Durchflussmesstechnik im Abwasser
Vor rund 20 Jahren begann die STEBATEC, sich intensiv mit dem Thema Messtechnik für Abwasserkanäle zu befassen. Ausschlaggebend waren die immer wiederkehrenden Fragen, wie genau eine Durchflussmessung in den verschiedenen Messbereichen sein muss und welcher Preis dafür angemessen ist, welches System dem Kunden ein optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis bietet und wie die Messstellen zu gestalten sind, damit sie gut gewartet werden können. Als Automatisierungsfirma hatte STEBATEC auch immer wieder die Aufgabe, Durchflussmengen zu drosseln und Regelorgane aufgrund der Durchflusssignale anzusteuern.
In den 90er Jahren wurden von den Behörden neue Anforderungen an die Messtechnik in Kläranlagen gestellt. Damals wurden fast ausschliesslich Venturi-Messsysteme zur Erfassung der Durchflussmengen eingesetzt und es war der Mythos weit verbreitet, dass man, um zumindest an allen Messstellen das gleiche Fehlerverhalten zu haben, immer das gleiche Messverfahren einsetzen müsse. Im Laufe der Jahre hat sich jedoch gezeigt, dass für die unterschiedlichen Einflüsse wie Kanalnetzgefälle, Messbereich, Mindestabflüsse und Verschmutzungsanfälligkeit das jeweils am besten geeignete Messverfahren eingesetzt werden muss, um zufriedenstellende Messergebnisse zu generieren. Idealerweise sollten die Messgeräte nicht durch Bautoleranzen beeinflusst werden und die Systeme sollten nach der Erstkalibrierung in der Lage sein, sich selbst zu überwachen, indem z.B. einzelne Teilsignale miteinander verglichen werden, was wiederum Messsysteme erfordert, die mindestens zwei Parameter (z.B. Füllstand und Fliessgeschwindigkeit) messen und aufzeichnen.
Bei STEBATEC wurde daher intensiv nach Lösungen gesucht, um mit wesentlich weniger aufwendigen Messsystemen bessere und konstantere Ergebnisse zu messen. Vieles, was auf dem Markt angeboten wurde, wurde ausprobiert, jedoch ohne Erfolg, da die versprochenen Verbesserungen nicht eingehalten werden konnten. Als Beispiel sei hier die teilgefüllte Messung mit dem MID-Messsystem genannt. Die Nachteile waren in der Betriebsphase einfach zu gross. Eingeschränkte Messdynamik in Bezug auf Mindestfüllstand und Fliessgeschwindigkeit, mangelnde Nullpunktstabilität und Drift sind nur einige Punkte, die dem teilgefüllten MID-System zu schaffen machen.
Die Lösung bestand darin, das MID-System mit einem einfachen Rohrbogen so zu erweitern, dass es immer vollgefüllt messen kann. Nach jahrelanger Überzeugungsarbeit konnte das System schliesslich zur Marktreife gebracht werden und den Kunden eine zufriedenstellende Lösung präsentiert werden, die zudem wesentlich kostengünstiger war als eine komplette Venturibauweise. Die Messdaten waren ab diesem Zeitpunkt verlässlich und auch robust, jedoch ergab sich durch den permanenten Rückstau ein erhöhter Wartungsaufwand und somit weiterhin Optimierungspotential. Nach und nach wurden die Systeme verbessert und neue Technologien wie die LDM-Messung entwickelt.
| Abbildung: Das Hydrauliklabor am Hauptsitz der STEBATEC in Brügg bei Biel mit der Möglichkeit dauerhaft Durchflussmengen stufenlos bis 1600l/s zu erzeugen. Ein Werkbesuch lohnt sich allemal. |
Im über die Jahre gewachsenen und laufend optimierten Hydrauliklabor der STEBATEC können heute teil- und vollgefüllte Durchflussmessgeräte bis zu einem maximalen Durchfluss von 1600l/s kalibriert und geprüft werden. Das Hydrauliklabor als Versuchsanlage ermöglichte es, die Messverfahren ständig zu optimieren und neue Funktionen zu entwickeln. So können z.B. Verschmutzungen simuliert und durch Signalauswertung frühzeitig erkannt und gemeldet werden, bevor die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.
Vielseitige Anforderungen an Durchfluss-messungen
Die Erfahrung zeigt, dass Abflussmessungen für den aktuellen Bedarf ausgewählt und definiert werden, die Messdaten aber später vielseitig für andere Auswertungen verwendet werden, die z.B. eine höhere Genauigkeit in anderen Messbereichen erfordern oder gänzlich andere Anforderungen stellen. Sei es «nur» zur Kalibrierung von hydrodynamischen Modellen, auf deren Basis Bauwerke und Kanäle bemessen werden, oder zur Ermittlung von Fremdwassermengen, um Sanierungsmassnahmen zu priorisieren.
STEBATEC hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, nur Messstellen zu bauen, die über den gesamten Messbereich belastbare und zuverlässige Ergebnisse liefern und auch zukünftigen Anforderungen genügen.
Die häufigsten Anforderungen sind hier aufgeführt:
- Fremdwassermessungen für statistische Zwecke, Massnahmenplanungen oder für die Kostenumlage
- Erhebungen zur Bemessung und Generalentwässerungsplanung
- Mengenerfassung in kommunalen Abwasserzweckverbänden
- Durchflussmessung als Orientierungshilfe für die Abflusssteuerung
Um die Vorteile und Anforderungen in der Praxis zu veranschaulichen, stellt STEBATEC hier einige realisierte Projekte mit ihren jeweiligen Besonderheiten vor.
Verursachergerechte Betriebskostenabrechnung im Einzugsgebiet der Kläranlage Court
Die Abwässer der Gemeinden Champoz, Valbirse, Sorvilier und Court werden in die Kläranlage Court geleitet. Dank der neuen Messstellen von STEBATEC werden die Abwassergebühren nun nach den tatsächlichen Mengen abgerechnet.
| Abbildung: Kompakte Messstelle mit vollgefülltem MID |
Jedes Bauwerk hatte seine eigenen Vorgaben und Kriterien betreffend der Wahl des anzuwendenden Messsystems.
Aufgrund der engen Platzverhältnisse wurde in Champoz eine MID Messtelle für Vollfüllung gewählt. Diese lässt sich einfach in den Schacht integrieren und liefert dank der robusten MID-Messtechnik dauerhaft genaue Messergebnisse bei Vollfüllung.
Weil ausreichend Kanalgefälle vorhanden ist, stellt der durch den Überlaufbogen erzeugte Grundeinstau kein Problem dar. Durch das von STEBATEC entwickelte System kann die Messstelle über einen Schieber-plattenadapter montiert werden und benötigt somit keine zusätzlichen Befestigungspunkte. Über die Hebepunkte kann das Gerät zu Wartungszwecken einfach mit Gurten aus dem Schacht gehoben und anschliessend wieder montiert werden.
Das Bauwerk Valbirse konnte mit einer stationären Laufzeitdifferenzmessung TF ausgerüstet werden, da hier wesentlich mehr Platz zur Verfügung stand. Das System misst im teilgefüllten Zustand und erzeugt keinen Rückstau. Zehn über den gesamten Querschnitt verteilte Fliessgeschwindigkeitsmessstrecken sorgen für höchste Genauigkeit bei der Durchflussmessung. Durch die vorteilhafte Anordnung der Sensorik können auch kleine Durchflüsse und Füllstände genau gemessen werden. Der Aufbau mit Trocken- und Regenwetterrinne garantiert genaue Messergebnisse über einen grossen Messbereich. Das TF-System wurde hier vorsorglich mit einer Abdeckung ausgeführt, so dass bei Bedarf zu einem späteren Zeitpunkt eine Regelklappe (PNA) nachgerüstet werden kann.
| Abbildung: Teilgefüllte stationäre Durchflussmessung TF mit Laufzeit-Differenz Messsystem und Trocken- / Regenwetterrinne zur präzisen Erfassung der Durchflüsse über einen grossen Messbereich. |
Die dritte Messstelle nach Sorvilier wurde ebenfalls mit einer teilgefüllten stationären Durchflussmessung der Nennweite 300 ausgerüstet. Zusätzlich wurde eine pneumatische Regelklappe eingebaut. Damit können die Abflussmengen so reguliert werden, dass bei grossen Wassermengen zuerst das vorhandene Regenüberlaufbecken gefüllt wird, anstatt die ARA Court zu überlasten. So können Entlastungen vermieden und ein Beitrag zum Gewässerschutz geleistet werden.
Die pneumatische Abflussregelung besteht im Wesentlichen aus einer Durchflussmessung, einer pneumatischen Regeleinrichtung inklusive eines Kompressors und einem Steuerschrank. Die Durchflussmessung ist mit einer Ultraschall-Laufzeitdifferenzmessung und einer Trockenwetterrinne ausgestattet, wodurch auch Kleinstmengen wie z.B. Nachtabflüsse genau erfasst werden können. Das System kann auch Spülstösse zur Selbstreinigung ausführen.
Mit Hilfe einer Einhängeadaption kann die pneumatische Abflusssteuerung einfach ein- und ausgebaut werden.
| Abbildung: Teilgefüllte stationäre Durchflussmessung mit pneumatisch gesteuerter Regelklappe |
Für die Zulaufmessung der ARA Court wurde wie in Valbirse eine stationäre
Laufzeitdifferenzmessung installiert. Die offene Bauweise ermöglicht eine
einfache Reinigung und Kontrolle von oben.
Alle Messdaten werden an das Prozessleitsystem ARAbella übermittelt, das ebenfalls von STEBATEC einschliesslich der Datenkommunikation installiert wurde. Die Mengenabrechnung erfolgt direkt im Prozessleitsystem. Dadurch kann der administrative Aufwand gering gehalten werden.
| Abbildung: Zulaufmessstelle der ARA Court. Die offene Bauweise ist besonders vorteilhaft für die Reinigung und optische Überwachung. |
Durch die konstruktive Möglichkeit, die Messstelle exakt an das bestehende Bauwerk anzupassen, werden zusätzliche Baukosten vermieden, da die Integration in den Betonkanal ohne bauliche Anpassungen erfolgen kann.
| Abbildung: Querschnitt durch den Messkanal, welcher ohne zusätzliche Bauarbeiten im Be-tonkanal montiert werden kann. |
Modernste Technik für das Institut für Wasserbau, Hydraulik und Fliessgewässer-forschung IWA in Wien
Die Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) ist eine der führenden Life Science Universitäten in Europa. Für das moderne Wasserbaulabor des Institutes für Fliessgewässerforschung der BOKU durfte STEBATEC einen Beitrag für die zukünftige Forschung leisten.
| Abbildung: Regelklappe in Aktion, das Wasser der Donau wird präzise auf einen bestimmten Durchfluss geregelt. |
Durch die Wasserspiegeldifferenz von 3m zwischen Donau und Donaukanal fliessen, weltweit einzigartig, bis zu 10.000l/s ohne Pumpen und somit ohne Fremdenergie durch das Wasserbaulabor. Für die zuverlässige Abflussregelung wurde STEBATEC frühzeitig in die Planung einbezogen.
| Abbildung: Pneumatisch gesteuerte Regelklappe von einem Meter Durchmesser. Durch die Parametriermöglichkeiten eröffnen sich dem Wasserbaulabor in Wien neue Möglichkeiten für die Forschung. |
Die Dimensionierung der pneumatischen Abflussregelung (PNA) erfolgte in DN1000, was bei 3m Wasserdruck die Verarbeitung erheblicher Kräfte erfordert. Die Anforderungen an die Regelgenauigkeit sind sehr hoch, die Durchflussmengen werden von der PNA stufenlos über den gesamten Durchflussbereich mit kürzesten Stellzeiten angefahren.
Das Zusammenspiel einer korrekt kalibrierten Messstelle und der, bis ins letzte Detail, parametrierbaren Durchflussregelung mittels pneumatischer Regelklappe, ist für die einwandfreie Wasserbeschickung verantwortlich. Durch unser hauseigenes und zertifiziertes Hydrauliklabor am Hauptsitz in Brügg CH können selbst diese Dimensionen, exakt kalibriert und getestet werden.
Die Regelklappe wird mit Druckluft beaufschlagt und über einen pneumatischen Antrieb in die durch die Wassermenge erforderliche Stellung gebracht. Die Sollwerte erhält die Anlage vom Laborleitsystem, das über Modbus angebunden wurde, oder können über das Touchpanel der PNA eingegeben werden. Das intuitive Benutzermenü ist einfach zu bedienen und über die Visualisierung können aktuelle Parameter und Messwerte abgelesen werden.
Die Messdaten werden permanent aufgezeichnet und stehen der Institution lückenlos und über Jahre zurück zur Verfügung.
Spezialanforderung für die Messstelle Düker Walperswil
Das Bauwerk Düker Walperswil bot unserer Konstruktionsabteilung die Möglichkeit, für den Kunden eine Sonderlösung zu entwickeln.
Durch den «Trockenwetterkanal» an der teilgefüllten stationären Durchfluss-messeinrichtung bleiben Wasserstand und Fliessgeschwindigkeit auch bei minimalem Nachtabfluss messbar. Die Dimensionierung des Trockenwettergerinnes erfolgte auf der Grundlage von Berechnungen der maximal zu messenden Abflüsse; in diesem konkreten Fall können Abflüsse von bis zu 200l/s mit einer mittleren Abweichung von maximal 0,9% gemessen werden, was auch der maximalen Abflusskapazität des darunter liegenden Dükers entspricht. Sobald der Düker seine Durchflusskapazität erreicht, werden zusätzliche Wassermengen zurückgestaut, die Messung überströmt und über den seitlich angeordneten Siebrechen oberhalb der Messung entlastet.
| Abbildung: Durch Chromstahlblech geschützter Messkanal im Dükerbauwerk in Walperswil. |
Gewässerschutzverband Region Zugersee
Die neue LDM-Messstelle im Bauwerk Schmittli, unterhalb Ägeri, des GVRZ wurde eingesetzt, um eine hohe Messgenauigkeit und Ausfallsicherheit, insbesondere bei niedrigen Nachtabflüssen, zu erreichen. Die LDM mit einer Nennweite von 500mm erfasst präzise und zuverlässig den Abfluss ab einer Füllhöhe von 26.1mm. Zehn über den gesamten Querschnitt verteilte Fliessgeschwindigkeitsmessstrecken, deren Signale im integrierten Datenlogger des Messumformers über mehrere Jahre aufgezeichnet werden, sorgen für höchste Genauigkeit bei der Durchflussmessung. Durch die Aufzeichnung und Bereitstellung aller Rohrsignale wie Füllstand, Fliessgeschwindigkeiten und Signalstärke überwacht sich das System permanent selbst und ermöglicht jederzeit eine Überprüfung.
Bedarfsgerechte Reinigung
Durch das robuste und schmutzresistente System, welches auch ausgezeichnete Eigenschaften gegen Abrasion ausweist, wird der Wartungs- und Serviceaufwand auf ein Minimum reduziert. Ein wichtiges Merkmal der STEBATEC-Durchflussmesstechnik ist die automatische Erkennung der Verschmutzung des Systems, die über die Signalqualität ausgewertet wird. Dies ermöglicht, dass die Systeme nur dann gereinigt werden, wenn sie eine Verschmutzungsmeldung abgeben – die Empfindlichkeit dieser Meldung wird werkseitig so eingestellt, dass eine Reinigung veranlasst wird, bevor eine mögliche Beeinträchtigung der Messqualität eintritt.
| Abbildung: Das Mess- und Drosselbauwerk Schmittli des GVRZ. Die Messsignale werden auf das Prozessleitsystem der Kläranlage übertragen. Das im Messumformer integrierte Webinterface ermöglicht beispielsweise Zugriff auf die Datenaufzeichnung mehrere Jahre sämtlicher Rohsignale der Messung. |
Grosser Messbereich mit konstanter Präzision in Matzendorf
Die ARA Falkenstein betreibt seit langem Durchflussmessungen im Kanalnetz. Aus verschiedenen Gründen wurde ein neues Durchflussmessgerät gesucht, das keinen Rückstau verursacht, einen grossen Messbereich garantiert und einfach zu bedienen ist.
Nach Konsultation der historischen Messdaten wurde ein LDM mit einer Nennweite von 300mm eingebaut. Mit dieser Baugrösse können Durchflüsse ab einem Füllstand von 30mm garantiert gemessen werden. Der Messbereich liegt zwischen 3 – 100 l/s. Bei einem Gefälle von weniger als 1% wird die Mindestanforderung problemlos erreicht. Für Wartungszwecke wurde in der Nähe des Sensors eine Wartungsöffnung angebracht. Diese ermöglicht einen Einblick in die Rohranlage und erlaubt es, Verschmutzungen ohne grossen Aufwand zu entfernen.
| Abbildung: Das Bauwerk Matzendorf wurde mit einer LDM Messstelle inklusive Wartungsöffnung ausgerüstet. Problemlose Einsicht in die Sensorik ist somit jederzeit gewährleistet. |
Bevor die Durchflussmessgeräte das Werk der STEBATEC verlassen, werden sie im hauseigenen Hydrauliklabor kalibriert. Dieses ist in der Lage, alle Durchflussmessgeräte – unabhängig vom Hersteller – mit der geforderten Genauigkeit zu prüfen und zu kalibrieren. Der im Labor erzeugte Volumenstrom erlaubt beliebige Durchflüsse bis maximal 1600l/s.
Alle während des Prüf- und Kalibriervorgangs erfassten Daten werden zur späteren Rückverfolgbarkeit gespeichert und über den gesetzlich vorgeschriebenen Zeitraum aufbewahrt. Die gesamte Prüfung wird in einem Prüfzertifikat elektronisch dokumentiert und der Anlagendokumentation beigefügt.
Die Kalibrierung orientiert sich am Referenzmesswert gegenüber einer in Reihe geschalteten Durchflussmessung.
Die Genauigkeit einer Durchflussmessung hängt stark von den hydraulischen Bedingungen ab. Eine Nachbildung des hydrodynamischen Strömungsverlaufes ist daher die Grundlage für eine praxisgerechte Genauigkeitsprüfung, da unterschiedliche Fliessgeschwindigkeiten im Messgerät auch die Hydraulik verändern. Aus diesem Grund wird die Einlaufstrecke an die Verhältnisse vor Ort angepasst.
Eine Durchflussmessung muss über den gesamten Messbereich genaue Ergebnisse liefern. Ein Fehler darf sich auf keinen Fall über jeden Messschritt aufsummieren und nachfolgende Messungen beeinflussen. Aus diesem Grund wird in unserem Labor eine zweistufige Prüfung durchgeführt, um die Plausibilität der Ergebnisse abzusichern.
Um über das gesamte Messspektrum präzise Daten zu erheben, erfolgt die Prüfung in zwei Stufen:
Stufe 1 / Bereichsanalyse steigend
Abfahren von einzelnen Messbereichen, aufsteigend von einem minimalen Durchfluss, welches das unterste Sensorpaar noch mit Wasser bedeckt, bis zum Maximum von 1600l/s.
Stufe 2 / Bereichsanalyse sinkend
Abfahren von einzelnen Messbereichen, absteigend vom maximalen Durchfluss von 1600l/s bis zum Minimum, welches das unterste Sensorpaar noch mit Wasser bedeckt.
Stadt Winterthur rüstet drei Regenbecken mit TF und PNA aus
Unterhalb des Regenbeckens Dättnau, das im Perimeter des Kanalisationsnetzes der Stadt Winterthur liegt, kam es bei Starkregenereignissen zu Überlastungen der Kanalisation, obwohl das oberhalb liegende Regenbecken Dättnau fast nie gefüllt war. Die Anforderungen an die pneumatische Abflussregelung waren:
- Zuverlässige Abflussmessung und -regelung, sowie Messtechnik im Becken
- ATEX-konforme Ausführung
| Abbildung: Pneumatische Abflussregelung als Teil einer ganzen Infrastruktur im Bauwerk, welches zusammengefasst in einer ALLinONE Steuerung funktioniert. |
Um das Beckenvolumen aktivieren zu können, wurde eine teilgefüllte Durchflussmessung mit pneumatischem Abflussregler (PNA) eingebaut. Beim Regenbecken Dättnau war die Rohrleitung auf der Auslaufseite des Beckens nicht zugänglich, so dass vor dem Beckenauslauf ein Mess- und Drosselschacht in das Becken integriert wurde. Dadurch wurde das Volumen des Regenbeckens um einige Kubikmeter reduziert. Im Gegenzug wird das verbleibende Volumen nun vollständig genutzt. Die pneumatische Abflussregelung drosselt den Abfluss, sobald dieser den eingestellten Sollwert überschreitet. Der Sollwert kann von einem externen System (hier PLS) dynamisch vorgegeben werden.
Dank der ALLinONE Lösung konnten die Abflussmengenmessung, die Lichtsteuerung, die Heizungssteuerung und als Reserve die Abluftsteuerung mit nur einer Steuerung zusammen mit der Abflussregelung realisiert werden. Durch die standardisierte Schnittstelle konnte die Steuerung einfach an das bestehende PLS-System angebunden werden. Im Jahr 2023 wurden zwei weitere Becken mit der gleichen Technik ausgestattet.
| Abbildung: 3D Ansicht der Messstelle. Die Abflussregelung mit LDM Messung überzeugt durch die kompakte Bauweise. |
Fazit
STEBATEC hat durch langjährige Erfahrung die Messtechnik optimiert und durch Eigenentwicklungen Produkte geschaffen, die den heutigen und zukünftigen Anforderungen gerecht werden. Präzise Messdaten, transparente Zugänglichkeit der gesamten Messkette, resp. der Rohdaten und eine benutzerfreundliche Oberfläche sind wichtige Bestandteile. Aber auch eine robuste, langlebige und wartungsfreundliche Konstruktion darf nicht vernachlässigt werden. STEBATEC unterstützt von der Ideenfindung über die Realisierung von Mess- und Regelanlagen, der Dateninterpretation und -auswertung bis hin zum langjährigen Service.Auswertung jeder Messung bis ins letzte Detail
Beispiel einer Aufzeichnung eines LDM mit dem Datenlogger, welcher für hochauflösende Ganglinien sorgt. Zur besseren Ansicht wird hier nur ein Messpfad (v1) angezeigt.
