Technologie
Ultraschall-Messtechnik für Wasser und Wärme
Was im Messrohr eines H2O und eines DELTA III passiert, warum dabei keine Teile verschleissen und wie aus Durchfluss und Temperaturen Energie wird.
Durchflussmessung
Wie misst Ultraschall den Durchfluss?
Im Messrohr sitzen zwei Ultraschallwandler. Sie senden abwechselnd kurze Schallimpulse, einmal mit der Strömung, einmal dagegen. Über Reflektoren läuft der Schall eine definierte Strecke durch das Wasser. Helvatron verwendet selbstreinigende Reflektoren (Self-Cleaning), damit die Schallstrecke frei bleibt.
Mit der Strömung kommt der Impuls ein wenig früher an als gegen die Strömung. Die Differenz der beiden Laufzeiten ist proportional zur mittleren Fliessgeschwindigkeit. Multipliziert man sie mit dem Querschnitt des Messrohrs, erhält man den Volumenstrom; über die Zeit aufsummiert ergibt sich das Volumen.
Die Laufzeitdifferenzen liegen im Bereich von Nanosekunden. Entscheidend sind deshalb eine stabile Messstrecke und eine präzise Zeitmessung in der Elektronik.
Mehrere Messkanäle bei grossen Durchmessern
Bei grossen Durchmessern ist das Strömungsprofil weniger gleichmässig. Der DELTA III misst deshalb ab DN50 mit zwei und ab DN350 mit vier Ultraschallkanälen.
Wärmeenergie
Wie wird aus Durchfluss und Temperaturen Wärmeenergie?
Ein Wärmezähler besteht aus einem Durchflusssensor, einem Temperaturfühlerpaar und einem Rechenwerk. Die Fühler messen die Temperatur im Vorlauf und im Rücklauf. Das Rechenwerk bildet die Differenz Δθ und multipliziert sie mit dem Volumen und einem Wärmekoeffizienten k.
Der Wärmekoeffizient berücksichtigt, dass Dichte und spezifische Wärmekapazität des Wassers von der Temperatur abhängen. Die Werte dafür legt die Norm EN 1434 fest. Deshalb muss das Rechenwerk auch wissen, ob der Durchflusssensor im Vorlauf oder im Rücklauf eingebaut ist.
Heizen und Kühlen
Ist der Vorlauf wärmer als der Rücklauf, gibt die Anlage Wärme ab. In einer Kälteanlage ist es umgekehrt. Der DELTA III erkennt das Vorzeichen der Temperaturdifferenz und zählt Wärme und Kälte in getrennten Registern. So lassen sich auch Anlagen sauber abrechnen, die im Sommer kühlen und im Winter heizen.
Warum die Fühler so wichtig sind
Bei kleinen Temperaturdifferenzen, wie sie in Kälteanlagen typisch sind, wirkt sich schon ein Messfehler von wenigen Hundertstel Kelvin stark auf die Energie aus. Wärmezähler nach EN 1434 arbeiten deshalb mit gepaarten Fühlern, deren Kennlinien zueinander passen. Für den DELTA III gibt es Pt500, Pt1000 oder Pt100; wir empfehlen Pt1000.
Q = ∫ V̇ · k(θV, θR) · (θV − θR) dt
- Q
- Wärme- oder Kälteenergie, z. B. in kWh, MWh, GJ
- V̇
- Volumenstrom aus der Ultraschallmessung
- k
- Wärmekoeffizient nach EN 1434, abhängig von den Temperaturen
- θV, θR
- Vorlauf- und Rücklauftemperatur, Δθ ihre Differenz
Ein Rechenbeispiel steht in der Animation zum DELTA III.
Vorteile
Was bringt Ultraschall gegenüber mechanischen Zählern?
Keine beweglichen Teile
Im Durchflusssensor dreht sich nichts. Es gibt kein Flügelrad, das verschleisst oder bei kleinen Durchflüssen stehen bleibt.
Grosser Messbereich
Der H2O erreicht in der Flanschausführung Q3/Q1 bis R800, der DELTA III qp/qi bis R250. Auch Kleinstmengen werden noch erfasst.
Einbau ohne Beruhigungsstrecke
Bei H2O und DELTA III von DN15 bis DN40.
Diagnose im Gerät
Der Zähler meldet Luft im Rohr, Leckagen, eine falsche Durchflussrichtung und Fühlerfehler über die Schnittstelle.
Selbstreinigende Reflektoren
H2O und DELTA III arbeiten mit selbstreinigenden Reflektoren (Self-Cleaning). Beim DELTA III sind sie metallisch.
Digitale Werte
Interner Datenspeicher, Fehlercodes und Kommunikationsschnittstelle machen den Zähler zum Datenpunkt der Gebäudetechnik.
Schnittstellen
Physikalische Schnittstelle, Protokoll, Funktechnik
Drei Begriffe, die oft vermischt werden. Für die Planung lohnt es sich, sie auseinanderzuhalten.
- M-Bus
- Bussystem nach EN 13757 mit eigener physikalischer Schicht (Zweidrahtleitung, Speisung durch den Master) und eigenem Protokoll.
- RS-485
- Nur die physikalische Schnittstelle: differenzielle Übertragung auf einem verdrillten Adernpaar. Welche Daten fliessen, bestimmt das Protokoll.
- Modbus RTU
- Das Protokoll, das Helvatron-Zähler über RS-485 sprechen: Der Master fragt, der Slave antwortet.
- LoRa
- Funk im 868-MHz-Band, mit Geräten, Gateways, Network Server und Anwendung.
- NB-IoT
- Mobilfunkstandard im lizenzierten Band. Die Zähler senden über das Netz eines Betreibers, ohne eigene Gateways.