Projekt 08507/01

Entwicklung eines mobilen netzunabhängigen Meßgerätes für Durchflußmessungen in teil- und vollgefüllten Abwasserkanälen mit Steuer- und Regeltechnik

Projektdurchführung

GEOS Daten- und Umwelttechnik GmbH
Celler Str. 81
38114 Braunschweig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Zielsetzung des Projektes bestand in der Entwicklung eines neuartigen Ultraschall- Durchflussmengenmeßsystems für teil- und vollgefüllte Abwasserkanalprofile mit Regelungstechnik zur Kanalbewirtschaftung sowie die Untersuchungen zur Eignung des Gerätes für diesen Bereich. Das Gerät sollte sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen: Messfehler +/- 3%, Strömungsrichtungserkennung, keine bewegten mechanischen Bauelemente, leichte Montierbarkeit im Abwasserkanal, geringe Aufstau erzeugende Einbauten im Kanalquerschnitt, geringer Batterieverbrauch, Steuer- und Regelmöglichkeit, geringe Gesamtkosten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Ergebnis einer gutachterlichen Diskussion des ursprünglichen Projektantrages war vorgeschlagen worden, das Projekt in zwei Phasen durchzuführen. In der ersten Phase sollte unter Mitwirkung des Leichtweiß-Institutes der TU Braunschweig die eigentliche Geräteentwicklung stattfinden. In der zweiten Phase sollte ein Partner eingebunden werden, der die entwickelte Technologie in der Praxis unter realen Bedingungen erprobt. In der ersten Projektphase sollten folgende Schritte umgesetzt werden: genaue Analyse der Ausgangsdaten; Entwicklung der Sensorkopfelektronik zur Durchflussmessung (Schaltplanentwicklung, Bauteilauswahl und Bauteiltest, Platinen- Layout für Testmuster, Aufbau eines größeren Testmusters, Test und Fehlerbehebung, Platinenlayout Prototyp, Aufbau Prototyp, Sensorkopfelektronik und Test); Entwicklung eines kleinen strömungsgünstigen Sensorkopfes; Entwicklung der Erfassungs- und Aufzeichnungselektronik; Hardware-Programmierung mit Fehlersuche (Erfassungssoftware, Aufzeichnungs-Software); Entwicklung der Signalprozessorelektronik; Entwicklung und Programmierung der Signalprozessorelektronik; Testläufe (am Leichtweiß-Institut, im Oldenburger Kanalnetz, Fehlerbehebung); Aufbau einer Demonstrationsmessstrecke im Oldenburger Abwassernetz; Abschlussbericht.


Ergebnisse und Diskussion

Zum Projekt liegt der Abschlussbericht von April/ 1999 vor. Trotz der großen Vielfalt an Durchflussmessgeräten sind deren Anwendungsmöglichkeiten in der Abwas-sermesstechnik durch die heterogene Zusammensetzung stark eingeschränkt. Für Applikationen im Abwasserbereich können daher keine mechanischen oder den Querschnitt stark beeinträchtigende Sensoren eingesetzt werden. Eine umfassende Systemanalyse zeigte, dass akustische Durchflussmesssyste-me, deren Entwicklung in jüngster Zeit auf den Gebieten Umwelt- und Verfahrenstechnik schnell vorangeschritten ist, keine mechanisch bewegten Bauelemente besitzen, sich durch kleine Druckverluste und Messzeiten auszeichnen und für beide Strömungsrichtungen eingesetzt werden können. Akustische Durchflussmessverfahren, deren Schallfrequenzen meist im Ultraschallbereich liegen, lassen sich grundsätzlich nach ihren physikalischen Effekten in drei Kategorien aufteilen. Laufzeit-, Doppler- und Driftverfahren. Zur Zeit werden hauptsächlich die beiden ersten industriell angewandt.
Das im Projekt entwickelte Meßsystem besteht aus einer elektronischen Datenerfassungs- und Mikroprozessoreinheit, welche sich in einer druckfesten Kapselung nach Explosionsschutzrichtlinien befindet. An diesem Gehäuse befinden sich Ein- und Ausgänge für den anzuschließenden Sensorkopf mit den Ultraschallschwingern und einer Höhenstands-Sonde sowie dem Anschlusskabel für die Bedienung und den Signalausgang. Die Datenerfassung hat einen Durchmesser von 12 cm und eine Höhe von 40 cm. Das Messgerät kann daher leicht transportiert und unterhalb eines Schachtdeckels befestigt werden. Der Sondenkopf wird auf der Kanalsohle mit handelsüblichen Spannringen arretiert.
Das System wird mit 6 handelsüblichen Monozellen betrieben. Zur Datenauslesung ist die Datenerfassungseinheit mit einem Handgerät oder einem Notebook zu verbinden. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt auf der Basis des Doppler-Ultraschallverfahrens und die Höhenstandsmessung mittels einer Druckzelle. Aus Geschwindigkeit und Füllstand wird der Durchfluss unter Einbeziehung der Profilform in der Datenerfassungseinheit ermittelt.
Um die Beeinflussung des Abflussquerschnittes im Kanalstrang so gering wie möglich zu halten musste der Sensorkopf so klein wie möglich gestaltet werden. Nach einer Reihe von Konstruktionen und strömungstechnischen Anforderungen wurde der Sensor mit den Maßen l x h x b = 120 x 120 x 40 mm entwickelt. Im Sensorgehäuse befindet sich die Elektronik zur Ultraschallumwandlung, der Ultraschallsender und -empfänger sowie die Druckzelle zur Höhenstandsmessung. Das Gehäuse ist aus abwasserresistentem Kunststoff (POM) gefertigt.
Bei der Entwicklung des Sensorkopfes ergaben sich Schwierigkeiten hinsichtlich des Vergießens der Ultraschallschwinger, da die spezifizierten Herstellerangaben von sämtlichen Vergussmassen hinsichtlich der Feuchtigkeitsaufnahme und der Quelleigenschaften nicht hundertprozentig stimmten.
Dieses hatte einen erheblichen finanziellen und zeitlichen Mehraufwand bei der Entwicklung des Sensorkopfes zur Folge als ursprünglich eingeplant war. Es stellte sich kein befriedigendes Ergebnis bei der Langzeitstabilität der Geschwindigkeitsmessung ein. Aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme der Vergussmassen kommt es zu einem Quellvorgang des Harzes, welches eine Dämpfung der Ultraschallwandler bedingt. Dieses führt zu einem erheblichen Leistungsverlust in der Abstrahlung, so dass es nach einiger Betriebszeit zu Fehlmessungen und sogar Messwertausfällen kam. Damit man hier zu einem gesicherten Ergebnis gelangt, wären weitere Umkonstruktionen des Sensorkopfes notwendig, um andere Vergusstechniken und Vergussmassen zu testen.
Aufgrund der Sensorproblematik konnten noch keine abschließenden Messphasen durchgeführt werden. Es wurden lediglich Kurzzeittests zur Überprüfung der Geschwindigkeitsmessung durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die stellte Forderung nach einer Fehlertoleranz von +/- 3% eingehalten werden konnte. Am Institut für Wasserwirtschaft an der FH Magdeburg konnten in der dortigen Versuchsrinne Messungen mit Geschwindigkeiten bis zu 1 m/s durchgeführt werden. Am Leichtweiß-Institut der TU Braunschweig konnten in einer Rohrleitung Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 1,5 m/s gemessen werden. An einer Meßrinne in der Firma GEOS wurden Langzeitgtestmessungen mit gleichbleibender Geschwindig-keit von 0,3 m/s und Richtungskontrollen gefahren.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Aufgrund der verfahrenstechnischen Probleme bei der Entwicklung des Gerätes führte die Firma GEOS keine Öffentlichkeitsarbeit im Projekt durch.


Fazit

Die Firma GEOS leitete die weitere Entwicklung des Durchflussmengenmessgerätes nicht mehr in eine zweite Projektphase über. Der künftige Weiterentwicklungsbedarf für den Praxiseinsatz wäre nach Einschätzung des Unternehmens aufgrund der im Projekt gewonnenen Erkenntnisse noch zu groß gewesen.