Technologie

Ultrasone bemetering voor water en warmte

Wat er gebeurt in de meetbuis van een ultrasone watermeter H2O en een warmtemeter DELTA III, waarom er geen onderdelen slijten en hoe debiet en temperaturen worden omgerekend naar energie.

Debietmeting

Hoe meet ultrageluid het debiet?

In de meetbuis zitten twee ultrasone transducers. Ze zenden om beurten korte geluidspulsen uit, eerst met de stroming mee en daarna ertegenin. Reflectoren leiden het geluid langs een vastgelegd pad door het water. Helvatron gebruikt zelfreinigende reflectoren, zodat het geluidspad vrij blijft.

Een puls die met de stroming meegaat, komt iets eerder aan dan een puls die ertegenin gaat. Het verschil tussen beide looptijden is evenredig met de gemiddelde stroomsnelheid. Vermenigvuldigd met de doorsnede van de meetbuis levert dat het volumedebiet op; opgeteld over de tijd het volume.

De looptijdverschillen liggen in het bereik van nanoseconden. Een stabiel meettraject en een nauwkeurige tijdmeting in de elektronica zijn daarom essentieel.

Meerdere meetkanalen bij grote diameters

Bij grote diameters is het stromingsprofiel minder gelijkmatig. De DELTA III gebruikt daarom vanaf DN50 twee ultrasone kanalen en vanaf DN350 vier.

AB Stroming v t₁ (A → B) < t₂ (B → A) v ∝ (t₂ − t₁) / (t₁ · t₂)
Vereenvoudigd schema van de looptijdmethode

Thermische energie

Hoe worden debiet en temperaturen thermische energie?

Een warmtemeter bestaat uit een flowsensor, een temperatuurvoelerpaar en een rekenwerk. De voelers meten de temperatuur in de aanvoer en de retour. Het rekenwerk bepaalt het verschil Δθ en vermenigvuldigt dit met het volume en een warmtecoëfficiënt k.

De warmtecoëfficiënt houdt er rekening mee dat de dichtheid en de soortelijke warmtecapaciteit van water veranderen met de temperatuur. De waarden zijn vastgelegd in de norm EN 1434. Daarom moet het rekenwerk ook weten of de flowsensor in de aanvoer of in de retour is ingebouwd.

Verwarmen en koelen

Is de aanvoer warmer dan de retour, dan geeft de installatie warmte af. Bij een koudwaterinstallatie is het andersom. De DELTA III herkent het teken van het temperatuurverschil en telt warmte en koude in aparte registers. Zo is een correcte afrekening mogelijk, ook bij installaties die in de zomer koelen en in de winter verwarmen.

Waarom de voelers zo belangrijk zijn

Bij kleine temperatuurverschillen, zoals gebruikelijk bij gekoeld water, heeft een meetfout van enkele honderdsten kelvin een grote invloed op de berekende energie. Warmtemeters volgens EN 1434 gebruiken daarom gepaarde voelers met op elkaar afgestemde karakteristieken. De DELTA III werkt met Pt500, Pt1000 of Pt100; wij adviseren Pt1000.

Q = ∫ V̇ · k(θF, θR) · (θF − θR) dt

Q
Warmte- of koude-energie, bijv. in kWh, MWh, GJ
V̇
Volumedebiet uit de ultrasone meting
k
Warmtecoëfficiënt volgens EN 1434, afhankelijk van de temperaturen
θF, θR
Aanvoer- en retourtemperatuur, Δθ het verschil daartussen

Een uitgewerkt rekenvoorbeeld ziet u in de animatie van de DELTA III.

Voordelen

Wat zijn de voordelen van ultrasone meters ten opzichte van mechanische meters?

Geen bewegende delen

In de flowsensor draait niets. Er is geen schoepenwiel dat kan slijten of bij lage debieten stil kan blijven staan.

Groot meetbereik

De H2O haalt in flensuitvoering Q3/Q1 tot R800, de DELTA III qp/qi tot R250. Zo worden ook zeer kleine debieten geregistreerd.

Inbouw zonder rechte in- en uitlooplengtes

H2O en DELTA III van DN15 tot DN40.

Diagnose in het apparaat

Lucht in de leiding, lekkages, verkeerde stromingsrichting, voelerfouten: de meter meldt ze via zijn interface.

Zelfreinigende reflectoren

De H2O en de DELTA III werken allebei met zelfreinigende reflectoren. In de DELTA III zijn ze van metaal.

Digitale waarden

Een interne datalogger, foutcodes en een communicatie-interface maken van de meter een datapunt in de gebouwinstallaties.

Interfaces

Fysieke interface, protocol, radiotechniek

Drie begrippen die vaak door elkaar worden gehaald. Bij het ontwerp loont het om ze goed te onderscheiden.

M-Bus
Bussysteem volgens EN 13757 met een eigen fysieke laag (tweedraadsleiding, gevoed door de master) en een eigen protocol.
RS-485
Alleen de fysieke interface: differentiële overdracht over een getwist aderpaar. Het protocol bepaalt welke gegevens worden overgedragen.
Modbus RTU
Het protocol dat Helvatron-meters via RS-485 gebruiken: de master vraagt, de slave antwoordt.
LoRa
Radio in de 868 MHz-band, met apparaten, gateways, een netwerkserver en de applicatie.
NB-IoT
Mobielnetwerkstandaard in gelicentieerde banden. De meters zenden via het netwerk van een provider, zonder eigen gateways.