Gaszähler basierend auf thermischem Massenflussmessprinzip

Autor: Konrad Domanski, Product Manager Gas Flow Systems, Sensirion
 

Thermische Massenflussmesser für Gase und Flüssigkeiten haben sich bewährt und werden seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Ihre technologischen Vorteile sowie die Miniaturisierung haben den Einsatz der Technologie in hochvolumigen, kostensensiblen Anwendungen wie der Erdgasmessung ermöglicht. Auch zwei aktuelle Studien bestätigen die langfristige Zuverlässigkeit dieser Technologie bei der Anwendung in anspruchsvollen Umgebungen. 

In den Studien wurden thermische Massendurchfluss-Gaszähler über eine Einsatzdauer von über 10 Jahren betrachtet. Dabei kam man zu dem Schluss, dass alle Messgeräte die für den Betrieb festgelegten Genauigkeitsvorgaben gut einhielten und die meisten davon auch die für neuwertige Gaszähler geltenden Anforderungen noch erfüllten. Zusammen mit der Einführung einer entsprechenden europäischen Norm im Jahr 2021 (EN 17526) erweist sich die thermische Massenflussmessung damit als kosteneffiziente, bewährte und zuverlässige Lösung, die bereits in Millionen von Gaszählern weltweit zum Einsatz kommt. Zudem bietet diese Technologie umfassende Selbst- und Netzdiagnosefunktionen und kann bei einer breiten Palette von Gaszusammensetzungen, einschliesslich Wasserstoffmischungen und reinem Wasserstoff, eingesetzt werden.
 

Thermisches Massenflussmessprinzip

Seit 80 Jahren wird das thermisches Massenflussmessprinzip verwendet, um Durchflussmessungen in wichtigen Anwendungen wie der lebenserhaltenden medizinischen Beatmung, der Regulierung der Luftzufuhr in Pkw-Verbrennungsmotoren, Gebäudebelüftungssystemen und zur Steuerung empfindlicher Industrieprozesse vorzunehmen. Das thermische Massenflussmessprinzip stellt die vielseitigste und zuverlässigste Möglichkeit zur Durchflussmessung dar. Bis vor Kurzem noch war die Technologie allerdings für preissensible Massenanwendungen noch unerschwinglich teuer.

Mit dem Fortschritt der MEMS-Technologie (Mikroelektromechanische Systeme) lässt sich das thermische Massenflussmessprinzip nun auf einem einzigen Siliziumchip umsetzen. Die CMOS-Technologie ermöglicht eine effektive Miniaturisierung und Massenproduktion dieser Chips. Durch diese Fortschritte sind die Kosten der mikrothermischen Messtechnologie drastisch gesunken, sodass entsprechende Produkte heute nicht nur für High-End-Anwendungen eine attraktive Lösung darstellen, sondern auch für kostengünstige Massenanwendungen, beispielsweise in Einmal-Durchflusssensoren und Gaszählern.
 

Das thermisches Massenflussmessprinzip für Gaszähler

Kurz nach der Jahrtausendwende hat Sensirion als Vorreiterunternehmen das thermische Massenflussmessprinzip in Gaszählern eingeführt. Dies brachte Vorteile wie eine herausragende Genauigkeit, kompaktere Abmessungen, einen extrem niedrigen Stromverbrauch (wichtig für batteriebetriebene Gasmessgeräte) und vor allem ein attraktives Preisniveau. Letzteres wird dadurch möglich, dass der Durchflusssensor, die Signalverarbeitung und Analyseelektronik sowie der Speicher für die Kalibrationsdaten auf einem einzigen Halbleiterchip vereint. Neben dem Durchfluss lassen sich mit thermischen Massenflussmessern auch verschiedene thermische Gaseigenschaften messen, um Variationen in der Gaszusammensetzung zu kompensieren. Dies macht thermische Massenflussmesser zur idealen Wahl für Verbrauchsmessungen von verschiedensten Gasgemischen sowie für Wasserstoffmischungen und sogar reinen Wasserstoff.
 

Im Feld wurden die ersten mikrothermischen Sensoren 2007 installiert. Nach einer anfänglich langsamen Einführung der Technologie hat sich die Situation in den letzten Jahren deutlich beschleunigt. Heute arbeiten weltweit über 6 Millionen Gaszähler nach dem bewährten Messprinzip. Zudem kommen die thermischen Massenflussmesser von Sensirion bei 33 Millionen Autos und 45 Millionen medizinischen Geräten zum Einsatz. Der wichtigste Faktor, welcher der Verbreitung der Technologie zur Gasmessung anfangs noch im Wege stand, war die fehlende Felderfahrung. Denn obwohl das thermische Massenflussmessprinzip sich über die Jahre in zahllosen anderen Anwendungen bewährt hatte, war es bei Gasmessungen, d. h. in einem Bereich, in dem Zuverlässigkeit, Sicherheit und Leistungsfähigkeit an erster Stelle stehen, relativ neu.
 

Verschiedene nationale und internationale Normen regeln die für Gaszähler nötige Genauigkeit. Es gibt verschiedene Genauigkeitsklassen, von denen die Klasse 1.5 weltweit am häufigsten zum Einsatz kommt. OIML R137 und EN 17526 (die 2021 veröffentlichte Norm für thermische Massendurchflussgaszähler) geben die Fehlergrenze (Maximum Permissible Error / MPE) für temperaturkompensierte Gaszähler der Genauigkeitsklasse 1.5 (z. B. mikrothermische Gaszähler) für hohe und für niedrige Durchflüsse mit 2 bzw. 3.5 % an. Zudem beinhaltet OIML R137 Fehlergrenzen (2x MPE: 3.5 % / 6.5 %) für Zähler nach dem Feldeinsatz. 2x MPE wird weithin als Messlatte akzeptiert, die während des Betriebs (typischerweise 10–15 Jahre) immer überstiegen werden muss.

Feldstudien zur Zuverlässigkeit thermischer Massendurchflussgaszähler

Im Jahr 2021 war eine beträchtliche Anzahl von Massendurchflussgaszähler bereits seit mehr als zehn Jahren im Einsatz. In zwei unabhängigen Studien wurde kürzlich untersucht, wie sich verschiedene Arten von Thermomassenzählern nach einem Betrieb von bis zu über 10 Jahren im Gasbereich verhalten.

Die erste, vom niederländischen Institut NMi durchgeführte Studie beschäftigte sich mit den Industriegaszählern G10, G16 und G25 des Herstellers MeteRSit, die zwischen 2013 und 2016 in Italien installiert wurden. Aus einer Liste von 2749 verfügbaren Messgeräten wählte das Institut 20 per Zufallsprinzip aus. Diese wurden dann vom Hersteller eingesammelt (19 davon, eines befand sich an einem nicht zugänglichen Standort) und zur Prüfung an NMi gesendet. Die Messungen wurden jeweils in Luft und in Gas bei Durchflussraten zwischen Qmin und Qmax durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass alle Zähler unabhängig von der Betriebszeit und vom bis dahin gemessenen Gesamtgasvolumen noch deutlich innerhalb der zulässigen Fehlergrenze (2x MPE) lagen. Zudem lagen alle Geräte bei Gas innerhalb der einfachen Fehlergrenze (1x MPE); bei 15 der 19 Zähler war das auch bei Luft der Fall. So lässt sich sagen, dass die meisten Geräte genauso gut funktionierten wie neuwertige Zähler.
 

Die zweite Studie betrachtete 35 von ABB hergestellte Haushaltsgaszähler EGZ-G4, die zwischen 2010 und 2011 in der Schweiz installiert wurden. Diese waren 9–10 Jahre lang im Betrieb, bevor sie für die Nachmessung deinstalliert wurden. Die Studie wurde von der MEMS AG durchgeführt, deren Messinfrastruktur im Vorfeld der Studie vom Eidgenössischen Institut für Metrologie (METAS) zertifiziert worden war. Die Autoren untersuchten auch hier alle Geräte bei Durchflussraten zwischen Qmin und Qmax sowohl in Luft als auch in Gas. Ähnlich wie bei der vom NMi durchgeführten Studie lagen alle Zähler bei Gas und Luft deutlich innerhalb der Fehlergrenze (2x MPE). Weiterhin lagen bei Gas alle 35 Zähler innerhalb der einfachen Fehlergrenze (1x MPE), bei Luft waren es 31.

Gemein war beiden Studien, dass die getesteten Gaszähler Messtechnikeinheiten, d. h. CMOSens® Gaszählermodule der Sensirion AG, enthalten. Beide Studien bestätigten ebenfalls, dass die thermischen Massendurchflussgaszähler nach 10 Jahren Feldbetrieb noch so gut wie Neugeräte funktionieren.
 

Selbst wenn sich die Fehler in den nächsten 10 Betriebsjahren verdoppeln (wofür es keine Anzeichen gibt), lägen die Zähler noch immer innerhalb der zweifachen Fehlergrenze (2x MPE) gemäss OIML R137. Daraus lässt sich schliessen, dass thermische Massenflusszähler im Feld mehr als 20 Jahre lang zuverlässig betrieben werden können. Das ist deutlich länger als die Lebensdauer eines typischen Gaszählers. Die Messtechnikeinheit scheint angesichts der Tatsache, dass das sehr hohe gemessene Volumen (14-facher Durchschnittswert) keinen Einfluss auf die Genauigkeit hatte, sogar noch länger stabil zu bleiben. Daraus lässt sich schliessen, dass die Messtechnikeinheit die anderen Teile des Zählers problemlos überlebt.

EN 17526 – Neue Norm für thermische Massendurchflussgaszähler

2021 hat das CEN die technologische Reife des thermischen Massenflussmessprinzips für Gaszähleranwendungen mit der Veröffentlichung einer entsprechenden europäischen Norm gewürdigt. „EN 17526. Gaszähler. Thermische Massendurchflussgaszähler“ beschreibt die nötigen Anforderungen und Tests, um thermische Massendurchflussgaszähler ins Feld zu bringen. Es handelt sich um eine harmonisierte Norm, was bedeutet, dass diese auf den einst für Balgen- und Ultraschallgaszähler erarbeiteten Normen aufbaut. Zudem steht sie im Einklang mit internationalen Normen wie OIML R137. Für die an die bestehenden Normen gewohnten Zählerhersteller sollte die neue Norm für thermische Massendurchflussgaszähler keine Überraschungen bereithalten. 

Gleichzeitig beseitigt die neue Norm für thermische Massendurchflussgaszähler die bis anhin herrschende Unsicherheit im Zusammenhang mit der Zertifizierung solcher Zähler, da die neue Norm klare Anforderungen und Prüfpläne vorgibt. EN 17526 ist auch die erste Norm für ein statisches Messverfahren, in der Messgerätegrössen für Wohn- und C&I-Anwendungen (bis zu G25) in einem einzigen Dokument zusammengeführt werden. Zusätzlich ist es eine grosse Anerkennung des thermischen Massenflussmessprinzips, dass diese Norm als erste in ihrer Revision auch erneuerbare Gase wie Wasserstoff und Biomethan behandelt. Dabei handelt sich um einen wichtigen Schritt hin zur Harmonisierung weiterer EN-Gasmessungsnormen, wodurch auch auf Normenebene Initiativen zur Energiewende in Europa unterstützt werden.

Bereit für Wasserstoff und Biomethan

Die wichtigste bevorstehende Entwicklung in der Gasmessungsbranche ist die Einspeisung von Wasserstoff in das Versorgungsnetz. Es wird allgemein davon ausgegangen, dass nach und nach bis zu 30 Prozent Wasserstoff mit Erdgas gemischt werden, bevor ein vollständiger Umstieg auf Wasserstoff erfolgt. Thermische Massenflussmesser eignen sich besonders gut für die Messung von Wasserstoffgemischen und von reinem Wasserstoff. 

Die mikrothermischen Gaszählermodule von Sensirion bieten bereits beide Funktionen und erreichen dabei MID-Genauigkeit. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass unabhängig vom Wasserstoffgehalt das kompakte Format der Messer beibehalten werden kann. Dasselbe gilt nicht für Balgengaszähler, die auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Grösse ausgelegt werden müssen, um reinen Wasserstoff messen zu können (aufgrund des dreimal niedrigeren Brennwerts von Wasserstoff gegenüber Erdgas). Die vorhandenen Ultraschalllösungen eigenen sich nicht zur wirksamen Messung von reinem Wasserstoff, solange sie nicht vergrössert und mit schnellerer, teurerer Elektronik ausgerüstet werden, die die sehr hohen Schallgeschwindigkeiten in Wasserstoff erfassen kann.
 

Eine weitere Entwicklung zur Unterstützung der Energiewende ist die Einspeisung von Biomethan ins Netz. Dieses erneuerbare Gas weist häufig einen bedeutenden CO₂-Gehalt auf. Bereits heute bieten die Gaszählermodule von Sensirion bei Erdgas mit einem relativ hohen Anteil an CO₂ genaue Messergebnisse. Das thermische Massenflussprinzip von Sensirion wird in einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen eingesetzt, wobei selbst ein reiner CO₂-Fluss gemessen werden kann.
 

Zukunftssichere Technologie

Durch die wachsende Zahl an Einspeisungspunkten ins Netz und einen steigenden Wasserstoff- und Biomethangehalt wird der Brennwert des Gases deutlich stärker variieren, als dies bislang der Fall war. Dabei sind die Schwankungen regional und zeitlich unterschiedlich. Darum ist entweder eine grössere Zahl an Gaschromatographen an verschiedenen wichtigen Punkten im Netz oder ein Umstieg auf die direkte Energiemessung erforderlich. 

Bei Letzterem handelt es um eine besonders attraktive Lösung, die einen Paradigmenwechsel bei der Gasmessung bedeuten würde. Thermische Massenflussmesser messen nicht ausschliesslich den Volumenstrom von Gas, sondern auch dessen verschiedene thermische Eigenschaften. Anhand dieser Eigenschaften wird das Gas in der Rohrleitung identifiziert und das Sensorsignal korrekt in den Volumenstromwert am Gaszähler umgewandelt. Bereits heute können thermische Massenflussmesser den Wasserstoffgehalt von Erdgasgemischen ermitteln oder sogar den Brennwert des jeweiligen Gases bestimmen. Somit eignet sich das thermische Massenflussprinzip besonders für die zukünftige Überwachung des Energiegehalts mithilfe von Gaszählern.

Thermische Massenflussmesser: Jahrelang bewährt und zertifiziert für die Zukunft

Dank neuester Entwicklungen konnten die Kosten des thermischen Massenflussmessprinzips gesenkt und entsprechende Geräte als sehr attraktive Lösungen für Durchflussmessungen etabliert werden. Langzeitfeldstudien zur Zuverlässigkeit zeigen, dass die Lebensdauer thermischer Massenflussmessmodule deutlich länger als die eines typischen Gaszählers ist. Mit der Veröffentlichung einer eigenen Norm im Jahr 2021 wurde die Reife der Technologie gewürdigt und der Weg für eine noch breitere Anwendung dieser bewährten Durchflussmessmethode in der Gaszählerbranche geebnet. 

Neben den attraktiven Kosten, der Zuverlässigkeit und dem sehr kompakten Formfaktor bietet das thermische Massenflussmessprinzip auch umfassende Selbst- und Netzdiagnosefunktionen (z. B. Luftdetektion zur Manipulationserkennung). Schliesslich lässt die Technologie auch Durchflussmessungen von Gasen in einer sehr grossen Bandbreite an Zusammensetzungen sowie von Erdgas-Wasserstoffgemischen verschiedenster Konzentrationen und sogar von reinem Wasserstoff zu. Die direkte Energiemessung ist der nächste Meilenstein, bei dem das thermische Massenflussprinzip einen bedeutenden Vorteil gegenüber den vorhandenen Lösungen bietet.