Elektrische Fernzählung großer Dampf-, Wasser-, und Gasmengen. Von Dipl.-Ing. Jul. Möller. Elektrische Fernzählung. Die Aufgabe, große Dampf-, Wasser- und Gasmengen elektrisch fernzuzählen, zerfällt in drei scharfgeschiedene Teilschritte. Zunächst muß der augenblickliche Wert der durch die Rohrleitung strömenden Menge, der „Durchfluß“, ermittelt und irgendwie in einem mechanischen Ausschlag ausgedrückt werden. Dann sind diese mechanischen Größen in elektrische Werte umzuformen und fernzuleiten, während im letzten Teilschritt die Meßwerte am entfernten Ort elektrisch zu einem Summenwert integriert werden. Die Messung des Durchflußwertes geschieht betriebsmäßig fast nur noch nach dem Differenzdruckverfahren. Durch eine Querschnittverengung der Rohrleitung wird eine Drosselung der Strömung hervorgerufen. Dadurch entsteht vor der Drosselstelle ein Plusdruck, dahinter ein Minusdruck. Das Spiel dieser beiden Drucke wird mit einem Differenzdruckmesser gemessen. Für die Beziehung zwischen der durchströmenden Menge V und dem Differenzdruck H gilt die Formel: V = K√H Da die Werte der Konstanten K aus Versuchen genau bekannt sind, kann der Differenzdruckmesser gleich als Mengenmesser geeicht werden. Die quadratische Rechenbeziehung zwischen durchströmender Menge V und Differenzdruck H hat zur Folge, daß der Differenzdruck in der Nullnähe sehr klein wird. Die Meßempfindlichkeit nimmt dort stark ab, so daß man die Skalenteilung am Nullpunktende verkürzen muß. Für Mengenmesser ist es deshalb sehr wichtig, daß die Messung sich möglichst immer im oberen Teilder Skale abspielt. Erforderlichenfalls muß im Betrieb der Meßbereich geändert werden. Die zur Gewinnung des Differenzdrucks erforderliche Drosselung erfolgt durch ein Venturirohr, eine Düse oder eine Blende. Andere Drosselvorrichtungen werdenwerden werden im Betrieb kaum benutzt. Abbildung 1 zeigt eine Blende in der vom VDI genormten Ausführung. Textabbildung Bd. 346, S. 131 Abb. 1. Zum Messen des Differenzdrucks, der durch die Drosselvorrichtung geliefert wird, kann an sich jeder Differenzdruckmesser genommen werden. Das einfachste Gerät für diesen Zweck ist ein mit Quecksilber gefülltes gläsernes U-Rohr. Seiner allgemeinen Verwendung steht entgegen, daß das Gerät ungenaue Angaben gibt, wenn die richtige Quecksilber-Füllmenge nicht ganz genau eingehalten wird; außerdem ist die Skale quadratisch geteilt; das Gerät läßt sich nur als Ablese-, nicht als Schreibgerät bauen; das gläserne Rohr ist im Betrieb vielen Gefahren ausgesetzt. Daher wird das U-Rohr nur zu gelegentlichen Kontrollmessungen benutzt. Für diesen Zweck hat es allerdings große Vorzüge, da es leicht zu befördern und rasch anzuschließen ist. Andere Geräte benutzen Schwimmer oder Tauchkörper in Quecksilber. Durch parabolische Gestaltung des Gefäßes oder des Tauchkörpers erreicht man einen linearen Skalenverlauf; immer aber bleibt das Gerät vom genauen Einhalten der Quecksilberfüllmenge abhängig. Eine Ausnahme macht nur die Ringwaage, wie sie z.B. von Hartmann & Braun geliefert wird. Die Ringwaage ist ein ringförmiger Hohlkörper, leicht schwingend um einen Drehpunkt gelagert, zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt (Abbild. 2). Textabbildung Bd. 346, S. 132 Abb. 2. Der Raum über der Flüssigkeit wird durch eine Wand in zwei Kammern getrennt, in die der Plusdruck und der Minusdruck geleitet werden. Das Spiel der beiden Drucke bewegt ihrem Kräfteverhältnis entsprechend die Flüssigkeit auf und ab. Bei gleicher Stärke der Drucke steht die Flüssigkeit in beiden Kammern gleich hoch; der Zeiger steht in der Mitte. Ist der Druck auf der einen Seite größer, dann wird die Flüssigkeit auf die Gegenseite verschoben, der Schwerpunkt wird verlagert und der Waagering dreht sich. Ein Gegengewicht, das am Ringkörper mitschwingt, bestimmt den Grad der Drehung und schafft die neue Gleichgewichtslage. Je leichter das Gegengewicht, desto empfindlicher die Waage, desto größer der Zeigerausschlag, der einen bestimmten Differenzdruck und damit einer bestimmten Durchflußmenge entspricht. Die Anzeige der Ringwaage ist unabhängig von der Flüssigkeitsmenge, da stets soviel Flüssigkeit auf die andere Seite gedrückt wird, bis der Meßdruck ausgeglichen ist. Textabbildung Bd. 346, S. 132 Abb. 3. Wie der Durchflußmesser betriebsmäßig als anzeigendes oder schreibendes Gerät ausgeführt wird, zeigen am Beispiel eines Wassermessers die Abbildungen 3 und 4. In Abb. 3 ist auch die Verbindung mit dem Staurand deutlich zu erkennen.Der Waagering selbst wird aus Stahlrohr gefertigt. Die Druckzuführung geschieht durch elastische, gegeneinander gewundene Spiralrohre, die in Abb. 4 zu sehen sind. Durch Kurvenscheibe und Fühlrolle wird die Bewegung des Waagerings auf den Zeiger oder den Schreibarm übertragen. Die Kurvenscheibe ist parabolisch geformt. Dadurch wird an den Zeiger nicht der Wert H, sondern der Wert √H weitergegeben, der der Durchflußmenge entspricht. Infolgedessen kann die Skale linear in Mengeneinheiten geteilt werden. Die Gegengewichte sind leicht auswechselbar, so daß der Meßbereich vielstufig entsprechend den Betriebsverhältnissen geändert werden kann. Textabbildung Bd. 346, S. 132 Abb. 4. Es steht also jetzt eine Zeigerbewegung zur Verfügung, die dem Durchfluß proportional ist. Als zweite Aufgabe folgt jetzt die Umformung dieses Ausschlages in elektrische Werte. Zu diesem Zweck wird auf die Zeigerachse ein elektrischer „Fernsender“ gesetzt. Der Fernsender ist eine Walze aus Isolierstoff, auf deren Umfang in gleichmäßig engem Zickzack ein Widerstanddraht gespannt ist (Abb. 5). Auf der Walze schleift eine Platindrahtbürste, die von der Ringwaage gesteuert wird. Je nach der Stellung der Schleifbürste ist mehr oder weniger Widerstand eingeschaltet, so daß die Zeigerbewegungen auf diese Weise in Widerstandänderungen umgeformt werden. Da die Skalenteilung in der Nullnähe verkürzt ist, ist die Bürste des Fernsenders so eingestellt, daß sie am Anfang auf dem Isolierstoff der Fernsenderwalze gleitet. Erst bei etwa 10 % des Skalenendwerts, von wo ab die Skalenteilung genau proportional ist, erreicht die Bürste die erste Lamelle der Wicklung und stellt die elektrische Verbindung her. Durchflußmengen, die kleiner als 10 % des Skalenendwerts sind, werden also nicht mitgezählt. Die auf diese Weise in proportionale Widerstandänderungen umgeformten Durchflußschwankungen werden in einem Amperestundenmotorzähler integriert. Der Zähler wird je nach den besonderen Betriebsverhältnissen entweder in Teilerschaltung oder in Brückenschaltung verwendet. Textabbildung Bd. 346, S. 133 Abb. 5. Die Teilerschaltung wird nach Bild 6 ausgeführt. Der Ergänzwiderstand dient zum Ausgleich der verkürzten Teilung des Mengenmessers, so daß der Zähler gleich mit der richtigen Geschwindigkeit zu laufen beginnt, wenn bei 10 % der Gesamtmenge die Bürste des Fernsenders die Wicklung berührt. Die Abgleichwiderstände dienen zum Ausgleich der je nach der Entfernung verschiedenen Fernleitungswiderstände. Textabbildung Bd. 346, S. 133 Abb. 6. Für die Beurteilung der Teilerschaltung ist folgendes zu beachten: Fernsender, Zähler und Widerstände bilden zusammen einen Kombinationswiderstand, dessen Wert sich mit der Bürstenstellung des Fernsenders ändert. Infolgedessen ändert sich mit der Senderstellung auch das Verhältnis, nach dem sich der gesamte Spannungsabfall auf die Vorwiderstände einerseits und den Sender andererseits verteilt. Diese Verhältnisänderung bildet die analytisch ermittelte Grundlage für richtigen Zählergang. Die Verteilung des Spannungsabfalls würde sich aber in nicht beabsichtigter Weise ändern, wenn man die Vorschaltwiderstände zum Abdrosseln einer höheren Spannung vergrößern, oder die Leitungen 3 und 4 zu einer einzigen Leitung zusammenfassen wollte. Durch die geänderte Charakteristik des Spannungsteilers würde dann der Zähler ungenau gehen. Für die Teilerschaltung darf deshalb nur eine Stromquelle mit genau 8 Volt Klemmenspannung benutzt werden; weiterhin darf der Gesamtleitungwiderstand zwischen Stromquelle und Zählerstation den sehr geringen Wert von 1/10 Ohm nicht überschreiten. Diese beiden Bedingungen sind strengstens zu beachten, weil sie für die Genauheit des Zählergangs unbedingte Voraussetzung sind. Die Aenderung der Spannungsverteilung läßt sich daran erkennen, daß der Zeiger des Spannungsmessers bei wechselnder Senderstellung von der Einstellmarke abweicht. Wollte man mehrere Zähler an einen gemeinsamen Regelwiderstand anschließen, so würden die Belastungsschwankungen gegenseitig den eingestellten Spannungswert stören. Infolgedessen eignet sich die Teilerschaltung nicht für solche Anlagen, in denen man mehrere Zähler durch einen einzigen Regelwiderstand und einen einzigen Spannungsmesser gleichzeitig einregeln will. Der Strombedarf des Zählersatzes ändert sich mit der Senderstellung und schwankt zwischen 160... 200 mA. Der Widerstand der Fernleitungen darf 3 Ohm je Leitung nicht überschreiten. Die Brückenschaltung wird nach Bild 7 ausgeführt. Wie bei, der Teilerschaltung dient der Ergänzwiderstand zum Ausgleich der verkürzten Teilung des Mengenmessers, die Ab gleich widerstände zum Ausgleich der je nach der Entfernung verschiedenen Fernleitungswiderstände. Der Stromverbrauch des Zählersatzes ist von der Senderstellung fast unabhängig. Deshalb brauchen für die Höhe der Antriebspannung nicht so enge Grenzen wie bei der Teilerschaltung gezogen zu werden. Insbesondere ist es zulässig Stromquellen mit hoher Spannung zu benutzen und die Spannung durch einen Widerstand abzudrosseln. Erforderlich ist immer nur, daß an den Klemmen des Zählersatzes 24 Volt vorhanden sind. Die von der Senderstellung unabhängige Stromaufnahme der Brückenschaltung bewirkt, daß das Einregeln der Spannung bei jeder beliebigen Senderstellung stattfinden kann. Weiterhin ist durch diese Unabhängigkeit die Brückenschaltung für Zentralregelung ohne weiteres geeignet. Die Stromaufnahme jedes Zählersatzes beträgt etwa 350 mA. Der Widerstand zwischen Zählersatz und Zählsender darf bei Erdkabeln bis zu 10 Ohm, in allen anderen Fällen bis zu 5 Ohm betragen. Da die Zählung durch einen Amperestundenzähler erfolgt, ist konstante Meßspannung für die Genauheit der Meßergebnisse Voraussetzung. Dieser Forderung ist bei der Wahl der Stromquelle und bei der Bemessung der Leitungen Rechnung zu tragen. Von der Verwendung kleiner tragbarer Sammlerbatterien, wie sie früher in Fernmeßanlagen gebraucht wurden, ist man vollständig abgegangen und benutzt sie höchstens als Notreserve. Die Nachteile häufigen Wechselns und Aufladens führten dazu, andere bequemere Arten der Stromversorgung zu wählen. Man arbeitet bei kleineren Anlagen mit Anschlußgeräten für Gleich- und Wechselstrom, während bei größeren Fernzählanlagen, die z.B. bei der Gichtgasverteilung auf Hüttenwerken in Frage kommen, am besten ein rotierender Umformer mit parallelgeschalteter Pufferbatterie verwendet wird. Textabbildung Bd. 346, S. 134 Abb. 7. Bei vorhandenem Gleichstromnetz enthält das Netzanschlußgerät außer Vorschaltwiderständen Eisenwasserstofflampen. Diese Lampen halten den durchfließenden Strom sehr gleichmäßig und wirken selbstregelnd auf die Spannung, so daß ein Nachregeln nur in besonderen Fällen nötig wird. Da bei dieser Art der Stromversorgung die Fernmeßanlagen an die Starkstromnetze angelegt werden, müssen alle Geräte berührungssicher nach den Vorschriften der VDE sein. Wenn ein Wechsel- oder Drehstromnetz vorhanden ist, so verwendet man Gleichrichter. Die früher häufig benützten Glühkathoden-Gleichrichter sind in letzter Zeit durch Trockengleichrichter verdrängt worden. Da zwischen Fernmeßanlage und Starkstromnetz Spannungswandler eingeschaltet werden, braucht die Fernmeßanlage nicht berührungssicher zu sein. Die gleichgerichtete Niederspannungfolgt allen Schwankungen der Netzspannung etwa in demselben Verhältnis. Deshalb müssen die Schwankungen im Werksnetz vor dem Einbau der Fernmeßanlage sorgfältig geprüft werden. Auf jeden Fall ist die Aufstellung einer Pufferbatterie empfehlenswert, um vorkommende Schwankungen im Fernmeldenetz auszugleichen. Außerdem hat man eine Notreserve, wenn der Gleichrichter beschädigt wird oder die Netzspannung ausfällt. Gerade in dem letztgenannten Falle ist vielfach das ungestörte Weiterarbeiten der Fernmeßeinrichtung außerordentlich wichtig. Für die zentrale Stromversorgung von Fernmeßanlagen größeren Umfangs, z.B. die Gasverteilung großer Werke, empfiehlt sich immer die Wahl eines rotierenden Umformers als Stromquelle. Der Motorgenerator zeichnet sich bei größter Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit durch geringe Wartung aus und ist in weiten Grenzen selbstregelnd. Eine Spannungsänderung von nicht mehr als 4 % zwischen Leerlauf und Vollast wird gewährleistet, so daß die Betriebsspannung der Fernmeßanlage bei den üblichen Belastungsschwankungen praktisch gleichbleibt. Da die Drehzahl des Wechselstrommotors von der Spannung unabhängig ist, stören Spannungsschwankungen nicht mehr, dagegen hat man Frequenzschwankungen, die in großen Netzen allerdings selten sind, seine Aufmerksamkeit zuzuwenden. Außer dem rotierenden Umformer stellt man vorteilhaft eine Akkumulatorenbatterie zur Pufferung auf, um etwa noch vorkommende Niederspannungsschwankungen weitgehend auszugleichen, größere Belastungsschwankungen aufzufangen und auf jeden Fall gesichert zu sein. Neben der Wahl der geeigneten Stromquelle ist die richtige Durchführung der Stromverteilung auf die Fernmeßanlagen sehr wichtig, um ein störungsfreies und sicheres Arbeiten der Einrichtungen zu erzielen. Grundsätzlich wird der vom Umformer zur Schalttafel geführte Niederspannungsstrom hinter der Schalttafel auf die einzelnen Meßkreise verzweigt, in denen die zusammengehörigen Apparate einzelner Betriebe gruppenweise zusammengefaßt sind. Der Antriebstrom für eine solche Gruppe geht von der Schalttafel über die Schalter hinaus zu den Meßstellen im Betrieb, versorgt die Fernsender und kehrt von ihnen als gesteuerter Meßstrom zurück zu den Geräten der Meßtafel. Es muß davor gewarnt werden, die Verzweigungen zum Zweck der Leitungsersparnis außerhalb des Meßraumes zu legen oder das Netz in den Betrieben zu vermaschen, indem man mehrere Antriebsstromkreise miteinander verbindet. Dabei treten leicht Fälschungen und Störungen auf, die infolge der Verflechtung die ganze Anlage in Mitleidenschaft ziehen und fast unauffindbar sind. Sorgfältiges Verlegen der Meßleitungen ist von großem Einfluß auf die zu erzielende Meßgenauheit und das betriebsichere Arbeiten der Anlage. Besonders muß auf gute Isolierung geachtet werden, um den Eintritt von Fremdströmen in die Meßanlage zu verhüten, die zur Beschädigung der Geräte, mindestens aber zu Meßfehlern führen. Am besten verwendet man für das Fernmeßnetz Kabel. Ob als Gebgerät für die elektrische Zählung ein Differenzdruckzeiger oder ein teurer Differenzdruckschreiber eingebaut werden soll, läßt sich nur von Fall zu Fall nach den jeweiligen Betriebsbedingungen entscheiden. Häufig wird ein Schreiber verwendet, um die mit dem Zähler ermittelten Mengen durch Planimetrieren des Schreibstreifens nachprüfen zu können. Durch den im Betrieb aufgehängten Schreiber ist der betreffenden Dienststelle gleichzeitig eine Ueberwachungsmöglichkeit gegeben. Nachteilig ist hierbei sowohl für diese Ueberwachung als auch besonders für den Streifenwechsel und die Wartung der Schreibgeräte ihre verstreute Aufstellung in den Betrieben. Sie kann außerdem mit Rücksicht auf die Lage der Stauränder nicht immer an den günstigsten Plätzen erfolgen. Man wird daher abwägen, ob man als Primärapparat mit Fernsender einen teuren Differenzdruckschreiber wählen und außerdem auf der Ueberwachungstafel ein elektrisches Schreibgerät anbringen soll, oder aber ob man auf die Vorteile des Differenzdruckschreibers verzichten und sich mit einem Anzeiggerät begnügen soll. Die Vorteile der elektrischen Fernzählung liegen vor allem darin, daß man die Zähler an zentraler Stelle zusammenfassen und aus ihren Ablesungen schnell die Verbrauchswerte einer größeren Anzahl angeschlossener Betriebe erhalten kann. Dadurch werden Zeit und Arbeitskräfte für die Auswertung der Meßstreifen gespart, und die beim Planimetrieren der Schaubilder und der Ausrechnung der Verbrauchsmengen möglichen Fehler fallen fort. Die Ergebnisse der Zählerablesung liegen so früh vor, daß nach ihnen die Betriebe ihre Tageseinteilung treffen können und die Werksleitung rechtzeitig einen Ueberblick über die Betriebslage gewinnt. Gegenüber diesen Vorteilen kann der Nachteil der Toleranzerweiterung in der Meßgenauheit, die mit der Mengenermittlung nach den Zählerablesungen verknüpft ist, in den meisten Fällen vernachlässigt werden, zumal da sie bei sachgemäßer Ausführung derAnlage und ordnungsmäßiger Bedienung und Wartung der Geräte in durchaus erträglichen Grenzen bleibt, wie eine Reihe von Untersuchungen im praktischen Betrieb zeigte. Als Beispiel bringt die Zahlentafel Untersuchungsergebnisse von Gaszählern. Untersuchung von Lantermann, vorgetragen in der Hauptversammlung der Wärmestelle des Vereins Deutscher Eisen-Hüttenleute im Bericht „Fernmessen auf Eisenhüttenwerken“ von B. von Sothen. a) Gleichstromzählerbei gleichmäßigerGasentnahme b) Gleichstromzählerbei schwankenderGasentnahme Dat. Aug. Zahlerm3 Planime-trierteMenge m3 Fehler% Dat. Aug. Zahlerm3 Planime-trierteMenge m3 Fehler%   2.  3.  4.  5.  6.  7.  8.  9.10.11.12.13.   11348    1834  14154  16058  16758  19936  16114  15708  20090  19684  19544  20090   11160    1860  14260  16180  18580  20010  16180  15620  20140  19730  19680  20040 + 1,0– 1,4– 0,6– 0,8+ 1,1– 0,3– 0,4+ 0,6– 0,3– 0,2– 0,7+ 0,2   4.  5.  6.  7.  8.  9.10.11.12.13.   65490  67525  46974  59300  28200    3720  53540  57240  57950  62285   64700  68200  47600  58200  27600    3570  55100  56200  57500  62500 + 1,2– 1,0– 1,3+ 1,9+ 2,1+ 4,0– 2,8+ 1,8+ 0,8– 0,3 191318 191440 – 0,1 502224 501170 + 0,2 Sie zeigen, daß sich die Abweichungen gegenüber dem Mengenschreiber im allgemeinen in erträglichen Grenzen halten, besonders wenn man die Meßgenauheit berücksichtigt, die mit dem Drosselverfahren überhaupt zu erzielen ist. Die vorhandenen Abweichungen der Tageswerte gleichen sich in längeren Zeiträumen ziemlich weitgehend aus. Man wird also von der Anwendung elektrischer Zähler und den damit verknüpften Vorteilen vereinfachter und schneller Auswertung weitgehend Gebrauch machen können.