.3 Betriebsmesseinrichtungen auf Kläranlagen im DWA- Fachausschuss KA-13 Automatisierung von Kläranlagen erstellt, der folgende Mitglieder angehören: GAHR, Achim HONOLD, Frank KELLER, Steffen OBENAUS, Frank REICHERT, Joachim WORRINGEN, Werner Dr. rer. nat., Gerlingen Dr. rer. nat., Weilheim Dipl.-Ing., Berlin Dr.-Ing., Essen Dr.-Ing., Berlin (Sprecher) Dipl.-Phys.-Ing., Ratingen Als Gäste haben mitgewirkt: FRANKE, Ulrich LENZ, Volker ROHN, Moritz SKOWAISA, Jürgen Dr. rer. nat., Weilheim Dipl.-Ing., Duisburg M. Sc. Wirtsch.-Ing., Weil am Rhein Dipl.-Ing. (FH), Schiltach Mitglieder des DWA-Fachausschusses ARNOLD, Jan-Dirk BAUMANN, Peter BLÖHM, Ulrich HANSEN, Joachim HARTWIG, Peter JUMAR, Ulrich OBENAUS, Frank REICHERT, Joachim WORRINGEN, Werner Dipl.-Ing., Bergisch Gladbach Dr.-Ing., Pforzheim Dipl.-Ing., Berlin Prof. Dr.-Ing., Luxemburg Dr.-Ing., Hannover Prof. Dr.-Ing., Magdeburg Dr.-Ing., Essen (Obmann) Dr.-Ing., Berlin Dipl.-Phys.-Ing., Ratingen Als Gäste haben mitgewirkt: GAHR, Achim PACHALY, Uta SCHEIERMANN, Thomas THÖLE, Dieter Dipl.-Ing., Berlin Dipl.-Ing., Essen Dr.-Ing., Essen Projektbetreuerin in der DWA-Bundesgeschäftsstelle: BUDEWIG, Stefanie Dr. agr., Hennef Abteilung Wasser- und Abfallwirtschaft 4 Juni 2014 DWA-Regelwerk
Inhalt Vorwort... 3 Verfasser... 4 Bilderverzeichnis... 6 Tabellenverzeichnis... 6 Benutzerhinweis... 7 1 Anwendungsbereich... 7 1.1 Vorbemerkungen... 7 1.2 Zielsetzung... 7 1.3 Geltungsbereich... 8 2 Begriffe... 8 2.1 Kurzzeichen... 8 2.2 Definitionen... 8 3 Messgröße... 9 4 Messverfahren... 10 4.1 Messverfahren in der Übersicht... 10 4.2 Ultraschallbasierte Füllstandmessung... 10 4.2.1 Grundlagen und Aufbau... 10 4.2.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 11 4.3 Radarbasierte Füllstandmessung (ohne Berührung des Mediums)... 12 4.3.1 Grundlagen und Aufbau... 12 4.3.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 14 4.4 Geführte Mikrowelle (Medien berührende Messung mit Radar)... 14 4.4.1 Grundlagen und Aufbau... 14 4.4.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 15 4.5 Hydrostatische Füllstandmessung... 15 4.5.1 Grundlagen und Aufbau... 15 4.5.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 17 4.6 Grenzstanddetektion über Vibrationsmessung... 18 4.6.1 Grundlagen und Aufbau... 18 4.6.2 Vor- und Nachteile und Anwendungshinweise... 18 4.7 Konduktive Grenzstanddetektion... 18 4.7.1 Grundlagen und Aufbau... 18 4.7.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 19 4.8 Kapazitive Grenzstanddetektion... 19 4.8.1 Grundlagen und Aufbau... 19 4.8.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 20 4.9 Schwimmschalter zur Grenzstanddetektion... 20 4.9.1 Grundlagen und Aufbau... 20 4.9.2 Vor- und Nachteile sowie Anwendungshinweise... 20 4.10 Auswahl des Messverfahrens... 21 5 Messort... 23 DWA-Regelwerk Juni 2014 5
6 Anforderungen... 25 6.1 Hinweise... 25 6.2 Technische Merkmale... 25 6.3 Betriebsverhalten... 27 6.4 Einsatzbedingungen... 27 6.5 Handhabung... 27 6.6 Instandhaltung... 27 6.7 Service... 28 7 Betrieb... 28 7.1 Allgemeines... 28 7.2 Instandhaltung... 28 7.2.1 Inspektion (inkl. Justierung/Kalibrierung)... 28 7.2.2 Wartung... 28 7.2.3 Instandsetzung... 28 7.3 Explosionsschutz... 29 Quellen und Literaturhinweise... 29 Bilderverzeichnis Bild 1: Funktionsprinzip der Laufzeitmessung mit Ultraschall... 10 Bild 2: Schematische Darstellung der Schallkeule von Ultraschallgeräten... 11 Bild 3: Funktionsprinzip der Messung mit Radar... 12 Bild 4: Zusammenhang zwischen der Antennengröße (ausgedrückt als Antennendurchmesser D) und dem Abstrahlwinkel... 13 Bild 5: Funktionsprinzip der Messung mit geführter Mikrowelle... 15 Bild 6: Funktionsprinzip der Relativdruckmessung... 16 Bild 7: Funktionsprinzip der Differenzdruckmessung... 17 Bild 8: Funktionsprinzip der Grenzstanddetektion durch Vibration... 18 Bild 9: Funktionsprinzip der konduktiven Grenzstanddetektion am Beispiel einer Zweistabsonde... 19 Bild 10: Funktionsprinzip der kapazitiven Grenzstanddetektion für unterschiedliche Einbauvarianten... 19 Bild 11: Funktionsprinzip eines Schwimmschalters... 20 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht der Verfahren zur Messung des Füll- und Grenzstandes in Flüssigkeiten... 10 Tabelle 2: Vergleich der Messverfahren zur Füll- und Grenzstandmessung anhand von Kriterien, die ausgewählte Anwendungsbedingungen, Gerätemerkmale und Stoffeigenschaften charakterisieren... 21 Tabelle 3: Verfahrensauswahl zur Füllstandmessung und Grenzstanddetektion für beispielhafte Messorte... 22 Tabelle 4: Messorte auf Kläranlagen und empfohlene Messverfahren zur Bestimmung des Füll- oder Grenzstandes 23 6 Juni 2014 DWA-Regelwerk
Benutzerhinweis Dieses Merkblatt ist das Ergebnis ehrenamtlicher, technisch-wissenschaftlicher/wirtschaftlicher Gemeinschaftsarbeit, das nach den hierfür geltenden Grundsätzen (Satzung, Geschäftsordnung der DWA und dem Arbeitsblatt DWA-A 400) zustande gekommen ist. Für dieses besteht nach der Rechtsprechung eine tatsächliche Vermutung, dass es inhaltlich und fachlich richtig ist. Jedermann steht die Anwendung des Merkblattes frei. Eine Pflicht zur Anwendung kann sich aber aus Rechts- oder Verwaltungsvorschriften, Vertrag oder sonstigem Rechtsgrund ergeben. Dieses Merkblatt ist eine wichtige, jedoch nicht die einzige Erkenntnisquelle für fachgerechte Lösungen. Durch seine Anwendung entzieht sich niemand der Verantwortung für eigenes Handeln oder für die richtige Anwendung im konkreten Fall; dies gilt insbesondere für den sachgerechten Umgang mit den im Merkblatt aufgezeigten Spielräumen. 1 Anwendungsbereich 1.1 Vorbemerkungen Die Kenntnis des Füllstandes spielt auf Kläranlagen in den verschiedenen Teilprozessen der Abwasserreinigung, der Schlammbehandlung sowie in der Bewirtschaftung von Speichertanks und Bevorratungsbehältern eine sehr wichtige Rolle. Bei der Messung des Füllstandes handelt es sich um die kontinuierliche Erfassung der Standhöhe eines Mediums. Neben der Messung der Füllhöhe kann bei Kenntnis der Behältergeometrie auch das Füllvolumen bestimmt werden. Ferner wird die Füllstandmessung durchgeführt, um z. B. Pegelstände zu überwachen, die verfahrensbedingt schwanken können und daher häufig kontinuierlich erfasst werden müssen. Darüber hinaus berücksichtigt das Merkblatt auch die Grenzstanddetektion. Mithilfe von Grenzwertgebern (Grenzwertschaltern) wird festgestellt, ob eine festgelegte Füllhöhe erreicht, über- oder unterschritten ist. Diese Prozessinformationen werden beispielsweise für den Überlauf- und Trockenlaufschutz oder für Min-/Max- Steuerungen genutzt. Die Überwachung des Füll- und Grenzstandes auf Kläranlagen z. B. in Gerinnen, Becken, Behältern und Saugräumen kann einen wichtigen Beitrag zur Betriebssicherheit leisten, wie die Grenzstanddetektion für Pumpensteuerungen oder Überfüllsicherungen. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Einsatz von Füllund Grenzstandmesseinrichtungen in explosionsgefährdeten Bereichen gewidmet werden. Anwendungen finden sich hauptsächlich im Einlaufbereich der Kläranlage, z. B. in Pumpensümpfen und Stauräumen sowie im Bereich der Schlammbehandlung. Für das optimale Zusammenwirken von Prozessschritten ist die Überwachung und Regelung des Füllstandes aus verfahrenstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten häufig sinnvoll. Bei der Bewirtschaftung von Behältern kommen Füll- und Grenzstandmessgeräte zum Einsatz, um den Verbrauch von Betriebsmitteln zuverlässig zu überwachen und durch Einbindung in Steuer- und Regelkonzepte den Einsatz von Betriebsmitteln zu optimieren. Die typischen Messorte und Anwendungen, die eine Bestimmung des Füll- oder Grenzstandes erfordern, sind in Merkblatt DWA-M 256-1 genannt. Hierzu zählen z. B. Hebewerke (Zulauf-, Zwischen- und Ablaufhebewerk), Pumpstationen, Filtrationsstufen (Bestimmung der Überstauhöhe), Eindicker und Faulbehälter sowie Prozesswasserspeicher. 1.2 Zielsetzung Das Merkblatt soll Planern und Betreibern eine Hilfe bei der Auswahl von Messeinrichtungen zur Bestimmung des Füll- und Grenzstandes unter Berücksichtigung der speziellen Gegebenheiten auf kommunalen oder industriellen Kläranlagen geben. Es enthält Anforderungen an die Geräte sowie Beschreibungen der Messprinzipien und die daraus resultierenden spezifischen Eigenschaften. Weiterhin werden Hinweise zur Wahl eines geeigneten Messortes, zur Installation und zum Betrieb gegeben. DWA-Regelwerk Juni 2014 7