E
NTWICKLUNG EINES
V
ERFAHRENS ZUR
G
ENERIERUNG
REALITÄTSNAHER
A
BLAGERUNGEN IN
D
URCHFLUSS
-SENSOREN VON
W
ÄRMEMENGENZÄHLERN
Von
Dipl.-Ing. Daniel do Nascimento Rodrigues
aus Berlin
Von der Fakultät III – Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grads
Doktor der Ingenieurwissenschaften
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
P r o m o t i o n s a u s c h u s s :
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. habil. Rudibert King
Berichter: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume
Berichter: Prof. Dr. phil. Dr. techn. Franz Adunka
Berichter: Dr. rer. nat. Thomas Lederer
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 23. August 2012
Berlin 2013
D 83
Die vorliegende Arbeit entstand hauptsächlich während meiner Tätigkeit an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) als wissenschaftlicher Angestellter am F a c h b e r e i c h 7 . 5 : W ä r m e u n d V a k u u m im Rahmen einer Kooperation mit den Firmen Hydrometer GmbH aus Ansbach, Landis + Gyr GmbH aus Nürnberg und Sensus Metering Systems GmbH aus Ludwigshafen.
Für die Unterstützung beim Anfertigen dieser Dissertation bin ich einer Vielzahl von Perso-nen zu großem Dank verpflichtet: Dieser Dank richtet sich an erster Stelle an
H e r r n P r o f . D r . - I n g . M a t t h i a s K r a u m e vom Fachgebiet Verfahrenstechnik der TU Berlin, für neue Impulse und vor allem für die weiterführende Betreuung der vorliegenden Arbeit
Herrn U n i v . - P r o f . D r . p h i l . D r . t e c h n. F r a n z A d u n k a für die umfangrei-che fachliumfangrei-che Unterstützung und die langen intensiven Gespräumfangrei-che
Herrn D i r e k t o r u n d P r o f . D r . T h o m a s Lederer, Fachbereichsleiter „Wärme und Vakuum (7.5)“ bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) für das Wohlwollen und die Tatsache, dass ich diese Arbeit überhaupt durchführen durfte Bei der Firma Wärmezähler-Service GmbH bedanke ich mich bei den Herren
D i p l . - I n g . G ü n t e r L e i t g e n ,
D i p l . - P h y s . B e r n h a r d M a r k o w i t z und ihren Mitarbeitern sowie Herrn
D i p l . - I n g . R e i n e r S c h u p p v o n d e r M I D - C e r t G m b H für die Unterstüt-zung und die anregenden Diskussionen
Bei allen Beschäftigten und studentischen Hilfskräften des Fachbereichs 7.5 möchte ich mich für die langjährige Zusammenarbeit bedanken. Besonderer Dank gilt den Herren:
D r . - I n g . J ü r g e n R o s e und
D r . - I n g . N i c o l a u s M a t h i e s (nunmehr: Krohne Messtechnik GmbH),
D r . - I n g . O l i v e r B ü k e r (nunmehr: SP, Schweden) und
D i p l . - I n g . B . P e e t z für die gute fachliche Zusammenarbeit Bei der Vattenfall Europe Berlin AG bedanke ich mich bei
F r a u D i p l . - C h e m . U l r i k e S t e i n und
H e r r D r . - C h e m . B o b i e n für die Unterstützung im Bereich der der chemischen Analytik sowie bei
H e r r n D i p l . - I n g . O s w a l d R e p p e r t , für die fachliche Unterstützung
Bei der Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie (ZELMI) der TU Berlin bedanke ich mich bei
D i p l . - I n g . J ö r g N i s s e n für die Erstellung der vielen REM-Aufnahmen und EDX-Analysen
0 0 VVOORRWWOORRTT 77 1 1 EEIINNLLEEIITTUUNNGG 99 1.1 Problemstellung 9 1.2 Zielsetzung 9
1.3 Grundlegende Überlegungen zur Lösung der Aufgabenstellung 9
2
2 SSTTAANNDDDDEERRTTEECCHHNNIIKK 1111
2.1 Wärmemengenmessung in der Fernwärme 11
2.1.1 Entwicklung der Fernwärme 11
2.1.2 Wärmemengenzähler 12
2.1.3 Gesetzliches Messwesen 13
2.1.4 Messabweichungen von Wärmemengenzählern 14
2.2 Messabweichung im gesetzlichen Messwesen 15
2.2.1 Erfahrungen zum Einfluss von Ablagerungen auf die Messabweichung
von Wärmemengenzählern 16
2.2.2 Physikalische Beanspruchungen 18
2.2.3 Chemische Beanspruchungen 19
2.3 Einfluss von Ablagerungen auf unterschiedliche Messprinzipien 19
2.3.1 Mechanische Flügelradzähler 19 2.3.2 Ultraschall-Durchflusssensoren (US-DFS) 22 2.3.3 Magnetisch-induktive Durchflusssensoren 27 3 3 MMAATTEERRIIAALLUUNNDDMMEETTHHOODDEENN 2299 3.1 Vorgehensweise 29 3.2 Analyseverfahren 30 3.2.1 Optische Analyseverfahren 30 3.2.2 Chemische Analyseverfahren 31
3.3 Untersuchung von Beschichtungsverfahren 32
3.4 Arbeitsplan zur Beschichtung von Testgeräten 32
3.5 Prüfstande 42
4
4 UUNNTTEERRSSUUCCHHUUNNGGEENNVVOONNAABBLLAAGGEERRUUNNGGEENNIINNWWÄÄRRMMEEZZÄÄHHLLEERRNN 4455
4.1 Bisheriger Erkenntnisse - Stand der Technik 45
4.1.1 Optische Analysen 45
4.1.2 Chemische Analysen 46
4.2 Erkenntnisse im Rahmen der Dissertation 47
4.2.1 Optische Analysen 47
4.2.2 Chemische Analysen 54
4.2.3 Zusammenfassung der Analyseergebnisse 65
4.3 Aufbau von Ablagerungsschichten 65
4.3.1 Ablagerungsschichten auf metallischen Oberflächen 66
4.3.2 Ablagerungsschichten auf Kunststoffoberflächen 67
5 5 TTYYPPIISSIIEERRUUNNGGVVOONNAABBLLAAGGEERRUUNNGGEENN 7711 5.1 Sedimentationsablagerungen 71 5.2 Kristallisationsablagerungen 72 5.3 Chemische Reaktionsablagerungen 74 5.4 Biologische Ablagerungen 75 6 6 EEIINNFFLLÜÜSSSSEEAAUUFFDDIIEEBBIILLDDUUNNGGVVOONNAABBLLAAGGEERRUUNNGGEENN 7777 6.1 Wärmeträgermedium 77 6.2 Werkstoffkomposition 81
6.3 Betriebsparameter von Fernheizsystemen 82
6.3.1 Temperatur 82 6.3.2 Strömungsgeschwindigkeit 83 6.4 Konstruktive Gestaltung 83 7 7 GGEENNEERRIIEERRUUNNGGVVOONNAABBLLAAGGEERRUUNNGGEENNIINNWWÄÄRRMMEEZZÄÄHHLLEERRNN 8855 7.1 Allgemeines 85 7.2 Untersuchte Beschichtungsverfahren 85 7.2.1 Lackverfahren 85 7.2.2 Klebeverfahren 86
7.2.3 Untersuchung weiterer Beschichtungsverfahren 87
7.3 Suspensionsverfahren 87
8
8 UUNNTTEERRSSUUCCHHUUNNGGDDEERRIIMMLLAABBOORREERRZZEEUUGGTTEENNSSCCHHIICCHHTTEENN 9911
8.1 Untersuchung der Schichtmorphologie 91
8.2 Ermittlung der Schichtdicke 93
8.3 Ermittlung der Schichthärte 94
8.4 Schichteinfluss auf die Messbeständigkeit 95
8.4.1 Vorgehensweise bei der Messung der relativen Messabweichung 95
8.4.2 Messergebnisse: Ultraschall-Durchflusssensoren 95
8.4.3 Messergebnisse: Magnetisch-induktive Durchflusssensoren 100
9 9 VVEERRGGLLEEIICCHHDDEERR MMEESSSSEERRGGEEBBNNIISSSSEE 110011 1 100 SSCCHHLLUUSSSSFFOOLLGGEERRUUNNGGEENN 110077 10.1 Allgemeines 107 10.2 Betriebsbedingungen 108 10.3 Konstruktive Verbesserungen 110 10.4 Werkstoffe 113 10.5 Stresstests 113 10.6 Bauartenzulassungen 113
10.7 Verbesserte Vorgehensweise bei den Untersuchungen 114
10.7.1 PTB-Versuchsstand 116
10.7.2 Containerversuchsstand 116
10.7.3 Fernwärmeversuchsstand 118
10.7.5 Einsatzkäfig 120 10.7.6 Rundhalter 120 1 111 AAUUSSBBLLIICCKK 112255 1 122 ZZUUSSAAMMMMEENNFFAASSSSUUNNGG 112277 1 133 NNOOMMEENNKKLLAATTUURR 112299 1 144 LLIITTEERRAATTUURRVVEERRZZEEIICCHHNNIISS 113311 1 155 AANNHHAANNGG::VVOORRGGEEHHEENNSSWWEEIISSEEBBEEIIMMZZÄÄHHLLEERRAAUUSSBBAAUU 113333
Die Messgenauigkeit von Wärmemengenzählern kann sich durch Bildung von Ablagerungen an den benetzen Oberflächen verändern. Aus diesem Grund wurden umfangreiche Analysen an Neu- und Feldgeräten durchgeführt.
Als wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, mit der es mög-lich ist, Ablagerungen auf den benetzten Oberflächen der Durchflusssensoren (z.B. aus Me-tall, Kunststoff oder Keramik) einfach und innerhalb kurzer Zeit zu erzeugen.
Bei dieser als „Suspensionsverfahren” bezeichneten Methode wird Filtrat aus Fernwär-menetzen auf innere Oberflächen von Durchflusssensoren (DFS) aufgebracht, die die Mess-genauigkeit mitbestimmen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass
Beschichtungen auf allen in Wärmezählern eingesetzten Materialen realisierbar sind
sie eines geringen technischen Aufwandes bedarf
die entstehenden Schichten in ihrer Morphologie den Schichten in Feldgeräten
entsprechen
die Schichtdicke variierbar ist
das Entfernen der Schicht mit Standardreinigungsverfahren möglich ist
Der Einfluss der im Labor generierten Schichten auf die Veränderung der Messabweichung wurde für verschiedene Wärmezähler nachgewiesen; er entspricht qualitativ der Abweichung, wie sie bei Feldgeräten auftreten.
„
1
1..11 PPRROOBBLLEEMMSSTTEELLLLUUNNGG
Die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) ist das natur- und ingenieurwissenschaftli-che nationale Metrologieinstitut der Bundesrepublik Deutschland sowie die technisingenieurwissenschaftli-che Ober-behörde für das Messwesen. Die PTB hat im Sinne des Verbraucherschutzes u.a. die Aufgabe, Vertrauen in die Messsicherheit im geschäftlichen und behördlichen Verkehr zu schaffen so-wie Verfahren bekannt zu machen, nach denen Messsicherheit und Messbeständigkeit mit höchstmöglicher Genauigkeit ermöglicht werden.
Die Messbeständigkeit von Durchflusssensoren hängt maßgeblich von sich im Laufe der Betriebszeit ablagernden Schichten ab. Diese Ablagerungen entstehen u.a. in Abhängigkeit von der im Feld anzutreffenden chemischen Heizwasserzusammensetzung, dem zeitlichen Verlauf von Temperatur und Durchfluss in Rohrnetzen sowie den Materialien in relevanten Bereichen der Messgeräte.
Die festgestellten Messabweichungen können über den gesetzlich zulässigen Fehlergren-zen liegen (im eingebauten Zustand sind dies die VerkehrsfehlergrenFehlergren-zen). Daraus resultiert u. U. ein wirtschaftlicher Schaden bei der Abrechnung zwischen den Wärmevertragspartnern.
Aus wirtschaftlichen Zwängen (z.B. Reduzierung der Messkosten) sind Hersteller und Anwender an langlebigen und wenig driftenden Messgeräten interessiert.
Weiterhin liegt es sowohl im Sinne des Verbraucherschutz als auch des Umweltschutzes, die durch Ablagerungen verursachten Messabweichungen so gering wie möglich zu halten.
1
1..22 ZZIIEELLSSEETTZZUUNNGG
Ziel der geplanten Untersuchungen ist die physikalisch-technische Modellierung der Prozesse bei der Bildung von Ablagerungen sowie die technologische Entwicklung eines Verfahrens zur beschleunigten Erzeugung von Ablagerungen mit praxisnahen Auswirkungen auf Durch-flusssensoren. Darin eingeschlossen ist die Entwicklung von Vorschlägen für mögliche Ver-meidungsstrategien, wie die z.B. die gezielte Beschichtung von Innenseiten und sensorspezi-fische Selbstreinigungsprozesse. Mit diesen Erkenntnissen werden Hersteller von Wärmezäh-lern in die Lage versetzt, den Messraum von Durchflusssensoren optimal gegen die Wirkung von Ablagerungen zu gestalten. Dieses Ziel wird durch die Untersuchung der folgenden Punkte erreicht:
Untersuchung von Ablagerungen in Wärmezählern aus dem Feld
Bestimmung der Mechanismen zur Ablagerungsgenese
Erzeugung verschiedener Modellablagerungen und
Validierung der Modellablagerungen mit der Realität
1
1..33 GGRRUUNNDDLLEEGGEENNDDEEÜÜBBEERRLLEEGGUUNNGGEENNZZUURRLLÖÖSSUUNNGGDDEERRAAUUFFGGAABBEENNSSTTEELLLLUUNNGG
In der vorliegenden Arbeit ist – wie bereits erläutert – zu untersuchen, welche Prozesse bei der Bildung von Ablagerungen in Durchflusssensoren von WMZ wirken. Hieraus ist ein Ver-fahren zur beschleunigten Erzeugung dieser Ablagerungen zu entwickeln.
Von grundlegender Bedeutung ist hierbei, in welchem Umfang Fragestellungen und Problemanalysen mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen untersucht werden können. Es muss selbstverständlich eine möglichst große Basis von spezifischen, aus verschiedenen Fachbereichen stammenden Informationen geschaffen werden. Dies wird in erster Linie über
die Auswertungen von Literatur, Fachberichten, verfügbare Daten und Gesprächen mit Exper-ten erreicht. Um jedoch eine Aussage zur Wirksamkeit des entwickelExper-ten Verfahrens treffen zu können, sind eigene Erhebungen zur Messabweichung, die durch im Labor generierte Mo-dellablagerungen hervorgerufen werden, nötig. Dabei ist zu beachten, dass die bereitgestellten Ressourcen nur in begrenztem Maße zur Verfügung stehen.
Bei den chemischen und optischen Untersuchungen, die von entsprechenden Fachleuten ausgeführt wurden, musste auf Bauteile/Geräte zurückgegriffen werden, die kostengünstig und in ausreichendem Maße zur Verfügung standen. Die Generierung einer großen Datenba-sis wurde hierdurch eingeschränkt.
Die begrenzten Mittel hatten auch zur Folge, dass bei der Untersuchung der Wirksamkeit des entwickelten Beschichtungsverfahrens die Anzahl der zu untersuchenden WMZ ebenfalls begrenzt war. Auch die notwendigen metrologischen Messungen an geeigneten Prüfständen mussten daher auf ein vertretbares Minimum reduziert werden.
Der in dieser Arbeit verfolgte Ansatz zur Lösung der Aufgabenstellung kann als heuristi-scher Ansatz betrachtet werden, da aufgrund der gegebenen Randbedingungen die Einfluss-faktoren für die Bildung von Ablagerungen im Feld ausreichend identifiziert und erfolgreich ein Verfahren zur Generierung von Modellablagerungen entwickelt werden konnte.
2
2..11 WWÄÄRRMMEEMMEENNGGEENNMMEESSSSUUNNGGIINNDDEERRFFEERRNNWWÄÄRRMMEE
Wasser ist aufgrund der unproblematischen Verfügbarkeit und seiner im Vergleich zu Luft großen spezifischen Wärmekapazität besonders als Medium für den Wärmetransport geeignet. In der Fernwärme wird es sowohl in flüssiger als auch in dampfförmiger Form verwendet. Die Wärmemenge ist keine direkt erfassbare Messgröße. Vielmehr ist die Berechnung der abgegebenen Wärmemenge nur über die Ermittlung der physikalischen Größen Durchfluss und Temperatur möglich. Weiterhin ist bei der Ermittlung der Wärmemenge zu beachten, dass Wasser eine temperaturabhängige Dichte und Enthalpie hat.
Die Messaufgabe wird erfahrungsgemäß durch den Umstand erschwert, dass die Einsatz-bedingungen für die Messgeräte häufig weder ideal noch über die Einsatzdauer konstant sind. Dies hat zur Folge, dass sich die Messeigenschaften des Messgerätes bzw. seiner Teilgeräte über die Einsatzdauer verändern können.
2
2..11..11 EENNTTWWIICCKKLLUUNNGGDDEERRFFEERRNNWWÄÄRRMMEE
In der Fernwärme wird die thermische Energie mittels heißem Wasser (in der Regel
tW = 80 bis 130 °C) über ein üblicherweise erdverlegtes, wärmegedämmtes Rohrsystem vom
Erzeuger zum Verbraucher transportiert. Dies geschieht über ein Verteilnetz, das als Zwei-, Drei- oder Vierleiternetz ausgeführt sein kann. Nach Abgabe von thermischer Energie fließt abgekühltes Wasser über Rohleitungen vom Verbraucher zurück zum Erzeuger und wird dort wieder erhitzt.
Vereinzelt sind auch Dampfnetze anzutreffen. Diese unterliegen jedoch aufgrund der
ho-hen Temperaturen (tD 130 °C) besonderen Sicherheitskriterien. Sie werden üblicherweise
als Zweileiternetz ausgeführt.
Häufig sind die Verbraucher über sogenannte Übergabestationen an das Fernwärmenetz angeschlossen. Die Übergabe der Wärmemenge erfolgt mittels Wärmetauscher an das ange-schlossene Rohrleitungsnetz des Verbrauchers. Das Wärmenetz des Versorgers wird in die-sem Fall als Primärnetz und das des Verbrauchers als Sekundärnetz bezeichnet.
Die Erwärmung des Wassers erfolgt z.B. in Kraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Müllverbrennungsanlagen, Fernheizwerken und Blockheizkraftwerken. Als Brenn-stoffe werden die üblichen fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl, Gas aber auch Holzproduk-te und Müll verwendet. In einigen Ländern (z.B. Schweiz), wird Fernwärme auch aus Kern-kraftwerken ausgekoppelt. Wo es die geologischen Gegebenheiten zulassen, wird die Fern-wärmeversorgung in Geothermiekraftwerken realisiert (z.B. in Island).
Die größten Fernwärmenetze Europas sind in Deutschland, Österreich und Osteuropa zu finden. Die ersten Fernwärmenetze wurden in Deutschland vor ca. 100 Jahren betrieben.
Im Jahr 2005 gab es in Deutschland ca. 240 Fernwärmeversorgungsunternehmen die mehr als 1.500 Netze mit einer Gesamttrassenlänge von rund 20.000 km betrieben.
Die größten deutschen Fernwärmenetze werden von Vattenfall Europe in Berlin und Ham-burg betrieben. Das Berliner Rohrleitungsnetz hat eine Länge von ca. 1.200 km wobei ca. 18.000 Wärmezähler im Einsatz sind.
2
2..11..22 WWÄÄRRMMEEMMEENNGGEENNZZÄÄHHLLEERR
Ein Wärmemengenzähler dient zur Bestimmung der Wärmemenge in einem Wärmetauscher-Kreislaufsystem. Das Funktionsprinzip des Wärmezählers beruht auf der Bestimmung der Wärmemenge Q, die bei Integration der ermittelten Wärmeleistung P über die Zeit entsteht [1]: V t t k m t t c P p (V R) (V R) (1)
In dieser Beziehung bedeuten:
P Wärmeleistung
m Massenstrom
.
V Volumenstrom, oft auch mit q (Durchfluss) bezeichnet
cp spezifische Wärmekapazität des Wassers bei konstantem Druck
k Wärmekoeffizient, der sich aus der Beziehung ergibt:
t h k (2) h spezifische Enthalpie
h Enthalpiedifferenz des Wärmeträgers im Vor- und Rücklauf
tV Temperatur des Heizungsvorlaufs
tR Temperatur des Heizungsrücklaufs
Wie aus Gl. (1) ersichtlich ist, müssen zur Erfassung der Wärmeleistung P der Volumenstrom q
V sowie die Temperaturdifferenz t zwischen Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf
bekannt sein. Wärmemengenzähler bestehen aus diesem Grund aus drei Teilen:
D u r c h f l u s s s e n s o r
T e m p e r a t u r f ü h l e r p a a r und
R e c h e n w e r k
Das Rechenwerk hat die Aufgabe, die Signale des Durchflusssensors und des Temperaturfüh-lerpaars zu verknüpfen. Es berücksichtigt hierbei die temperaturabhängigen Stoffwerte des Wärmeträgers. Die Integration der Signale im Rechenwerk liefert die Wärmemenge, die auf dem Display des Rechenwerks angezeigt wird. Es können aber auch weitere Informationen abgerufen werden. Dazu gehören z.B. der aktuelle Durchfluss, die Wärmeleistung, Vor- und Rücklauftemperatur oder eine akkumulierte Wärmemenge innerhalb bestimmter Zeiträume.
Für die Erfassung der Temperatur des Heizungsvorlaufs und -rücklaufs werden üblicherweise
Platin-Widerstandsthermometer wegen deren günstigen Eigenschaften verwendet.
Für die Messung des Durchflusses werden entweder mechanische oder statische arbeiten-de Durchflusssensoren verwenarbeiten-det.
Als mechanische Durchflussmesser kommen Flügelradzähler in einstrahliger oder mehr-strahliger Bauweise oder Woltmanzähler zum Einsatz. Bei einstrahligen Zählern wird der Flüssigkeitsstrom durch einen einzigen geraden, glatten Strömungskanal in den Messraum geleitet. Dort wird das Laufrad tangential angeströmt und in Drehung versetzt.
Bei mehrstrahligen Messgeräten wird der auf das Flügelrad strömende Volumenstrom aufgeteilt und bewirkt so dessen gleichmäßige Belastung. Dem sich dadurch einstellenden erhöhten Druckverlust steht ein geringerer Verschleiß der Lagerachsen gegenüber.
Statische Durchflussmessgeräte, die nach dem Ultraschallprinzip arbeiten, machen sich die Tatsache zunutze, dass zwischen zwei Reflektoren entgegenlaufende Schallwellen auf-grund des fließenden Wassers unterschiedliche Laufzeiten haben (Dopplereffekt). Die sich ergebende Laufzeitdifferenz ist mittels präziser Zeitmessung zu ermitteln. Diese ist proportio-nal der mittleren Rohrströmungsgeschwindigkeit v, mit deren Hilfe bei bekanntem Rohrquer-schnitt A wiederum der Volumenstrom ermittelt werden kann.
Aufgrund der Vielfalt von Messgerätetypen werden in dieser Arbeit nur Wärmezählerbauar-ten betrachtet, die am häufigsWärmezählerbauar-ten in Fernwärmenetzen eingesetzt werden.
Typische Zähler in der Fernwärmeversorgung sind mechanische Zähler (Ein- und Mehr-strahler) und die in den letzten Jahren vermehrt eingesetzten Ultraschallwärmezähler (U-Strahler, Direktstrahler). Magnetisch Induktive Durchflussmessgeräte (MID) sind in der Fernwärme seltener anzutreffen. Grund hierfür ist die in aller Regel für ein langzeitstabiles Messergebnis zu geringe Leitfähigkeit.
2
2..11..33 GGEESSEETTZZLLIICCHHEESSMMEESSSSWWEESSEENN
Die Metrologie ist die Lehre von „Maß und Gewicht“ sowie den Maßsystemen. Der Ursprung
des Wortes Metrologie liegt im griechischen μέτρον métron = „Maß, -messer“.
Die Festlegung der Maßsysteme, deren Kontrolle im geschäftlichen und amtlichen Verkehr sowie im Arbeits-, Umwelt- und Gesundheitsschutz stellen ein hoheitliches Recht dar. Der Gesetzgeber schützt hiermit Verbraucher und Anbieter messbarer Güter und Dienstleistungen im Interesse eines lauteren Wettbewerbs und stärkt somit das Vertrauen in die Messgerechtig-keit in den Bereichen des öffentlichen und privatwirtschaftlichen Lebens. Als Nachweis der Tauglichkeit und Einsatzfähigkeit der Messgeräte in Übereinstimmung mit den gesetzlichen Vorgaben dient die national durchgeführte Eichung und zunehmend - auf europäischer Ebene - die Konformitätsbewertung nach den Vorgaben der europäischen Messgeräterichtlinien [2, 3]. In der Regel wird dieses Recht von staatlichen Stellen aufgrund gesetzlicher Grundlagen und daraus abgeleiteter Rechtsverordnungen wahrgenommen. Der Erlass von Rechtsverord-nungen ist in der Bundesrepublik Deutschland Aufgabe der Exekutive und wird von den je-weiligen Fachministerien der Bundesregierung erarbeitet und mit der Zustimmung des Bun-desrates verabschiedet. Für die Eichordnung [4] ist das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) zuständig.
Das bisher nationale Eichrecht wurde mit der Veränderung des Eichgesetzes vom 2. Februar
2007 und der Änderung der Eichordnung vom 8. Februar 2007 an die Anforderungen des
eu-ropäischen Rechts (MID) angepasst.
Die Eichordnung regelt in Verbindung mit ihren messgerätespezifischen Anlagen neben den europäischen Vorgaben unter anderem die Gültigkeitsdauer der Eichung, die Aufstellung, Handhabung und Unterhaltung der Messgeräte zur Gewährleistung der Messrichtigkeit und Messbeständigkeit, die zulässigen Eich- und Verkehrsfehlergrenzen, die Voraussetzung für die Rücknahme und den Widerruf einer Zulassung und - bei Zuwiderhandlungen - die Buß-geldvorgaben. Ferner bestimmen Eichgesetz und Eichordnung, welche Stellen Eichungen bzw. Konformitätsbewertungen von Messgeräten durchführen dürfen. Speziell für die klassi-schen Versorgungsmessgeräte für elektriklassi-schen Strom, Gas, Wasser und dem für die vorlie-gende Untersuchung relevanten Bereich Wärme, können dies sowohl amtliche Stellen (E i c h ä m t e r) als auch private Einrichtungen (sogenannte S t a a t l i c h A n e r k a n n t e P r ü f
-, zugelassen für Wärme als vom Staat beliehene Unternehmer) und im Bereich des s t e l l e n
europäischen Eichrechtes sogenannte B e n a n n t e S t e l l e n, die ebenfalls privat organisiert sein können, durchführen. Nach den neuen gesetzlichen Bestimmungen wird die Konformi-tätsbewertung einer Ersteichung gleichgestellt. Weitere wichtige Regelungs- und Vorschrif-tenbereiche in Eichgesetz und Eichordnung definieren die Regelung des Verfahrens bei der Anerkennung von Prüfstellen und deren Aufsicht.
Die P h y s i k a l i s c h - T e c h n i s c h e B u n d e s a n s t a l t (P T B) mit ihren Standorten in Berlin und Braunschweig ist das nationale Metrologieinstitut und technische Oberbehörde der Bundesrepublik Deutschland für das Messwesen und Teile der Sicherheitstechnik.
Hauptauf-gabe der dem B M W i zugehörigen PTB ist die Darstellung, Bewahrung und Weitergabe der
gesetzlichen Einheiten.
Die Kontrolle und Überwachung der eichtechnischen Vorschriften erfolgen entsprechend dem föderalen Prinzip der Bundesrepublik Deutschland durch die Eichaufsichtsbehören mit ihren Eichämtern in den Bundesländern.
Weitere staatliche Metrologieinstitute im deutschsprachigen Raum sind das:
Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV, Österreich) und das
Bundesamt für Metrologie (METAS, Schweiz)
Die Bestimmung der zu ermittelnden Größen erfolgt mit Hilfe von Messgeräten und -verfahren. Hierbei wird die gemessene Größe auf SI-Einheiten zurückgeführt. Der durch das Messgerät in Form eines Produktes von Zahlenwert (Maßzahl) und Maßeinheit wiedergege-bene Messwert wird wertungsfrei dargestellt.
2
2..11..44 MMEESSSSAABBWWEEIICCHHUUNNGGVVOONNWWÄÄRRMMEEMMEENNGGEENNZZÄÄHHLLEERRNN
( ) sind Messgeräte, die der Bestimmung
W ä r m e z ä h l e r W ä r m e m e n g e n z ä h l e r , W M Z
der thermischen Energie zur verbrauchsabhängigen Abrechnung von Heiz- und
Warmwasser-kosten in Wärmetauscher-Kreislaufsystemen gemäß der Verordnung über die
Heizkostenab-rechnung [5] dienen. Die gemessene thermische Energie wird in gesetzlichen Einheiten, übli-cherweise in Gigajoule (GJ) oder Megawattstunden (MWh) als Vielfache der Grundeinheiten Joule (J) bzw. Wattsekunden (Ws) angegeben. Die vom Gerät erfasste Energie ist die thermi-sche Energie, die in einem bestimmten Zeitraum an eine Verbrauchseinheit abgegeben, oder - im Falle von Kälteanlagen - aufgenommen wurde.
Gemäß dem Gesetz über das Mess- und Eichwesen (E i c h g e s e t z) müssen die
Messgerä-te, wie eingangs beschrieben, für den geschäftlichen Verkehr den Zyklus einer Konformitäts-untersuchung erfolgreich absolvieren und sind nach ihrem Marktauftritt gemäß deutschem Recht nach Ablauf der Eichgültigkeitsdauer nacheichpflichtig. Das Eichgesetz dient dem Verbraucherschutz und soll die Messgerechtigkeit absichern. Messgeräte und deren definierte Teilgeräte sind nur dann eichfähig, wenn für deren Bauart eine Bauartzulassung nach altem
deutschem Recht oder eine E G - B a u m u s t e r p r ü f b e s c h e i n i g u n g bzw. eine E G
durch eine Benannte Stelle nach aktuellem (europäischen) E n t w u r f s p r ü f b e s c h e i n i g u n g
Recht ausgegeben wurde. Die für die Zulassung von Wärmezählern relevanten technischen Anforderungen an die Bauart und Fehlergrenzen fußen seit dem 30.10.2006 auf den grundle-genden und messgerätespezifischen Anforderungen der MID unter Verweis wahlweise zur harmonisierten Norm des CEN, der EN 1434:2007 [6] oder anderer normativer Dokumente.
Bei einer vergleichenden Bewertung von Wärmezählern zu Strom- und Gaszählern ist festzuhalten, dass die in der Fernwärmemesstechnik eingesetzten Geräte in der Regel einen
höheren Grad an Komplexität aufweisen. Die Einsatzbandbreite erstreckt sich über große Versorgungs- als auch Inselnetze, bis hin zu einem nicht unerheblichen Anteil im privaten häuslichen Bereich. Die damit verbundene Variation der Messgrößen Durchfluss und Tempe-raturdifferenz stellt einen weiteren und entscheidenden Unterschied zu den üblicherweise bei lediglich einer physikalischen Größe messenden „Strom- und Gaszählern“ dar (elektrische Stromstärke bzw. Gasdurchfluss).
Einheitliche Betriebsparameter ermöglichen die bei Strom- und Gaszählern in der Praxis häufig angewandte Verlängerung der Eichgültigkeitsdauer mittels Stichprobenverfahren. Ein solches Vorgehen ist bei Wärmezählern im Allgemeinen nicht möglich. Eine Losbildung ist maximal auf Ortsnetze beschränkt. Die hier erreichbare Losgröße ist erfahrungsgemäß aller-dings so klein, dass die Verlängerung mittels Stichprobenverfahren weder einen wirtschaftli-chen noch techniswirtschaftli-chen Vorteil bietet.
2
2..22 MMEESSSSAABBWWEEIICCHHUUNNGGIIMMGGEESSEETTZZLLIICCHHEENNMMEESSSSWWEESSEENN
Es ist grundsätzlich nicht möglich, Messgrößen fehlerfrei zu erfassen (siehe dazu beispiels-weise [7]). Jede Messung unterliegt Abweichungen, die unterschiedlichste Ursachen haben. Die Abweichung eines gemessenen Werts vom sogenannten wahren Wert der zu ermittelnden Messgröße wird gemäß DIN 1319 [8] als Messabweichung bezeichnet. Der wahre Wert einer Messgröße stellt immer das Ziel der Auswertungen von Messungen dar. Meistens ist dieser
Wert nicht bekannt und eher als ein i d e e l l e r W e r t zu verstehen.
Ein wichtiges Merkmal von Messgeräten, insbesondere für die in dieser Arbeit betrachte-ten und im geschäftlichen Verkehr verwendebetrachte-ten WMZ ist die Messbeständigkeit.
Der Begriff Messbeständigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Messgerätes, seine metrolo-gischen Merkmale zeitlich unverändert beizubehalten [9]. Dieses Merkmal ist in Bezug auf den Verbraucherschutz besonders wichtig. Hierbei geht es um die Messbeständigkeit während des Betriebs über die gesamte Eichgültigkeitsdauer.
:1 Der Messfehler eines
Wär-M e s s f e h l e r / Wär-M e s s a b w e i c h u n g e i n e s W ä r m e z ä h l e r s
mezählers ergibt sich aus der Summe der Messfehlern seiner Teilkomponenten Durchfluss-sensor, Temperaturfühlerpaar und dem Rechenwerk. Aber auch häufig auftretende Fehler wie z.B. fehlerhafter Einbau der Temperaturfühler, Nichteinhaltung der Anforderungen wie be-züglich der hydraulischen Einlaufbedingungen und der fehlerhaften Orientierung des Messge-rätes haben Messfehler zur Folge.
Im Bereich des gesetzlichen Messwesens haben folgende Messfehler eine besondere Bedeu-tung:
die E i c h f e h l e r g r e n z e und
die V e r k e h r s f e h l e r g r e n z e
In der Anlage 22 der Eichordnung wird neben der Eichgültigkeitsdauer auch die Eichfehler-grenze von Wärmezählern festgelegt. Die EichfehlerEichfehler-grenze ist der maximal zulässige Mess-fehler bei der Eichung.
1 Nach DIN 1319: Grundlagen der Messtechnik sollte wegen der widersprüchlichen Verwendung das Wort „Messfehler“
durch „Messabweichung ersetzt werden. Die Begriffe Messfehler und Messabweichung werden in dieser Arbeit daher synonym verwendet [8].
Während des Einsatzes eines Wärmezählers darf das Messgerät innerhalb der Eichgültig-keitsdauer die sog. Verkehrsfehlergrenze nicht überschreiten. Bild 1 veranschaulicht die o.g. Begriffe.
Bild 1: Fehlergrenzen im gesetzlichen Messwesen [1]
Anmerkung: Die Verkehrsfehlergrenzen sind in diesem Bild nicht eingetragen. Sie betragen für
Wär-mezähler das Doppelte der Eichfehlergrenzen
Im gesetzlichen Messwesen hat der Nachweis über die Einhaltung der Eichfehlergrenze bei Neugeräten für den Kunden eine entscheidende Bedeutung, da es ein Nachweis ist, dass das untersuchte Gerät die im Rahmen der Bauartzulassung attestierten Eigenschaften hat.
Der Kunde, der ein geeichtes Gerät erwirbt, bekommt somit die Garantie, dass das Mess-gerät die zulässigen Höchstwerte unter festgelegten Bedingungen und die festgelegten Quali-tätsstandards des Herstellers einhält.
Die metrologischen Untersuchungen bei der Bauartenzulassung und der Eichung finden unter streng definierten Bedingungen statt. Diese definierten Bedingungen sind aber im Feld nicht anzutreffen. So weichen im Feldeinsatz wichtige Parameter, wie Einbausituation, Was-serqualität Lastgänge, Geräteverschleiß usw. erheblich von den definierten Bedingungen der Bauartenzulassung und der Eichung ab. Dieser Abweichung von den Idealbedingungen wird durch die sogenannte Verkehrsfehlergrenze Rechnung getragen.
2
2..22..11 EERRFFAAHHRRUUNNGGEENNZZUUMMEEIINNFFLLUUSSSSVVOONNAABBLLAAGGEERRUUNNGGEENNAAUUFFDDIIEEMMEESSSSAABBWWEEIICCHHUUNNGGVVOONN
W
WÄÄRRMMEEZZÄÄHHLLEERRNN
Jede Materialoberfläche ist während des Betriebs vielfältigen Einflüssen ausgesetzt. Diese Einflüsse beanspruchen die Oberflächen und haben diverse Formen von Verschleiß zur Folge. Diese Verschleißformen der Oberflächen bedingen eine Veränderung der Oberflächeneigen-schaften und können mit einer Veränderung der für das jeweilige Messprinzip wichtigen Ei-genschaften einhergehen.
Veränderungen der Oberflächeneigenschaften stellen stets dynamische, zeitabhängige Vorgänge dar. Kennzeichnend für solche Vorgänge sind:
der A n f a n g s z u s t a n d Eichfehlergrenze -5,0 -2,5 0,0 2,5 5,0 0,01 0,1 1 10 q/qp F in % Eichfehlergrenze qi/qp qp/qp qs/qp
der A b l a u f - und
der E n d z u s t a n d
Im A n f a n g s z u s t a n d wird das Gerät ins System eingebaut und erfüllt die geforderten
messtechnischen Anforderungen.
Der A b l a u f ist die Zeitspanne, in der die messtechnischen Eigenschaften sich während
des Betriebs durch Wechselwirkungen verändern können. Eine Voraussage über den Ablauf der Veränderungen ist aufgrund der Vielfalt der möglichen Vorgänge in einem Fernwärme- bzw. Heizungsnetz nicht möglich.
Der E n d z u s t a n d ist der Zustand, der beim Ausbau des Gerätes vorgefunden wird.
Da-bei sind die für diese ArDa-beit die entstandenen Ablagerungen und die damit verbundene Ver-änderung der messtechnischen Merkmale von besonderem Interesse.
Die Beurteilung der über die Einsatzdauer entstandenen Veränderungen hinsichtlich Ab-lagerungen erfolgt durch die Mitarbeiter eines Fernwärmeunternehmens erfahrungsgemäß eher subjektiv.
Hierbei spielen stark individuelle Beurteilungsfaktoren wie Aussehen, Geruch, Menge, Verteilung, Aggregatzustand usw. eine Rolle.
Der Begriff der A b l a g e r u n g ist nicht einheitlich definiert. Ablagerungen können als
Verunreinigung, tolerierbar oder sogar als erwünschte Schutzschicht bewertet werden.
Bild 2: Flügelräder aus sechs verschiedenen Fernwärmenetzen nach ca. 5 Jahren Einsatz
In Bezug auf die in dieser Arbeit betrachteten Wärmezähler hat es sich als sinnvoll erwiesen,
unter dem Begriff A b l a g e r u n g alle Veränderungen an den benetzten Oberflächen
zusam-menzufassen, die im Laufe der Betriebszeit des Wärmezählers stattfinden und eine Abwei-chung der ursprünglichen Morphologie und physikalisch-chemischen Eigenschaften zur Folge haben können.
Bei den untersuchten Wärmezählern handelt es sich ausschließlich um sog. Mehrwegge-räte, d.h. GeMehrwegge-räte, die bis zu 15 Jahren im Feldeinsatz sein können. Die Eichordnung legt für
Wärmezähler und deren Einzelkomponenten derzeit eine Eichgültigkeitsdauer von 5 Jahren fest. Nach Ablauf der Eichgültigkeitsdauer werden solche Geräte ausgebaut, instand gesetzt und wieder eingesetzt. Es wurden hauptsächlich Geräte mit niedrigem Nenndurchfluss unter-sucht, da diese erfahrungsgemäß bei kleinen Volumenströmen in kurzer Zeit Verlagerungen der Messabweichungen bis an die Verkehrsfehlergrenzen und darüber hinaus zeigen können.
Bild 3: Oberfläche einer Messing-Messstrecke nach ca. 5 Jahren Einsatz im Fernwärmenetz
Die Bilder 2 und 3 zeigen exemplarisch die vielfältigen Erscheinungsformen von Oberflä-chenveränderungen, wie sie im Laufe des Betriebs anzutreffen sind.
Es gab bereits im Rahmen eines von der als Projektträger fungierenden D E C H E M A e . V .
durchgeführten und vom B M F T finanzierten Feldversuchsprogramms Untersuchungen von
Ablagerungen. Die hierbei in den 70-er und 80-er Jahren durchgeführten Untersuchungen an Geräten aus dem Heizungsbereich bzw. deren Bauteilen hatten ausschließlich empirischen Charakter [10]. Kenntnisse über die bei der Bildung von Ablagerungen entstehenden physika-lischen und chemischen Prozesse, die bei der Bildung von Ablagerungen auf Oberflächen wirken, wurden im Rahmen dieser Untersuchung nicht gewonnen.
Für die Bildung von Ablagerungen wurde zusammenfassend festgestellt, dass folgende Faktoren von maßgeblicher Bedeutung sind:
W a s s e r q u a l i t ä t
B e t r i e b s b e d i n g u n g e n und
2
2..22..22 PPHHYYSSIIKKAALLIISSCCHHEEBBEEAANNSSPPRRUUCCHHUUNNGGEENN
Die benetzten Oberflächen der Wärmezähler sind aufgrund ihres Einsatzprofils permanent hydroabrasivem Verschleiß ausgesetzt. Auch sind dauerhafte Oberflächenveränderungen, die z.B. durch Kavitation verursacht werden, möglich.
Im Wärmeträgermedium nicht gelöste, feste und harte Partikel verursachen bei ihrem Weg durch das Rohrleitungssystem irreversible Veränderungen durch Materialabtragung und Deformationen an der Oberfläche der benetzten Bauteile (s. Bild 4). Diese Verschleißform ist für Durchflusssensoren und Umlenkspiegel problematisch.
Auch die Adhäsion von Teilchen und die damit verbundene Ausbildung von Grenzflä-chen-Haftverbindungen verändern die Oberflächen. Solche Verbindungen können sich auch wieder auflösen und sind dann auch nicht von dauerhafter Natur.
Hinzu kommt eine über die Eichgültigkeitsdauer anhaltende thermische Wechselbelas-tung der Oberfläche. Dieser thermische Stress kann ebenfalls Oberflächenveränderungen zur Folge haben.
Bild 4: Oberfläche eines Umlenkspiegels eines US-WMZ nach mehrjährigem
Einsatz in einem Fernwärmenetz
2
2..22..33 CCHHEEMMIISSCCHHEEBBEEAANNSSPPRRUUCCHHUUNNGGEENN
Welche Art der Belastung auf die Bauteile eines Wärmezählers überwiegend wirken, hängt vor allem von der Zusammensetzung des Wärmeträgermediums, seiner Strömungsgeschwin-digkeit und der Temperatur ab.
Hierunter fallen alle Beanspruchungen, die eine Entstehung von Reaktionsprodukten durch die chemische Wechselwirkung von Oberflächen und dem Wärmeträgermedium bzw. den im Wärmeträger gelösten Bestandteilen zur Folge haben. Es entstehen fest verbundene Ablagerungsschichten auf den Oberflächen der Durchflussmessgeräte.
Mitunter finden materialspezifische Formen der Korrosion (z.B. Entzinkung), die eine dauerhafte Veränderung der Oberfläche zur Folge haben, statt.
Die sogenannte Erosionskorrosion stellt eine Mischform der physikalischen und chemi-schen Umwandlungsvorgänge für die Bauteile von Durchflusssensoren in Wärmetauscher-Kreislaufsystemen dar.
2 2..33 EEIINNFFLLUUSSSSVVOONNAABBLLAAGGEERRUUNNGGEENNAAUUFFDDUURRCCHHFFLLUUSSSSSSEENNSSOORREENNNNAACCHH U UNNTTEERRSSCCHHIIEEDDLLIICCHHEENNMMEESSSSPPRRIINNZZIIPPIIEENN 2 2..33..11 MMEECCHHAANNIISSCCHHEEZZÄÄHHLLEERR::FFLLÜÜGGEELLRRAADDZZÄÄHHLLEERR
Als „mechanische Zähler“ kommen in der Fernwärme z.B. Flügelrad- und Woltmann-Zähler zum Einsatz. Die Rotation des Flügelrads, mit deren Hilfe die Messung des Durchflusses er-folgt, wird durch das Durchströmen des Heizwassers realisiert.
Es soll nachfolgend vornehmlich auf Flügelradzähler eingegangen werden, da sie die Form von Turbinenzähler darstellen, die häufig in Fernwärmenetzen anzutreffen sind.
Typi-sche Messbereiche dieser Geräte sind Durchflüsse bis 10 m3/h. Flügelradzähler besitzen einen
Durchflussraum, in dem die Flügel (auch P a l e t t e n genannt) des Flügelrads angeströmt
wer-den (s. Bild 5 und 6). Das Flügelrad wird dadurch in eine Drehbewegung versetzt. Die Flügel-räder bestehen in der Regel aus Polyphenylensulfid (PPS).
Bild 5: Einstrahl-Flügelradzähler (links) und Mehrstrahlzähler [7]
Bild 6: Einstrahl-Flügelradzähler (links) und Mehrstrahlzähler (rechts) [1]
Die Abtastung der Flügelraddrehung erfolgt je nach Typ über eine Magnetkupplung, oder über Kopplungsmodulation.
Das Volumen, das durch das Gerät strömt, berechnet man aus t
A v
In dieser Gleichung bedeuten:
V Volumen
v Strömungsgeschwindigkeit
A Rohrquerschnitt
t Messzeit
Feste, ungelöste Bestandteile des Wärmeträgers können sich auf benetzten Oberflächen von mechanischen Flügelradzählern ablagern und folgende Einflüsse auf den Zähler haben:
Erhöhung des abrasiven Verschleißes der Flügelradgeometrie
Anhäufung von magnetischem Material im Messraum mit Einfluss auf die
Abtastung des Signals (s. Bilder 5 und 6)
Verengung von Querschnitten des Anström- und Messraumes
Veränderung der Anströmung des Flügelrades
Erhöhung der Laufreibung
Beschädigung der Lager
Blockieren des Laufrades
Unwucht am Flügelrad
Häufig wirken mehrere der o.g. Einflüsse gleichzeitig und erzeugen eine Kombination von Messabweichungen an den Durchflusssensoren.
Die Bilder 7 und 8 zeigen R E M - A u f n a h m e n magnetischer bzw. magnetisierbarer
Ablage-rungen auf der Lagerspitze eines Flügelrades. Das Flügelrad stammte aus einem Flügel-radzähler, der sich über mehrere Jahre im Feldeinsatz befand. Der genaue Einsatzzeitraum und Einsatzort waren im Nachhinein jedoch nicht mehr zu ermitteln.
Auffällig ist die Ausrichtung der nadelartigen Ablagerungen entlang der Feldlinien des im oberen Teil des Messraumes befindlichen Magneten. Die im unteren rechten Bild sichtbare Skala gibt einen Eindruck über die Größenordnung der abgebildeten Strukturen.
Bild 7. Ablagerungen auf der Spitze eines Kunststoff-Flügelrades, 40-fache Vergrößerung
Bild 8. Ablagerungen auf einem
Kunststoff-Flügelrad entlang der magnetischen Feldlinien, 40-fache Vergrößerung
[Foto: Nissen, ZELMI]
Untersuchungen des durch Ablagerungen verursachten Messfehlers von Flügelradzählern sind in der Vergangenheit bereits mehrfach veröffentlicht worden [11, 12]. Im Fokus dieser Unter-suchungen lagen vornehmlich Kaltwasserzähler. Die in den Berichten beschriebenen Proble-me dieser Geräte treten sowohl bei Flügelradzählern für Kaltwasser als auch bei WärProble-mezäh- Wärmezäh-lern in Fernwärmenetzen auf.
2
2..33..22 UULLTTRRAASSCCHHAALLLL--DDUURRCCHHFFLLUUSSSSSSEENNSSOORREENN((UUSS--DDFFSS))
In den letzten Jahren ist die Zahl der Zulassungen für US-DFS und die Zahl der eingesetzten US-DFS gegenüber den mechanischen Durchflusssensoren stark gestiegen [13]. Der Grund liegt in darin, dass dieses Messverfahren weitgehend von Einflussfaktoren, wie z.B. elektri-scher Leitfähigkeit, unabhängig ist. Das Fehlen bewegter Teile reduziert den anfallenden Wartungsaufwand.
Als Messprinzip kommen in der industriellen Umsetzung der Geräte diverse Verfahren zur Anwendung, die alle auf dem Laufzeitdifferenz-Verfahren beruhen.
: Für diese Messmethode muss das Medium möglichst L a u f z e i t d i f f e r e n z v e r f a h r e n
homogen und nur mit geringem Feststoffanteil belegt sein. Schallwellen breiten sich in Fließ-richtung des Messmediums schneller aus, als die Schallwelle in entgegengesetzter Richtung.
Die Laufzeiten werden kontinuierlich gemessen. Die Laufzeitdifferenz der beiden Ultra-schallwellen ist direkt proportional zur mittleren Fließgeschwindigkeit. Das durchgeflossene Volumen pro Zeiteinheit ist das Produkt aus mittlerer Fließgeschwindigkeit und dem Rohr-querschnitt des Messwertaufnehmers [1]:
t a K A
q 2 (4)
In dieser Gleichung bedeuten:
A Rohrquerschnitt
a Schallgeschwindigkeit
t Laufzeitdifferenz
K Konstante
v Strömungsgeschwindigkeit
Alle Ultraschall-DFS besitzen Ultraschallwandler, die sogenannten Schallköpfe. Diese Schallköpfe werden mittels elektrischer Spannungsimpulse zur Aussendung einer mechani-schen Dickenschwingung, d.h. eines Ultraschallimpulses angeregt. Diese Dickenschwingung wird an das angekoppelte Medium weitergegeben und von einem zweiten Schallkopf emp-fangen. Bei diesem entsteht eine Deformation an der Oberfläche des Schallkopfs und erzeugt eine elektrische Spannung. Schallköpfe können sowohl als Sender als auch als Empfänger fungieren.
US-DFS sind in verschiedenen Bauformen am Markt erhältlich. So unterscheidet man beispielsweise zwischen U-Strahlern (s. Bild 9), Direktstrahlern (s. Bild 10).
U
U--SSTTRRAAHHLLEERR
Bei der als U-Strahler bezeichneten Bauart stehen die Schallköpfe senkrecht zur Fließrich-tung. Die Ultraschallsignale werden mittels Reflektoren U-förmig zu den Schallkopf umge-lenkt.
D
DIIRREEKKTTSSTTRRAAHHLLEERR
Bei diesen Gräten stehen sich die Schallköpfe gegenüber und senden ihre Ultraschallsignale parallel zur Fließrichtung.
Bild 9: 3D-Schnittskizze eines Gerätes mit U-förmiger Signalführung
Bild 10: Vereinfachte Darstellung eines Wärmezählers mit direkter Signalführung
[Bild: B. Peetz, PTB]
Gemäß Gleichung (1) müssen für die zu bestimmende Wärmemenge der Volumenstrom und die Temperaturen im Vor- und Rücklauf ermittelt werden. In der Praxis erfolgt die
Tempera-turdifferenzmessung mittels P l a t i n f ü h l e r n (Pt-Fühlern). Diese haben sich aufgrund ihrer
Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit in der Fernwärmeanwendung bewährt. Tritt im Laufe der Eichgültigkeitsdauer eine Messabweichung auf, so wird diese erfahrungsgemäß entweder durch eine Beschädigung der Schallköpfe und/oder der Bildung von Ablagerungen an den Oberflächen hervorgerufen.
Bei US-DFS wird das Ultraschallsignal durch den Durchflusssensor gesendet. Hierbei entstehen an der Grenzfläche zwischen dem Medium Wasser und dem in der Regel mit einer glatten metallischen Innenoberfläche ausgeführten Durchflusssensors Ultraschallechos. Hier-bei besitzt das Wasser und die metallische Oberfläche eine für sich spezifische akustische
. Die Impedanz ist als zu verstehen.
Veränderun-I m p e d a n z a k u s t i s c h e r W i d e r s t a n d
gen der akustischen Impedanz an der metallischen Oberfläche, wie sie durch die Bildung Ab-lagerungen entstehen, haben Reflexionen und damit eine Schwächung des Signals in Ausbrei-tungsrichtung zur Folge. Es kommt zu einer Schalldämpfung. Mit anderen Worten: Dicke und Härte von Ablagerungen haben einen Einfluss auf die Dämpfung der Amplitude des Signals. Bei den auftretenden Dispersionsvorgängen ist der Einfluss der an den Oberflächen haftenden Ablagerungen abhängig vom Verhältnis zwischen Signalwellenlänge und Teilchengröße.
Die Messabweichung bei US-DFS beruht also hauptsächlich auf Veränderungen in den akustischen Eigenschaften der Oberflächen des durchschallten Messraums, der Schallköpfe und der Reflektoren.
Weiterhin kann die bei vornehmlich niedrigen Durchflüssen auftretende Sedimentation von nicht gelösten Partikeln eine Querschnittsverengung der Rohrleitungen und Messräume von Durchflusssensoren verursachen. Das dadurch veränderte Strömungsprofil kann ebenfalls eine Messabweichung verursachen.
Da im Feld neben der chemische Zusammensetzung, der Durchfluss und viele weitere Faktoren Schwankungen unterliegen, kann davon ausgegangen werden, dass sich immer Be-läge auf den benetzten Oberflächen bilden. Die US-Signale werden aufgrund dieser Verände-rungen der Oberflächenmorphologie im Laufe der Betriebszeit kaum vorhersehbar beein-flusst.
Im Folgenden werden die Messergebnisse von sieben US-DFS mit U-förmigen Strahlführung präsentiert, um die auftretenden Veränderungen der Messabweichung von US-DFS, die typi-scherweise während des Einsatzes in einem Fernwärmenetz auftreten, darzustellen. Die bau-gleichen Geräte befanden sich nach vorliegenden Informationen mehrere Jahre im selben Netz im Feldeinsatz. Genaue Daten zum Einsatzzeitraum und Einsatzort lagen jedoch nicht vor.
Anhand der an den Geräten angebrachten Eichsiegel und dem Verzeichnis der staatlich anerkannten Prüfstellen für Messgeräte für Wärme [14], konnte die Prüfstelle, die die Eichung durchgeführt hatte, ermittelt werden, um dann einen Einblick in das Eichprotokoll der sieben Geräte zu erhalten.
Die Prüfstelle erklärte sich bereit, alle sieben Geräte metrologisch zu untersuchen, um die Messabweichung nach dem Feldeinsatz festzustellen. Zusätzlich wurden zwei Geräte gemäß
[15] instandgesetzt, um dann erneut die Messabweichung zu ermitteln. A G F W F W 2 0 1
Nach der oben genannten Arbeit standen für die sieben US-DFS folgende Messdaten zur Ver-fügung
Zähler Nr. 3:
1: Eichprotokoll (Messung vor dem Feldeinsatz) 2: Messung nach Feldeinsatz
3: Messung nach Reinigung
Zähler Nr. 1
1: Messung: Messung nach dem Feldeinsatz 2: Messung nach Reinigung
Zähler Nr. 4 + 6 + 7 + 8 + 9
1: Eichprotokoll
2: Messung nach dem Feldeinsatz
Das Bild 11 zeigt die gemessenen Messabweichungen der oben aufgeführten US-DFS. Die Messungen wurden durch eine anerkannte Prüfstelle für Messgeräte für Wärme durchgeführt.
Bild 12: Gegenüberstellung der Messabweichung Zähler Nr. 03 vor und nach
Reinigung der Messstrecke
In den Bildern 11 bis 13 ist zu erkennen, dass alle Geräte im Bereich des kleinsten Durchflus-ses Messabweichungen zeigen, die über der im Eichprotokoll festgehaltenen Messabweichung liegen. Sie sind bei allen Geräten in Richtung der oberen Eichfehlergrenze bzw. der oberen Verkehrsfehlergrenze verschoben. Die Messabweichungen für die höheren Durchflüsse sind gering. Die Bilder 12 und 13 zeigen die Messergebnisse für die Geräte 01 und 03 nach der Instandsetzung.
Bild 13: Gegenüberstellung der Messabweichung Zähler Nr. 01 vor und nach
Man sieht, dass die vor der Nacheichung gemessene Messabweichung nicht mehr vorhanden ist. Beide Geräte zeigen in allen Messpunkten eine geringe Messabweichung.
Eine weitere Quelle, die Informationen über das Langzeitverhalten von US-DFS unter Netz-bedingungen liefert, ist das A G F W - W ä r m e z ä h l e r - P r ü f p r o g r a m m ( W Z P ) [16].
Das W Z P ist ein von Fachleuten und Herstellern allgemein anerkannter Belastungstest
für WMZ, der Mitte der 80er Jahre ins Leben gerufen wurde. Dieser liefert wichtige Informa-tionen über die Messrichtigkeit, Messbeständigkeit und Instandsetzbarkeit sowohl von bereits am Markt befindlichen Geräten oder Neuentwicklungen unter realen Netzbedingungen.
Die Auswertung des letzten WZP (WZP IV) zeigte, dass die untersuchten US-DFS nach dem WZP eine vergleichbare Messabweichungen in Richtung der oberen Verkehrsfehlergren-ze bzw. darüber hinaus aufwiesen. Insbesondere ist ein solches Verhalten bei US-DFS mit schallhartem Durchflusssensor festgestellt worden.
2
2..33..33 MMAAGGNNEETTIISSCCHH--IINNDDUUKKTTIIVVEEDDUURRCCHHFFLLUUSSSSSSEENNSSOORREENN((MMIIDD))
Der prinzipielle Aufbau eines MID ist in Bild 14 dargestellt. Im Grundaufbau besteht ein magnetisch-induktiver Durchflussmesser aus einem metallischen nichtmagnetischen Grund-körper, der eine elektrisch isolierende Innenbeschichtung besitzt.
In der Innenbeschichtung sind zwei sich gegenüberliegende Messelektroden angeordnet. Diese sind senkrecht zu der durch Spulen erzeugten magnetischen Flussdichte angeordnet und dienen der Erfassung der erzeugten Spannung, wenn ein elektrisch leitfähiges Medium durch den Durchflusssensor fließt.
Die Nutzspannung U und die Strömungsgeschwindigkeit v hängen linear voneinander ab. Der Volumenstrom hängt von der Strömungsgeschwindigkeit und vom Rohr-Innendurch-messer des Durchflussmessgerätes ab [1].
v D B k
U (5)
In dieser Gleichung bedeuten:
U Spannung
k Konstante
B magnetische Flussdichte
D Rohrdurchmesser
v Strömungsgeschwindigkeit
Bei bekanntem Rohrquerschnitt D und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit v kann somit der Wert des Durchflusses q abgeleitet werden:
U D B k D v q 4 4 2 (6)
Bei der Betrachtung der Wirkung von Ablagerungen auf diesen Sensortyp ist zu unterschei-den, ob es sich um isolierende, leitfähige oder magnetische Ablagerungen handelt. Isolierende Ablagerungen (z.B. Kalk) verändern bei zunehmender Dicke den wirksamen Rohrdurchmes-ser und verursachen dadurch Messfehler.
Problematisch sind Ablagerungen, die elektrisch leitfähig und magnetisch bzw. magneti-sierbar sind. Besitzt das Wärmeträgermedium eine niedrige Leitfähigkeit, so ist der Einfluss solcher Ablagerungen besonders groß (Kurzschluss der Elektroden).
Bild 14: Prinzip der
magnetisch-induktiven Durchflussmessung [1]
Untersuchungen zum Einfluss von Inkrustationen/Ablagerungen als Funktion von deren Di-cke, Leitfähigkeit und der Leitfähigkeit des durchströmenden Mediums auf MID´s sind unter anderem von der Krohne Messtechnik [17, 18] und Köppl [19] durchgeführt worden. Theore-tische Überlegungen zum Problem von Ablagerungen in MID´s wurden bereits schon früher durch Engel [20] durchgeführt. Hierbei wird schnell klar, dass eine Empfindlichkeit gegen-über leitfähigen Ablagerungen aufgrund der Funktionsweise eines MID immanent ist.
Bei allen praktischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass es zu einer deutlich mess-baren Verschiebung der Messabweichung von MID´s kam, wenn magnetische und leitfähige Ablagerungen im Durchflusssensor vorhanden waren.
3
3..11 VVOORRGGEEHHEENNSSWWEEIISSEE
Es ist rasch klar geworden, dass bisherige Untersuchungen inklusive der Erfahrung von An-wendern oft nur punktuell, sporadisch und wenig strukturiert sind.
Zunächst musste einmal eine große Geräte- und Teilebasis, die für nachfolgende Untersu-chungen nötig ist, generiert werden. Aus diesem Grund wurde eine Anzahl von Geräten aus diversen Netzen beschafft. Diese Geräte dienten der Begutachtung und wurden dann mit den bereits beschriebenen Verfahren analysiert. Durch dieses Vorgehen wurde überprüft, ob sich aktuelle Analyseergebnisse sich mit den in Punkt 3.2 dargestellten Ergebnissen decken.
Als problematisch erwies sich der Umstand, dass die für die Untersuchung von Ablagerungen und Oberflächenveränderungen wichtigen Informationen in der Regel nicht vorhanden sind. Es handelt sich dabei z.B. um Aussagen über die Einsatzdauer, Betriebsparameter sowie ren Schwankungen und die Wasserqualität. Aus diesem Grund musste eine einfache, klar de-finierte, einheitlich und konsequent angewandte Vorgehensweise entwickelt werden. Teil die-ser Vorgehensweise war die Aufnahme der in Anhang A dargestellten Daten.
Bei den Untersuchungen werden bevorzugt k l e i n e Messgeräte betrachtet. Grund hierfür
ist die hohe Verfügbarkeit von Geräten mit niedrigem Nenndurchfluss qp. Weiterhin reagieren
solche Geräte erfahrungsgemäß stärker auf Ablagerungen als Geräte mit großem Nenndurch-fluss. Bei der Auswahl der zu untersuchenden Geräte spielt das Messprinzip keine Rolle.
Die Analyse der Geräte umfasst die makroskopische und mikroskopische Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit. Dabei werden beispielsweise auch Farbe und Verteilung der Ablagerungen betrachtet.
Um eine Übersicht über die bei der Ablagerungsbildung wirkenden Mechanismen zu er-halten, wurden auch chemische Untersuchungen durchgeführt. Die zur Anwendung kommen-den Methokommen-den sind im Kapitel 4.2 beschrieben.
Mit Hilfe der Untersuchungsergebnisse wird dann geprüft, ob und mit welchen techni-schen Methoden Oberflächenveränderungen beschleunigt generiert werden können.
Nach der Entwicklung eines Verfahrens zur beschleunigten Generierung von realitätsna-hen Ablagerungen, muss mittels Messungen geprüft werden, ob sich eine Korrelation der durch die Labor-Ablagerungsschichten entstehenden Messabweichungen mit bereits gemes-senen, durch reale Ablagerungen hervorgerufene Messabweichungen nachweisen lässt.
Neben der Entwicklung eines Verfahrens zur beschleunigten Generierung von realitätsna-hen Ablagerungen ist die Entwicklung technischer Lösungen, die der systematiscrealitätsna-hen Unter-suchung des Wachstums von Ablagerungen unter bekannten und kontrollierten Randbedin-gungen dienen, notwendig. Zu den entscheidenden Einflussfaktoren gehören beispielsweise Wasserqualität, Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur und Material. Die entwickelten Ver-fahren und die dabei berücksichtigten Aspekte werden in Kapitel 10.6 beschrieben.
Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse dienen dazu, technische Lösungen und Richtlinien zu definieren, die der Bildung von Ablagerungen in Wärmezählern entgegenwir-ken.
3
3..22 AANNAALLYYSSEEVVEERRFFAAHHRREENN
3
3..22..11 OOPPTTIISSCCHHEEAANNAALLYYSSEEVVEERRFFAAHHRREENN
In dieser Arbeit spielen, wie in den vorangegangenen Arbeiten, optische Untersuchungen eine wichtige Rolle. Von besonderem Interesse sind hierbei die Farbe, Morphologie und Vertei-lung von Ablagerungen bzw. Veränderungen von Oberflächen. Ziel der optischen Analysen ist es einen qualitativen Überblick über verschiedene Formen von Ablagerungen wie sie im Feld auftreten zu erhalten. Später erzeugte Modellablagerungen werden dann mit diesen ver-glichen.
Es wurde sehr schnell klar, dass eine visuelle Untersuchung der betrachteten Oberflächen und die Dokumentation mittels einer Kamera aufgrund der geringen Auflösung nicht aus-reicht. Hinzu kommt, dass bei einer rein visuellen Untersuchung Strukturen unbemerkt blei-ben, deren Größe unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegen. Sie
werden daher mit Mikroskopen untersucht.1
Mehrere Mikroskoptypen stellen sich als für die Untersuchung geeignet dar:
Klassische Lichtmikroskope und
Elektronenmikroskope
Das mögliche Auflösungsvermögen eines klassischen Lichtmikroskops ist von der Wellen-länge des verwendeten Lichts abhängig und auf etwa 200 nm beschränkt.
Um Details zu erkennen, die mit dem Auflösungsvermögen eines Lichtmikroskops nicht mehr erfasst werden können, muss ein anderes Verfahren zu Einsatz kommen.
Mikroskopische Verfahren, die auf anderen physikalischen Prinzipien beruhen, sind die
sogenannten elektronenmikroskopischen Verfahren.
Ein Rasterelektronenmikroskop REM ( ) (engl.: SEM, Scanning Electron Microscope)
ras-tert ein dünner Elektronenstrahl über die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts. Dabei werden aus dem Objekt wieder austretende bzw. rückgestreute Elektronen, detektiert. Die Bilderzeugung wird dann Zeile für Zeile realisiert.
Da Elektronen sehr viel kleinere Wellenlängen als sichtbares Licht besitzen, können mit Elektronenmikroskopen deutlich höhere Auflösungen (ca. 0,1 nm) erzielt werden, als mit den klassischen Lichtmikroskopen.
Die Nachteile eines REMs liegen zunächst in dem begrenzten Raumangebot der
Vaku-umkammer. Dies bedeutet, dass lediglich kleine Objekte untersucht werden können (d.h. Um-lenkspiegel etc.). Sollen Oberflächen von z.B. Durchflusssensoren untersucht werden, so müssen passende Stücke dieser Bauteile „zurechtgeschnitten“ werden.
Präparate, die in die Vakuumkammer eingebracht werden, müssen trocken sein. Um eine Verschmutzung der Vakuumkammer zu vermeiden, dürfen keine losen Teilchen auf der Ober-fläche vorhanden sein. Das erhöht den Aufwand bei der Präparation. Das benötigte Vakuum ist für die Präparation der zu untersuchenden Objekte nötig, wozu das Präparat getrocknet und fixiert werden muss. Um eine hohe Bildqualität zu erreichen und eine elektrostatische Aufla-dung zu verhindern, wird die Probe noch mit einer dünnen leitenden Goldschicht versehen.
Elektronenmikroskope sind aufgrund der sehr hohen Anschaffungs- und Unterhaltskosten vornehmlich in Forschungsinstituten und Dienstleistungsunternehmen anzutreffen. Für diese
Arbeit, wurden Geräte der PTB-Institut Berlin sowie der ZELMI (TU Berlin) eingesetzt.
3
3..22..22 CCHHEEMMIISSCCHHEEAANNAALLYYSSEEVVEERRFFAAHHRREENN
Neben den optischen Analysen sind chemische Analysen ein wichtigen Bestandteil dieser Arbeit. Hierbei werden zwei Richtungen beachtet:
Wasseranalysen und
Analysen von Ablagerungen
Die Verfahren, die bei der chemischen Analyse zum Einsatz kommen, werden hier nicht nä-her betrachtet. Tabelle 1 gibt einen Überblick über Verfahren, die bei der Analyse von Was-serproben zur Anwendung kommen. Weitergehende Informationen können der entsprechen-den Literatur entnommen werentsprechen-den.
Tabelle 1: Haupttitel der Deutschen Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlamm untersuchung [21]
Um Proben zur Analyse von Ablagerungen zu erhalten, können Ablagerungen z.B. von Ober-flächen abgekratzt werden. Die dabei anfallenden Probemengen sind in der Regel gering. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei der Analyse. Hinzu kommt, dass die zu untersuchenden Strukturen zerstört werden.
Einfacher gestaltet sich die chemische Analyse von nicht gelösten Bestandteilen im Fernwärmewasser. Die hierbei anfallenden Probemengen, die über Filtration gewonnen wer-den, sind üblicherweise ausreichend groß.
Eine berührungsfreie Methode der chemischen Analyse von Oberflächen ist die
(engl. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, ).
dispersive Röntgenspektroskopie EDX
Das Verfahren ist zu der Gruppe der Röntgenspektroskopien zu zählen. Hierbei wird die von einer Probe emittierte Röntgenstrahlung für die Untersuchung der Elementzusammenset-zung genutzt. Mit einem Elektronenstrahl werden die Atome im oberflächennahen Bereich der Probe angeregt; sie emittieren daraufhin Röntgenstrahlung mit einer elementspezifischen Energie.
Die Kombination von REM und der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) ermöglicht Elementverteilungsbilder aufzunehmen.
3
3..33 UUNNTTEERRSSUUCCHHUUNNGGVVOONNVVEERRSSCCHHIIEEDDEENNEENNBBEESSCCHHIICCHHTTUUNNGGSSVVEERRFFAAHHRREENN
Zielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens mit dessen Hilfe Wärmezähler mit Modellablagerungen versehen werden können. Diese Modellablagerungen erzeugen dann Messabweichungen, wie sie in der Praxis nachweisbar sind.
Zunächst muss man sich grundsätzlich darüber klar werden, welche Kriterien für die Auswahl des Verfahrens wichtig sind.
Es spielen zunächst die Kosten für das auszuwählende Verfahren eine wichtige Rolle. Es ist darauf zu achten, dass teure Anschaffungen für Spezialanlagen, Beschichtungsmaterialien, Infrastruktur (Ort, Personal) vermieden werden. Das erfordert ein möglichst einfaches, ohne großen Aufwand und Vorbereitung durchzuführendes Verfahren. Wünschenswert ist es auch, dass es mit diesem Verfahren möglich ist, alle in Wärmezählern bzw. Durchflusssensoren von Wärmezählern verwendeten Materialien zu beschichten und nicht für jeden Werkstoff ein gesondertes Verfahren entwickeln zu müssen.
Weiterhin soll das Verfahren die Generierung von Modellablagerungen innerhalb eines
kurzen Zeitraums ermöglichen, damit schnell aussagefähige Messdaten über die metrologi-schen Veränderungen von z.B. neu entwickelten Geräten erzielt werden können. Ein weiterer Aspekt der bei der Auswahl/Entwicklung des Verfahrens zu beachten ist, dass das Beschich-tungsverfahren vorzugsweise Modellablagerungen generiert, die wieder leicht und ohne Rückstände zu entfernen sind. Dies hat den Vorteil, dass die Zahl der Testgeräte gering gehal-ten werden kann. Die Reproduzierbarkeit der ermittelgehal-ten Ergebnisse an demselben Testgerät ist hierbei der entscheidende Aspekt.
3
3..44 AARRBBEEIITTSSPPLLAANNZZUURRBBEESSCCHHIICCHHTTUUNNGGVVOONNTTEESSTTGGEERRÄÄTTEENN
Die Vorgehensweise zur Feststellung der relativen Messabweichung eines beschichteten Durchflusssensors (DFS) soll exemplarisch an einem U-Strahler dargestellt werden. Es konn-ten im Rahmen dieser Arbeit nicht alle Bauformen von Ultraschall-Durchflusssensoren unter-sucht werden. Die unterunter-suchten Geräte besitzen aber alle eine schallharte, metallische Mess-strecke. An solchen Ultraschall-Durchflusssensoren wurden Beschichtungstests durchgeführt. Der erste Schritt der Untersuchung des Schichteinflusses war die Feststellung der relati-ven Messabweichung der zu prüfenden Geräte im Neuzustand gegenüber dem Wägesystem
(Arbeitsschritt I). Da die Geräte im Laufe der folgenden Tests mehrfach demontiert und
mon-tiert werden sollten, musste zunächst festgestellt werden, wie sich Demontage und erneute Montage von Neugeräten auf das Messverhalten auswirken. Hierzu wurden die Geräte im Anschluss an die erste Messung komplett zerlegt, wieder zusammengesetzt und dann erneut
die relative Messabweichung am Prüfstand festgestellt (Arbeitsschritt II).
Es erfolgte dann die eigentliche Demontage der Wärmezähler mit dem Ziel einer ersten Beschichtung der schallführenden Bauteile mittels des Suspensionsverfahrens. Nach der er-neuten Montage der Geräte erfolgte eine Feststellung der Messabweichung der behandelten
DFS (Arbeitsschritt III). Bild 14 zeigt das demontierte, beschichtete Gerät bzw. die
beschich-teten Bauteile. Anschließend wurden die Geräte einer Grobreinigung (ohne Demontage) un-terzogen.
Um den Erfolg der Grobreinigung zu überprüfen, wurde eine erneute Messung am
Prüf-stand durchgeführt (Arbeitsschritt IV). Zum Schluss wurden die Geräte gemäß den geltenden
Richtlinien des AGFW-Arbeitsblattes FW 201 einer Detail-Instandsetzung einschließlich Reinigung unterzogen und somit wieder in einen neuwertigen Zustand versetzt. Mit einer wei-teren Messung wurde das Messverhalten des Zählers nach der 1. Instandsetzung überprüft
(Arbeitsschritt V).
Da der Einfluss der aufgebrachten Beschichtung auf die Messabweichung des Prüflings reproduzierbar sein muss, wurden die Geräte in gleicher Weise erneut demontiert, zum zwei-ten Mal beschichtet und wiederum einer Prüfung der Messabweichung unterzogen (Arbeits-). Nachdem der Einfluss der im zweiten Beschichtungszyklus aufgebrachten Be-schritt VI
schichtung gemessen wurde, wurde nach einer kompletten Zerlegung und 2. Instandsetzung durch eine weitere Messung die Messabweichung am Prüfstand festgestellt (Arbeitsschritt
). Auf eine Grobreinigung wurde verzichtet. VII
Nach den ersten vorgenannten Arbeitsgängen wurden Versuche zur Untersuchung der Dauerhaftigkeit des Einflusses der Beschichtung durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen wurde die relative Abweichung des Geräts erneut nach erfolgter Beschichtung (Arbeitsschritt
und ) und Instandsetzung ( und ) gemessen. Die Messdauer war bei
VIII X Arbeitsschritt IX XI
diesen Arbeitsschritten jedoch deutlich länger als bei den vorangegangenen Messungen. Die Vorgehensweise bei der Überprüfung des Einflusses der Beschichtung auf den Mess-fehler der Prüflinge wird am Beispiel des Zählers 01 exemplarisch beschrieben.
Bild 14: Beschichteter U-Strahler als Testzähler mit Kunststoffeinsatz
E
ENNTTWWIICCKKLLUUNNGGDDEESSMMEESSSSPPRROOGGAAMMMMSS((SSPPÄÄTTEERRMMEESSSSPPRROOGGRRAAMMMM11,,MMPP11))
(1) MESSUNG NACH MESSPROGRAMM 1 IM AUSLIEFERUNGSZUSTAND (ARBEITSSCHRITT I)
Das Messprogramm 1 ist in Tabelle 2 dargestellt. Der Ablauf ist graphisch dem Bild 15 zu entnehmen.
Tabelle 2: Ablauf Messprogramm 1 Messprogramm 1 Messung Nr. Durchfluss Messdauer in l/h in s 1, 10,19 1200 120 2, 11, 20 600 120 3, 12, 21 300 180 4, 13; 22 150 180 5, 14, 23 75 300 6, 15; 24 60 300 7, 16, 25 30 300 8, 17, 26 12 600 9, 18, 27 6 600
Die Geräte befinden sich im Auslieferungszustand, d.h. der Prüfling ist fabrikneu. Die Mess-werte für die Messabweichungen im Neuzustand werden bestimmt.
Alle Messungen erfolgen nacheinander, ohne Pause, ohne Ausbau, ohne Reinigung etc. Die Messungen werden zur Erhöhung der Vergleichbarkeit immer am selben Prüfstand, an derselben Position und in derselben Einbaulage durchgeführt.
Die Gesamtdauer der Messzyklusvariante liegt bei 135 Minuten. Die Prüftemperatur be-trägt ca. 50 °C.
Bild 15: Ablauf zum Messprogramm 1
(2) KOMPLETTDEMONTAGE UND ZUSAMMENBAU
Die Montage und Demontage wird immer durch dieselbe Person ausgeführt.
Ablauf Messprogramm 1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0 5 10 Messung 15 20 25 30 Du rchf luss in l/h
(3) MESSUNG NACH MESSPROGRAMM 1(ARBEITSSCHRITT II)
(4) DEMONTAGE UND AUFBRINGEN DER SCHICHT AUF BAUTEILE UND IN MESSSTRECKE
Bild 16 zeigt den beschichteten Zähler 01. Es ist zu erkennen, dass der Prüfling sowohl innen als auch außen belegt ist.
Bild 16: Zähler 01 nach Beschichtung
2 ← 1: Durchflussrichtung (5) ZUSAMMENBAU DER VERSCHMUTZTEN BAUTEILE
Zuerst wird das getrocknete Filtrat an der äußeren Oberfläche entfernt, da es keinen Einfluss auf die Messung hat und der Zusammenbau erleichtert wird.
Beim Einbau der Strahlumlenkspiegel ist auf den korrekten Sitz zu achten. Dies ist wich-tig, um Fehlmessungen durch Fehlpositionierung zu vermeiden. Verschmutzte Gewinde oder Spiegelsitze werden nur trocken gereinigt (z.B. Pinsel), da beim Einsatz von Wasser und Bürste auch messtechnisch wichtige Teile der Beschichtung entfernt werden könnten.
(6) MESSUNG DES ZÄHLERS IM VERSCHMUTZEN ZUSTAND (ARBEITSSCHRITT III) GEMÄß
MESSPROGRAMM 1
(7) GROBREINIGUNG OHNE VORHERIGE DEMONTAGE
Das ist ein einfacher Test, ob bereits eine einfache Methode ausreicht, den Zähler wieder in den Ausgangszustand zu versetzten. Hierbei wird mittels eines Schlauches sauberes Wasser durch das Gerät gespült.
Die Bilder 17 bis 19 zeigen den Zähler 01 nach der Grobreinigung. Deutlich ist zu sehen, dass die Beschichtung innerhalb des Durchflusssensors weggespült wird. Auf den Transducern ist die Beschichtung nur teilweise entfernt worden.
