Praxistipp – Anwendungskalibration für Standard- und Extrem-Durchflussmessaufgaben

Einleitung

Die Strömungsbedingungen für Durchflussmessungen in Abwasseranlagen sind häufig nicht ideal. Aus 40 Jahren Erfahrung HST und 25 Jahren HST-Zangenberg ist bekannt, dass jede Ausgangssituation sowie die Strömungsverhältnisse situativ anders sind. Damit die Anlage auch bei den schwierigsten Strömungsverhältnissen verlässliche Daten liefert, muss jedes Messsystem und jede Drossel unter Realbedingungen kalibriert werden.

Im HST Kompetenzzentrum für Durchfluss in Schliengen ist es möglich, jede Strömungssituation realitätsnah nachzustellen und die Lösung fein zu justieren. So werden Messfehler vermieden. Die Amortisierung einer Peliqanlösung ist innerhalb eines Jahres möglich.

Abbildung 1 Messtrecken des HST Prüfstandes

Anwendungskalibration

Was ist der Unterschied zwischen normaler (Ideal-)Kalibration und der Anwendungskalibration?

Bei einer „normalen“ Kalibration wird ein Durchflussmessgerät unter Idealbedingungen geprüft. Es werden keine anwendungsbezogenen Strömungssituationen berücksichtigt. Die Verantwortung und das Risiko, ob die Messung richtig ausgelegt ist, die Einbaubedingungen eingehalten und die erforderlichen Strömungsbedingungen geschaffen wurden, liegt beim Endanwender.

Bei der unter Realbedingungen stattfindenden Anwendungskalibration werden alle Störungen vor Ort ermittelt und beim Situationsnachbau berücksichtigt. HST-Zangenberg gewährt die Akzeptanzgarantie dafür, dass die Überprüfungen durch Behörden und Sachverständigen nach EKVO, SüwV-kom, EÜV etc. akzeptiert und abgenommen werden.

Warum reicht die normale Messgerätekalibration nicht aus?

Die von den Herstellern angegebenen Ein- und Auslaufstrecken oder Beruhigungsstrecken geben nur eine Empfehlung ab. Es gibt Situationen da reicht 0xD aus, aber häufig können 5xD nicht ausreichen. Schlimmstenfalls gibt es auch Strömungsstörungen, die nicht mit 50xD zu entfernen sind.

Neben den Verwirbelungen gibt es auch Störungen durch Lufteintrag. Diese treten nach einem Absturz oder im Fallrohr auf und können nicht durch Beruhigungsstrecken beseitigt werden. Der gefährliche Lufteintrag und die Strömungsstörungen werden bei der Anwendungskalibration durch 1:1 Simulation sichtbar gemacht und durch die Einstellung der richtigen Beruhigungsmaßnahmen eliminiert. Die Anwendungskalibration gibt den Beweis und die Sicherheit, dass alle Anwendungsschwierigkeiten beachtet und korrigiert wurden.

Die erste Inbetriebnahme einer individuellen Kundenlösung erfolgt demnach auf dem HST-Zangenberg Prüfstand. Dieser Prüfstand kann wie ein RRB oder Stauraumkanal gefahren werden.

Wenn am vorgegebenen Messpunkt vor Ort hydraulisch schwierige, instationäre oder ungleichförmige Strömungsverhältnisse herrschen, muss diese Situation und die zugehörige Messstelle mit allen Komponenten auf dem Prüfstand nachgebaut werden. Nur auf diese Weise kann ein verifiziertes Messsignal für die weitere Nutzung zur Verfügung gestellt werden.

Abbildung 2 Doppel-Peliqan am Prüfstand

Einzelprüfung und Anwendungskalibration

Durchflussmessungen müssen in den individuellen, örtlichen Situationen einwandfrei funktionieren. Deshalb müssen die vorhandenen hydraulischen Situationen berücksichtigt werden. Die Hersteller geben je nach Messsystem und Messmethode unterschiedliche Beruhigungsstrecken für eine störungsfreie Messung an. Üblicherweise wird von 5x bis 10xDN Vorlauf- und ca. 3xDN Nachlaufstrecke kalkuliert. In vielen Fällen sind diese Vorgaben allerdings nicht ausreichend. Dies betrifft häufig Fallleitungen, Rohrübergänge, variierende Fließgeschwindigkeiten oder mögliche Lufteinschlüsse. Weiter ist oft nicht genug Platz im bestehenden Bauwerk vorhanden, um die Beruhigungsstrecken einzuhalten. Bei der Einzelprüfung wird jedes System einzeln geprüft und hydraulisch kalibriert. Dabei werden alle Fehler, die durch den Messaufnehmer, die Toleranzen der Verrohrung und durch Rohrübergänge erzeugt werden, miterfasst und auf dem HST-Zangenberg Prüfstand justiert. Der HST-Zangenberg Prüfstand ist der einzige, auf dem reale Situationen nachgebaut und kalibriert werden können.

Es wird die individuelle Messstrecke aufgebaut und einer Einzelprüfung unterzogen. Durch empirische Ermittlung der Beruhigungsmaßnahmen wird das System genau angepasst. Bei der folgenden Kalibrierung der Messstrecke werden sämtliche Störfaktoren berücksichtigt und korrigiert.

Auf dem HST Prüfstand werden Strömungsschwierigkeiten 1:1 nachgebaut. Die Messfehler liegen dabei bei weniger als 2%. So kann eine erfolgreiche Durchflussmessung in der Realsituation gewährleistet werden

Abbildung 3 Einsatz Doppel-Peliqan am Prüfstand.

Strömungsstörungen bekämpfen

Bei einem Peliqan mit Staukasten entstehen im unbearbeiteten Beruhigungskasten Verwirbelungen, die zu einer Fehlmessung im MID führen. In diesem Fall reicht eine längere Einlaufstrecke auch nicht immer aus. Dies bedeutet jedoch einen größeren Platzbedarf (großes Bauwerk). Nach Einbau von Strömungsbeeinflussern werden Gegenwirbel aufgebaut. Diese schwächen die Wirbel soweit ab, dass die Messgenauigkeit des MIDs erhalten bleibt. Strömungsbeeinflussung erfolgt bei Abwasser immer mit glatten Oberflächen, damit Fasern und Feststoffe nicht hängen bleiben.

Durchflussmessung

Durch Untersuchungen der Uni Darmstadt wurde bereits vor 25 Jahren aufgezeigt, dass über 50% der eingesetzten Durchflussmessungen die EKVO Prüfungen nicht bestanden haben. Selbst 2005 waren es immer noch ca. 30%.

In den meisten Fällen wird eine einfache kostengünstige Messung eingebaut ohne zu berücksichtigen, dass hierbei die Messfehler schnell größer als 20% sein können. Bei Messfehlern solcher Größe amortisiert sich eine Peliqan-Durchflussmessung ab einem Durchfluss von 50 m³/Tag innerhalb eines Jahres.

Seit 25 Jahren ist die Messgerätebasis des Peliqans ein Magnetisch induktiver Durchflussmesser (MID) für vollgefüllte Leitungen. Nur diese Geräte ermöglichen es uns Strömungs- und Platzprobleme in den Griff zu bekommen. Es ist das einzige Messverfahren das es uns ermöglicht ohne Ein- und Auslaufstrecken auszukommen. Auch sind MIDs gegenüber Ablagerungen weit unempfindlicher als alle anderen Messverfahren.

Der Peliqan besteht aus einem Montageadapter, der an oder im Zulaufrohr des Schachtes angebracht wird. Der Stau- und Beruhigungskasten, beruhigt die Strömung und trennt Luft vor der Messung ab. Der magnetisch induktive Durchflussmesser (MID) wird mit einer ziehbaren Stauwand in den Staukasten geschoben. Ein Auslaufbogen am Ende des Messrohres sorgt für die notwendige Vollfüllung. Das System wird so montiert, dass die gesamte Einheit von oben hochgezogen werden kann. Dies bedeutet, dass ein Schachteinstieg bei Wartungsarbeiten nicht notwendig ist. Der oben offene Kasten spart einen Bypass. Er dient als Notüberlauf, wenn eine nicht kalkulierte Abwassermenge in das System läuft oder das System verstopft. Die überlaufende Menge wird durch eine  kalibrierte Wehrmessung erfasst. Eine Verstopfung kann durch einen aktiven Schmutzdetektor früh erkannt und gemeldet werden.

Abbildung 8 Der Peliqan
Abbildung 9 Messungen nach einem Rundschacht, im Rundschacht und in Sandfang

Peliqan – Einsatzgebiete, Vorteile

Um eine bessere Durchflussmessung zu installieren, werden sehr häufig Umbauten empfohlen.  Anders beim Peliqan: ohne Umbauten kann einfach, zuverlässig und glaubwürdig (gerichtsverwertbar) Durchfluss im Abwasser gemessen werden.

Die Durchflussmessung im Kanalnetz gehört zu den wichtigsten Anwendungen des Peliqans. Vorteile des Peliqans umfassen eine einfache Reinigung und keine Gefahr durch Verstopfung wegen des Notüberlaufs. Aufgrund der geringen Beruhigungsstrecken passt der Peliqan auch in kleine Schächte. Ein Umbau ist meist nicht erforderlich. Weiterhin kann der Peliqan auch an ungewöhnlichen Orten eingesetzt werden. So ist eine Installation im Sandfang einer Kläranlage oder auch in senkrechten Fallleitungen und unter Rückstau möglich.

Auch in der Industrie wird der Peliqan zur Abwasserabrechnungsmessung unter Extrembedingungen zum Beispiel chemikalienbeständig eingesetzt. Zudem können bei Kläranlagen Zu- und Auslaufmessungen vorgenommen werden oder die Abwasserkostenverteilung in Chemieparks gemessen werden.

Abbildung 10 Durchflussmessung ohne Einlaufstrecke

Peliqan an Fallrohren

Laut Messgeräteherstellern sollen Durchflussmesser nicht vor, nach oder in einem Fallrohr montiert werden, da Luft eingetragen wird und Verwirbelungen entstehen. Durch die Möglichkeiten eines Prüfstands und einem Luft-/Wasser-Phasentrenner können die extremsten Strömungssituationen simuliert und korrigiert werden.

Abbildung 11 Messung im 4m Fallrohr.

Beweis durch Anwendungskalibration

  • Die erste Kalibration zeigt die Schwierigkeiten der Messstelle auf. Hier 50-100% Messfehler.
  • Nach Justierung der Phasentrennung Wasser/Luft und Einrichten der Labyrinthkassetten zur Beruhigung und Wirbelbrechung wird der Messfehler immer kleiner. Kalibration 5-15%
  • Die Schlusskalibration lag bei Messfehler 0,15%.
  • Wir garantieren Messfehler <2% v Mw.

Anwendungsbeispiel – Peliqan Radarersatz

Im Auslauf der Kläranlage Langel war eine Radar Durchflussmessung eingebaut. Dieses hatte die SüwVkom Prüfung (EKVO) nicht bestanden. In das vorhandene Gerinne wurde ein Doppel Peliqan eingesetzt. In der Stauwand, die ins Gerinne so montiert wurde, dass sie als komplettes Teil entnommen werden kann, befinden sich 2 MIDs mit unterschiedlichen Durchmessern. Um den Messbereich nach unten zu verbessern, wurde ein kleiner MID, der nur bei Trockenwetter durchflossen wird, eingesetzt. Der größere wird nur bei den hohen Durchflüssen aktiv. Es ist keine Umschaltung zwischen den MIDs erforderlich. – Prüfung bestanden!
Abbildung 15 Die Radarmessung hat die SüwVkom Prüfung nicht bestanden.
Abbildung 16 Doppel Peliqan ersetzt die Radarmessung

Abflussregelung

Entwicklung Abflussreglungen

Regenbecken dienen zur Speicherung von Abflussspitzen bei Niederschlag. Zu diesem Zweck müssen die, dem Regenbecken zur Erzeugung eines Einstaus aus dem Kanal zufließenden Wassermengen begrenzt werden. Zu Beginn der Ära der Regenbecken wurden Begrenzung der Abflussmengen statische Abflussdrosseln in Form von kleineren Drossel-Rohren (Abb. 1) oder Drossel-Ventilen (Abb. 2) verwand. Dabei wurde der Querschnitt des Rohres oder der Ventile so bemessen, dass bei maximaler Einstauhöhe im Regenbecken die maximale nach oben begrenzte Abflusswassermenge erreicht wurde. Da der Abfluss eine Funktion der Stauhöhe ist, bedeutet dies, dass bei niedrigeren Einstauhöhen auch geringere Wassermengen als die Sollmenge aus dem Regenbecken abfließen. Daraus resultiert ohne Gegenmaßnahmen eine länger andauernde Entleerung des Regenbeckens. Es wird quasi Zeit verloren und Beckenvolumen nicht optimal genutzt.

Um nun auch bei unterschiedlichen Stauhöhen in den Regenbecken, möglichst den Sollwert konstant abfließen zu lassen wurden Abflussregler anstatt Abflussbegrenzer entwickelt, welche unabhängig von der Einstauhöhe bzw. der Wasserspiegelhöhe im Regenbecken immer einen möglichst gleichen konstanten Abfluss einhielten. Diese Eigenschaft wurde durch die sogenannte Trennschärfe auf Basis der Q/H Kennlinie (Abb. 3) zum Ausdruck gebracht. Diese Abflussregler oder auch immer noch Drosselorgane genannt, waren zunächst rein mechanische Konstruktionen, die über Schwimmermechaniken die Einstau- oder Abflussverhältnisse erkannten und die Abflussöffnung aus dem Regenbecken mechanisch reduzierten oder erweiterten, um den Sollabfluss zu erreichen. (Abb. 4+5)

Im Laufe der Zeit wurden diese rein mechanischen Regler zunehmend durch elektromechanische Regler ersetzt. Grund für diese Entwicklung war:

  1. die zunehmende Elektrifizierung der Regenbecken selbst,
  2. der Wunsch nach kontinuierlichen Messungen, einstellbaren Sollwerten sowie
  3. die Möglichkeit des Einwirkens bei Verlegung oder Fehlfunktionen vor Ort oder aus der Fernen

Herausgebildet und etabliert haben sich heute eine Auswahl elektromechanischer Abflussregler, welche den Wasserstand und/oder die Geschwindigkeit mittels Sensorik (Ultraschall/Radar/magnetisch-induktiv) kontinuierlich erfassen und automatisiert Absperrorgane je nach Einstauhöhe oder Durchflussmenge in die, für den Soll-Abfluss richtige Stellung fahren. Zur weiteren Orientierung bei der Auswahl von geeigneten Abflussregelungen gehen wir nachfolgend auf die spezifischen Anforderungen und Lösungen in Zusammenhang mit der Anwendung an Regenbecken ein. HST-Zangenberg hat das umfassendste Komplettangebot im Bereich Abflussregelung.

Abb. 17 Rohrdrossel
Abb. 18 Drossel-Ventil
Abb. 19 Q/H Kennlinie
Abb. 20 HydroMat-M
Abb. 21 HydroMat-M

Einbaumaße bzw. erforderliche Schachtgrößen

Bei Nachrüstungen oder Sanierungen können kompakte Abmessungen von Abflussreglern von Vorteil oder bestimmendes Merkmal sein, z.B. dann, wenn der Neubau eines Schachtes aus Platz-oder Kostengründen nicht in Frage kommt. In solchen Fällen sind der HST HydroMat-E (Abb. 7) und der Alligator (Abb. 9) aus dem Hause HST-Zangenberg die Lösung.
Der HST HydroMat-E zeichnet sich dabei durch geringste bauliche Abmessungen und Investitionen sowie der Möglichkeit zur Nassaufstellung im Oberwasser aus. Die Abflusswerte werden dabei aus den gemessenen Füllständen im Ober und /oder Unterwasser ermittelt. Sofern eine genauere-zuverlässige Durchflussmessung erforderlich ist, kommt der Alligator von HST-Zangenberg mit magnetisch induktivem Durchflussmesser und pneumatischer Regelklappe zum Einsatz. Hier werden kompakte Baumasse mit genauer und zuverlässiger magnetisch-induktiver Durchflussmessung kombiniert.

Abb. 22 HydroMat-E für geringste bauliche Abmessungen und Investitionen
Abb. 23 HydroMat-E im Bauwerk
Abb. 24 Alligator für genaue zuverlässige Durchflussmessung
Abb. 25 Der Alligator - passend für jedes Bauwerk

Mess-bzw. Regelgenauigkeit

Ein weiterer wesentlicher Aspekt, welcher über die Systemauswahl entscheidet, ist das Erfordernis, den Durchfluss genau und zuverlässig zu erfassen. Hier ist zudem noch abzuwägen, ob und in wie weit auch eine Betriebsweise bei Teilfüllung zu berücksichtigen ist. Induktive Vollfüllungsmessgeräte als Komponente einer Abflussregelung wie bei Alligator (Abb. 9, 10, 12), Anaconda (Abb. 11, 14) und HydroMat-Q (Abb. 7) im System sind bei richtiger Anwendung extrem zuverlässig, was die kontinuierliche Messung der Durchflüsse anbetrifft, insbesondere dann, wenn das ganze System werkseitig kalibriert wurde. Die Vollfüllung wird durch Dükerung oder temporären EInstau im geraden Rohr erzeugt. Diese bedarf wiederum einer Vorkehrung zur Verhinderung und Beseitigung von Ablagerungen, wie bei Alligator und Anaconda gegeben.

Beim Einsatz von Teilfüllungsmessgeräten in Abflussregelungen ist die zuverlässige Messgröße Durchfluss nur in Verbindung mit einer Anwendungskalibration und stetiger Nachkontrolle erzielbar. Bei Neubauten bzw. ausreichenden Platzverhältnissen in Schachtbauwerk und höchsten Anforderungen an Genauigkeit und Betriebssicherheit sind die HST-Zangenberg Anacondas unser klarer Favorit. Durch die pneumatischen Quetschventile (Abb. 13, 14) als Absprerr- und Regelorgane handelt es sich aufgrund der absoluten Barrierefreiheit um die sicherste und zuverlässigste Lösung im Abwasserbereich. Wer zusätzlich kontinuierlich nicht nur bei Vollfüllung, sondern auch bei Teilfüllung kontinuierlich messen will, kann die vorgenannten Systeme mit einem EMA-System bzw. der EMA-Funktion erweitern oder auf eine HydroMat-Q oder HQ-Lösungen zurückgreifen. In dieser Konfiguration sind z.B. Kleinstmengen erfassbar und damit Fremdwasserbestimmungen möglich.

EMA-Systeme (Elektronisch-digitale Mengen-Auswertung) nutzen neben einem aktuellen Messwert für die Teilfüllung, Daten und Statistik für eine Bestimmung des genauen Durchflusswertes und ermöglichen auch die Plausibilisierung von Durchflussdaten sowie eine Selbstkalibration von Abflussmessungen und-reglern. HydroMat-HQ-Systeme basieren auf Teilfüllungsmessverfahren mit Füllstand und Geschwindigkeit und sind zur Erhöhung der Messgenauigkeit mit hydraulisch optimalen Parabel-bzw. Eiquerschnitten erhältlich. Dadurch wird auch bei kleinen Trockenwettermengen eine Teilfüllung zur mess- und erfassbaren Größe.

Abb. 26 Anaconda für höchste Anforderungen an Genauigkeit und Betriebssicherheit
Abb. 27 Alligator Kalibration
Abb. 28 Quetschventil Anaconda
Abb. 29 Schwam Quetschventil Anaconda

Betrieb und Wartung

Natürlich gibt es auch, was Betrieb und die Wartung von Abflussreglern von Regenbecken anbetrifft einige Aspekte oder Themen zu berücksichtigen, wie z.B.:

  • die Bedienbarkeit und Bedienmöglichkeiten vor Ort oder auch aus der Ferne
  • die Aufzeichnung und Überwachung aller Prozess bzw. Betriebsdaten vor Ort oder aus der Ferne
  • gesetzliche Prüfungen aufgrund von Selbstüberwachung und Eigenkontrollverordnungen
  • Möglichkeiten der Dauer -und Selbstkalibration
  • die Vor-und Nachteile von Nass-oder Trockenaufstellung
  • Zugänglichkeit zu Sensorik und Aktorik
  • Möglichkeiten des Notbetriebs (Notumlauf und Notfallbedienung)

Durch unsere Erweiterungen IntelliFlow und SCADA.web sind Upgrades auch vorhandener Installationen auf 4.0 Ausrüstungen empfehlenswert

Abb. 30
Abb. 31

Betrieb und Wartung

Die Erweiterung SCADA.web alarmiert bei Störungen, zeigt den aktuellen Prozesszustand an und stellt alle Prozessdaten bereit. Die Erweiterung IntelliFlow ermittelt in Ergänzung zur Messung parallel Durchflussdaten, vergleicht und plausibilisiert diese und ermöglicht bei entsprechenden baulichen Rahmenbedingungen sogar eine automatische volumetrische Kalibrierung.

Die Erweiterung IntelliNet ermöglicht vollständige Automatisierung und Einbindung in die 4.0 Netzbewirtschaftung

Abb. 32

Anwendungsbeispiele

Abb. 34
Abb. 35

Erftverband Bergheim

Vor einem Schneckenhebewerk sollte eine Klappe ersetzt werden. Auf extrem engem Raum wurde eine verlässliche Regelung gesucht, die im Betrieb auch unter Wasser funktioniert.

Da das System am Zulauf eingesetzt werden sollte, waren eine automatische Selbstreinigung sowie eine einfache Reinigungsmöglichkeit Voraussetzungen für eine funktionierende Alltagslösung.

Der kurze Alligator direkt vor dem Schneckenhebewerk verbindet kürzeste Baulänge mit sicherer Regelleistung. Durch selbstständige Verlegungserkennung, den automatischen Spülstoßes sowie das schnelle Hochklappens des Gesamtsystems ist der Alligator optimal auf die Anforderungen des stark verschmutzten Abwassers eingestellt.

Musterprojekt Anfordern

Bei der Dimensionierung und Konfiguration von Abflussregelungen gibt es zahlreiche weitere Aspekte und Erfahrungen zu berücksichtigen. Einige können wir über unsere Checkliste erfahren, am leichtesten und sicher ist es jedoch im Gespräch mit unseren Fachingenieuren im Planerservice die Rahmenbedingungen und Anwendung im Dialog abzustimmen. Dort können Fragen zur hydraulischen sicheren Bemessung und Auslegung, zur Anordnung, zur Einbringung in das Bauwerk, zur Schaltanlage, zu Anschlüssen und Kabelwegen, zur Prozessüberwachung und Wartung individuell erörtert werden. Mit den gewonnenen Informationen können wir Ihnen dann einen passgenauen und zukunftSicheren Vorschlag ausarbeiten!

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