Mikroelektronischer Haushaltsgaszähler EGZ-G4 D - gat

TECHNIK
Mikroelektronischer Haushaltsgaszähler
EGZ-G4
In der hier vorgestellten Neuentwicklung wird aktuellste „Sensor on-chip“ Technologie eingesetzt, um
das mehr als 150 Jahre alte Prinzip der Haushalts- und Gewerbegaszähler in eine neue Ära zu führen.
Das neue Gerät der EMS PATVAG AG ist klein und handlich, misst unabhängig von Temperatur und
Druck und kann mit diversen Schnittstellen bzw. Fernauslesemodulen kombiniert werden.
D
ie europäischen Energiemärkte befinden
sich im Umbruch. Zunehmende
Marktliberalisierungen, neue gesetzliche
Auflagen, wie z. B. die neue „Energieeffizienzrichtlinie“
oder die neue „Messstellenzugangsverordnung“
für Deutschland
sowie eine zunehmende Kundenfokussierung
erfordern neue Ansätze in der Messund
Abrechnungssystematik. „Smart Metering“
heißt das Zauberwort. Was bedeutet
dies nun für die Energieversorger, welche
Maßnahmen müssen im Messwesen
getroffen werden? Eines ist klar, die Messtechnik
wird modernisiert und die Kundenorientierung
gewinnt im zunehmend härteren
Wettbewerb an Wichtigkeit.
Erdgas hat weltweit gesehen einen Anteil
von ca. 25 Prozent am Gesamtenergieverbrauch
– Tendenz steigend. In einigen Län-
26
Kunde
Bedürfnisse:
- Individualisierung
- Transparenz
Strom Wärme
COM
Gas Wasser
COM
COM
COM COM
Abb. 1: Übersicht Smart-Metering-Landschaft
dern innerhalb Europas ist der Anteil noch
höher, beispielsweise werden in Deutschland
mehr als 75 Prozent der neu erstellten
Wohnungen mit Erdgas beheizt [1]. Um die
Erdgasbezüge der einzelnen Erdgaskunden
zu messen, werden Gaszähler benötigt.
In Haushalten und im gewerblichen
Bereich kommen heute überwiegend so
genannte Balgengaszähler zur Anwendung.
Der jährliche Bedarf an solchen
Messgeräten liegt weltweit bei ca. 20 Millionen
Einheiten, mit einem Gesamtmarktwert
von etwa 1 Milliarde Euro. Balgengaszähler
haben sich weit über 100 Jahre als
zuverlässig erwiesen, allerdings haben sie
auch gravierende Mängel: Sie messen
druck- und temperaturabhängig, sind groß
und schwer und eignen sich nur schlecht
für die immer wichtiger werdende Zählerfernauslesung.
Kundenbeziehung
EVU
Bedürfnisse:
- Billingprozesse
- Produktmanagement
- Netzmanagement
- Datenmanagement
Quelle: EMS-PATVAG
Smart Metering
Die Disziplin Smart Metering beschreibt
die Messung von Energieverbrauchsdaten
mit anschließender Übermittlung und
Verarbeitung beim Energieversorgungsunternehmen.
Dies betrifft hauptsächlich
den Bereich Strom, jedoch auch Gas,
Wärme und Wasser. Die Politik möchte
durch Änderungen der gesetzlichen Rahmenbedingungen
im Bereich Messung
und Abrechnung mehr Transparenz in die
Energieabrechnungen bringen, was dem
Konsumenten entgegenkommen und
schlussendlich den Gesamtenergieverbrauch
senken soll. Aus diesem Grund
beschloss die deutsche Bundesregierung
am 6. Juni 2008, dass das Messwesen
für Strom und Gas liberalisiert werden soll.
Mit der Änderung des Energiewirtschaftgesetzes
(EnWG) und der neuen Messstellenzugangsverordnung
wird diese
neue gesetzliche Grundlage ab Ende Juli
2008 in Kraft gesetzt. Ab diesem Zeitpunkt
bekommt Smart Metering eine
neue Bedeutung, es wird Pflicht.
Smart Metering kann für Energieversorgungsunternehmen
eine große Chance
darstellen (Abb. 1); folgende Vorteile können
resultieren, wenn Kundendaten präzise
und nicht zeitverzögert beim Versorger
sind:
• Prozessoptimierung für Ablesung und
Verrechnung aller Medien (Strom/Gas/
Wasser/Wärme),
• verbessertes Netz- und Datenmanagement,
Optimierung des Energiehandels,
• Produkte nach individuellen Verbrauchsverhalten
der Kunden (Mehrwert auch für
Kunde),
• Integration von erneuerbaren Energien
nach Bedarf,
• Transparenz gegenüber dem Kunden, bei
Bedarf monatliche Rechnungsstellung,
• Kundenbindung, Differenzierung gegenüber
auftretenden Konkurrenten.
energie | wasser-praxis 9/2008

Die Umstellung auf Smart Metering bedarf
neuer Mess- und Kommunikationsgeräte,
die präzise Verbrauchsdaten aufnehmen
und dem Energieversorger übermitteln
können. Ein Gerät, welches all diese Erwartungen
und Bedürfnisse deckt, ist der
neue Gaszähler von EMS PATVAG, welcher
hier näher vorgestellt wird (Abb. 2).
Die thermische Durchflussmessung
Thermische Durchflusssensoren basieren
normalerweise auf der Kühlung eines erwärmten
Objektes im Fluss. Die im EGZ-G4
zur Anwendung kommenden CMOS (Complementary
Metal-Oxide Semiconductor)
Durchflusssensoren bedienen sich der Temperaturdifferenz
von zwei bezüglich des Mikroheizers
symmetrisch stromauf- und
stromabwärts angebrachten Temperaturfühlern.
Fließt kein Gas über den Sensor,
messen die beiden Temperaturfühler im
Heizmoment, d. h. während der Mikroheizer
stromdurchflossen ist und sich dabei gegenüber
der Umgebungstemperatur um einige
Grad erwärmt, die gleiche Temperaturerhöhung.
Fließt nun ein Gasstrom über das
Sensorelement, wird diese Symmetrie gestört.
Zwischen den beiden Temperatursensoren
entsteht eine Temperaturdifferenz, die
gemessen wird. Dieses, in der Form einer
Spannungsdifferenz anliegende, Temperaturdifferenzsignal
wird im Analogteil des
Sensorchips aufbereitet und anschließend
digitalisiert. Diese spezielle Art der thermischen
Durchflussmessung zeichnet sich
unter anderem durch den hohen Messeffekt
und die weit gehende Unabhängigkeit gegenüber
Temperatur- und Druckeinflüssen
aus (Abb. 3).
Der in enger Zusammenarbeit mit der Firma
Sensirion in Stäfa (CH), einem „Spinoff“
des Physikalisch Elektronischen Labors
(PEL) der ETH Zürich, entwickelte und für
diese Anwendung optimierte Halbleiter-
Chip beinhaltet auf rund 16 mm 2 einen
Sensorteil sowie eine analoge und eine digitale
Elektronik für die Signalaufbereitung.
Mit einer elektrischen Gesamtleistung von
ca. 0,2 mW ist es möglich, den neuen Gaszähler
mit einer Lithium-Thyonilchlorid Batterie
über 16 Jahre lang zu betreiben.
Der aus Polysilizium gefertigte, mikrothermische
Sensor misst den durchflussabhängigen
Wärmetransport des über ihn
strömenden Gases (Abb. 4). Der sich in
der Mitte der Anordnung befindende integrierte
Heizer wird in einem quasi-periodischen
Pulsbetrieb mit einigen mW Heizleistung
P el erwärmt. Bei einer Fließgeschwindigkeit
ν des Gases und einer konstanten
Heizleistung P el bildet sich eine Tempera-
Gas Flow
Temperature Sensors
Abb. 3: Prinzipschema der thermischen Durchflussmessung
turdifferenz ΔT(ν) zwischen den beiden
Temperaturfühlern. Aus ΔT(ν) wird dann die
Fließgeschwindigkeit ν bestimmt.
Die Temperaturdifferenz ist, bedingt durch
das Messprinzip, von den physikalischen
Eigenschaften des strömenden Gases abhängig.
Um die Gasabhängigkeit des Sensorsignals
herzuleiten, muss die zugehörige
Differenzialgleichung betrachtet werden.
Für einen Kanal mit einem Durchfluss in x-
Richtung mit Wärmeerzeugung nur in den
Wänden des Kanals kann die Gleichung
annähernd geschrieben werden als [2]:
∂ 2 T ∂ 2 T ∂ 2 T ⎧ν x⎫ ∂
––– + ––– + ––– = –– –– (T) (1)
∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 ⎩ α⎭∂x
wobei ν x die axiale Flussgeschwindigkeit
und α die Diffusivität sind; Letztere definiert
als ν = λ/c p ρ mit λ der thermischen Leitfähigkeit,
c p der spezifischen Wärmekapazität
und ρ der Gasdichte. Damit zeigt sich, dass
1/α denselben Einfluss auf das Sensorsignal
hat wie die Änderung der axialen Durchflussgeschwindigkeit
ν x . Aus Gleichung 1 ist
ebenfalls ersichtlich, dass es sich bei der
thermischen Durchflussmessung nicht um
eine Betriebsvolumen-, sondern um eine
Normvolumenmessung handelt, was nachfolgend
dargelegt wird. Da proportional zu
Abb. 2: Bild des
neuen elektronischen
Gaszählers, der
auf einem mikrothermischen
CMOS-
Durchflusssensor
basiert – Abmaße:
97 mm x 97 mm
ρ · ν x gemessen wird, ist diese Methode
prinzipiell temperatur- und druckunabhängig.
Mit einer Korrektur, auf die hier nicht im
Detail eingegangen werden soll, welche auf
einer periodischen Messung der thermischen
Leitfähigkeit λ des Gases basiert,
wird im Gaszähler EGZ-G4 diese auf den
ersten Blick negative Eigenschaft der thermischen
Durchflussmessmethode weit gehend
kompensiert. Darüber hinaus wird die
Möglichkeit dieser einfachen Gasartenerkennung
im neuen Gaszähler benutzt, um
am Display anzuzeigen, ob sich Luft in der
Gasleitung befindet. Diese Anzeigemöglichkeit
kann auch als Indikator für eine unzulässige
Manipulation verwendet werden, indem
der Gaszähler anzeigt, ob er sich nach
dessen Einbau zeitweise in Kontakt mit Luft
befand oder temporär deinstalliert wurde.
Der mechanische Aufbau
Die thermische Durchflussmessung ist an
sich eine bekannte Messmethode. Die
große Herausforderung bei der Entwicklung
eines neuen Gaszählers war das Erfüllen
der äußerst strengen Vorgaben bezüglich
des elektrischen Leistungsbedarfs,
der Langlebigkeit, des Messbereichs
und der Messgenauigkeit. Die
Komponenten des Gaszählers EGZ-G4
energie | wasser-praxis 9/2008 27
Heater
ca. 2,8 mm
Silicon
Silicon nitrite (glass)
Gap for
pressure
equalisation
Quelle: EMS-PATVAG
Quelle: Sensirion

TECHNIK
28
Abb. 4: CMOS Durchflusssensor mit 2,8 x 5,8 mm 2
Abb. 5: Funktionsprinzip und Schnittbild des neuen elektronischen Gaszählers
Abb. 6: Explosionszeichnung des neuen Gaszählers
Sensor
Batterie
EEPROM Regulator
MSP430
Durchflusssensor
Supply
SPI
GRUNDFUNKTIONEN
Abb. 7: Blockdiagramm der Gaszählerelektronik
μc
LCD
Anzeige
SCI
Kalibrierung
Automatische
Zählerauslesung
Kommunikation
ERWEITERTE
FUNKTIONEN
Quelle: Sensirion
Quelle: EMS-PATVAG
Quelle: EMS-PATVAG
Quelle: EMS-PATVAG
wurden einzeln und unter Verwendung
von Computer-Fluid-Dynamik-Simulationen
und Berechnungen sowie den neusten
Erkenntnissen auf dem Gebiet der Materialwissenschaft
entwickelt.
Der Gaszähler ist als Bypass-Konstruktion
ausgelegt (Abb. 5). Der im Hauptgasfluss
angebrachte „Pressure Dropper“ erzeugt
bei maximaler Erdgas-Durchflussrate von
6 m 3 /h einen Druckabfall von 0,8 mbar. Weniger
als 1 Prozent des Gases wird dadurch
gezwungen, durch den Bypass und über
den Sensor zu strömen. Mit dieser Bypasskonstruktion
kann eine große Messdynamik
von ca. 150 zu 1 erzielt werden.
Bezüglich der angestrebten hohen Messdynamik
war die genaue Auslegung des
Hauptrohres mit „Pressure Dropper“ und
dem Bypass von großer Bedeutung. Um sowohl
für kleine Durchflussmengen einen hohen
Messeffekt als auch für hohe Flüsse stabile
Verhältnisse zu haben, mussten die laminaren
und turbulenten Strömungsanteile beider
Pfade aufeinander abgestimmt werden.
Für eher blendenartige Rohrverengungen
ergeben sich hohe turbulente Strömungsanteile
und der erzeugte Druckabfall Δp in
Funktion des Volumenflusses kann beschrieben
werden mit der Gleichung [3]:
1 ξp
Δp = ––– · ––– · Φ2 v 2
A 2 ƒc
(2)
Wobei A 2 ƒc für den offenen Querschnitt der
Lochblende, ρ für die Gasdichte, ξ als dimensionsloser
Formfaktor der Blende und
Φ v für den Volumenstrom stehen. Es ergibt
sich also ein Differenzdruck, der proportional
zum Quadrat der Durchflussgeschwindigkeit
ist. Damit ist dieser Teil des erzeugten Differenzdruckes
klein für kleine Durchflussraten,
aber sehr groß für große Durchflussraten.
Betrachtet man eher röhrenförmige Differenzdruckerzeuger,
dann ist das Strömungsprofil
in einer solchen Kapillare laminar
und Δp entsteht vor allem durch viskose
Reibungsverluste. Daraus ergibt sich eine
lineare Beziehung zwischen erzeugtem
Differenzdruck und Durchflussrate entsprechend
der folgenden Gleichung [3]:
L μCƒ
Δp = –––––– · –––– · Φv 2
A ƒc D 2 h
(3)
Hierin beschreibt Cƒ den Reibungskoeffizienten,
der von der Form der Kapillare abhängig
ist. Im Gegensatz zur blendenförmigen
Geometrie zeigt sich hier eine konstante
Sensitivität des erzeugten Differenzdruckes
zur Durchflussrate über den
ganzen Durchflussbereich.
energie | wasser-praxis 9/2008

In älteren Versorgungsnetzen können sich
z. B. durch rostige Rohre kleine Teilchen
im Gas suspendieren. Dies ist allerdings
nur beschränkt möglich, da die Fließgeschwindigkeiten
im betrachteten Anwendungsgebiet
sehr gering sind. Die Massenträgheit
der sich möglicherweise im
Gasstrom befindenden Partikel verhindert
ein Eindringen in den Bypassbereich, womit
der Sensor vor Verschmutzungen geschützt
ist – ein weiterer Vorteil der Bypassmethode.
Durch die für diesen
Zweck am besten geeignete Beschichtung
für Halbleitersensoren (Si 3N 4, Siliziumnitrid)
wird der Sensor zusätzlich gegen
Korrosion geschützt.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des neuen Gaszählers
ist die geringe Anzahl der Komponenten
und der einfache Zusammenbau, der
größtenteils automatisiert werden kann (Abb.
6). Dies hat wiederum einen positiven Effekt
auf die Herstellungskosten des Gerätes.
Der Gaszähler der EMS PATVAG hat keine
beweglichen Teile, was seine mechanische
Anfälligkeit minimiert. Diese Konstruktionsund
Messart hat zudem den Vorteil, dass
keine störenden Geräusche auftreten. Der
Gaszähler besticht durch die kleine, hand-
liche Bauart, was ihn in Punkto Logistik
und Optik klar bevorteilt. Ein EGZ-G4 entspricht
in der Baugröße etwa einem Zehntel
eines G4-Balgengaszählers. Bei größeren
Versionen des EGZ wird dieser Vorteil
noch beträchtlicher werden.
Die Messtechnik
Die Messfehler eines herkömmlichen Balgengaszählers,
der den Betriebsvolumendurchfluss
misst, können bei ungünstigen
äußeren Verhältnissen – bezogen
auf den Normvolumenfluss – beträchtlich
sein. Die Temperatur- und
Luftdruckschwankungen am Ort des
Gaszählers wirken direkt auf das Messresultat
ein, wie dies vereinfacht mit der
universellen Gasgleichung [4]:
p · V
––––– = const (4)
T
gezeigt werden kann.
Diese Darstellung besagt, dass sich das
Messergebnis bezüglich Luftdruck um 0,1
%/mbar und bezüglich der Temperatur um
zusätzlich 0,37 %/°C ändert. Es ist also entscheidend,
wie ein Balgengaszähler beim
Kunden eingebaut ist. Entsprechend gestal-
tet sich der jeweilige Fehler, der eine direkte
Auswirkung auf die Energieabrechnung hat.
Der Gaszähler EGZ-G4 zeigt das Volumen
unabhängig von Luftdruck und Temperatur
an. Außerdem zeigt der neue Gaszähler
neben der total verbrauchten Gasmenge
auch den momentanen Durchflusswert an,
was für den Endkunden einen praktischen
Zusatznutzen darstellt.
Für einen Gaskunden, der mit Erdgas heizt
oder kocht, ist die Energie E entscheidend,
die mit dem Erdgas geliefert wird. Bei der
Verwendung von Balgengaszählern wird
jedoch der über eine bestimmte Zeitperiode
integrierte Volumenstrom V · (p,T) zur
Bestimmung der konsumierten Gasenergie
bestimmt, der dann vom Gasversorger
mit einem für die Periode i gemittelten
Brennwert H – n (i) multipliziert wird:
E = H – n (i) · ∫ iV · (p,T) · dt (5)
Für die Referenztemperatur, auf welche der
Brennwert des Gases bezogen ist, wird heute
normalerweise 15 °C gewählt (nach
DVGW-Arbeitsblatt G 685). Wenn es am
Standort des Gaszählers wärmer ist, be-
Zustandsüberwachung in Bestform
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energie | wasser-praxis 9/2008 29

TECHNIK
zahlt der Kunde pro 3 °C ein Prozent zu viel
für die von ihm bezogene Erdgasenergie. Bezüglich
des nach der barometrischen Höhenformel
gegebenen geodätischen, also
höhenabhängigen, Luftdrucks p h in kPa, mit
h als geodätischer Höhe (Meter über Meer)
in km [4]:
⎡ 6,5 · h ⎤5,255 ph = 101,3 kPa ·
⎣
1- ––––––– (6)
288 km ⎦
30
Abb. 8: Elektronik des Gaszählers: Stromverbrauch und Zuverlässigkeit prägen die Elektronik
müssen die Energieversorger heute für die
Berechnung der bezogenen Gasenergie
den Brennwert je nach geodätischer Höhe
des Bezugsortes variieren. In Deutschland
ist eine Abstufung von maximal 100 Meter
vorgeschrieben.
Der Gaszähler von EMS PATVAG misst den
Gasverbrauch unabhängig vom Luftdruck.
Der Brennwert bleibt für die Verrechnung
von Ascona (200 m ü. M.) bis Zermatt
(1.620 m ü. M.) derselbe. Die Anzeige erfolgt
in Normvolumen bezogen auf 15 °C
und 1013,25 mbar.
Anforderungen an die Elektronik
Der Sensor des elektronischen Gaszählers
kann als das Herzstück bezeichnet werden.
Daneben wird aber eine „Zentrale“ benötigt,
welche alle Abläufe koordiniert und steuert.
Diese Aufgabe übernimmt ein Mikrocontroller.
Er initiiert die Messung zum richtigen
Durchflussmessung
Aktive Zeit der CPU
Bestimmung der
Gaszusammensetzung
Kontrollmessung
Zeitpunkt, liest den bereits kalibrierten
Messwert in digitaler Form aus dem Sensor
und verrechnet die Informationen, sodass
verschiedene Werte über das Display oder
die Schnittstelle angezeigt werden können.
Zusätzlich werden verschiedene Überwachungsaufgaben
abgearbeitet, wie zum
Beispiel das Batteriemanagement oder das
Management des nichtflüchtigen Speichers
(EEPROM) (Abb. 7).
Neben den in der Industrieelektronik üblichen
Anforderungen wie Zuverlässigkeit,
einfache Wartung und lange Verfügbarkeit
der Komponenten, ist es beim elektronischen
Gaszähler zusätzlich der niedrige
Stromverbrauch, dem ein hoher Stellenwert
zugemessen werden musste. Außerdem
möchte man die Vorteile des elektronischen
Gaszählers nutzen, in dem man den Zähler
über ein Fernauslesesystem (AMR, Automatic
Meter Reading) abfragen kann.
Low-Power System
Beim elektronischen Gaszähler handelt es
sich um ein autonomes, batteriebetriebenes
Gerät. Um eine möglichst lange Betriebsdauer
des Systems zu gewährleisten,
muss der Stromverbrauch möglichst
tief gehalten werden. Beim EMS PATVAG
Gaszähler kommen fast ausschließlich
Komponenten für Low-Power-Systeme
Abb. 9: Die obere Kurve zeigt
die verschiedenen Messmodi
(Monitormessung: Messung mit
reduzierter Auflösung und
daher reduziertem Stromverbrauch,
Accurate-Messung:
Messung mit hoher Auflösung,
- Messung: Gasbestimmung).
Die untere Kurve zeigt, wie klein
das Verhältnis zwischen Aktivund
Standby-Modus Zeit im
System ist (Signal high, entspricht
ca. 0,2 % der Zeit).
Quelle: EMS-PATVAG
zur Anwendung. Dabei ist zum Beispiel für
den Mikrocontroller nicht die Rechenleistung
oder der Stromverbrauch alleine das
ausschlaggebende Kriterium, sondern der
Quotient aus Rechenleistung und Stromverbrauch.
Andere wichtige Komponenten
für ein Low-Power-System können
Verstärker oder Spannungsregler sein.
Hier ist vor allem der Ruhestrom ausschlaggebend.
Entsprechend der Anwendungen
können auch diese Komponenten
beim EGZ in einen Standby-Modus versetzt
werden.
Ein ausgeklügeltes Strommanagement im
Gaszähler berücksichtigt, dass nur diejenigen
Komponenten und Funktionen aktiv
sind, die auch für die aktuellen Messprozesse
benötigt werden. Auf diese Weise
kann die elektrische Gesamtleistung bei
maximal 0,2 mW gehalten werden, was
wiederum eine lange Batteriebetriebsdauer
ermöglicht (Abb. 8).
Ablauf der Messung
Die meiste Zeit ist sowohl der Mikrocontroller
als auch der Sensor in einem Low-
Power- oder Sleep-Modus und nur ein Timer
und der LCD-Treiber im Mikrocontroller
sind aktiv. Der interne Timer signalisiert
den Start einer neuen Messung und
„weckt“ den Mikrocontroller mit einem Interrupt
aus dem Sleep-Modus auf. Abhängig
von der Vorgeschichte können drei verschiedene
Messabläufe initiiert werden:
Accurate-, Monitor- oder λ-Messung. Bei
allen Messungen ist der Ablauf jedoch sehr
ähnlich: Der Mikrocontroller programmiert
Register im Sensor und parametrisiert damit
die Messung. Nach dem eigentlichen
Start der Messung kann der Mikrocontroller
wieder in den Sleep-Modus versetzt
werden. Er wird durch einen neuen Interrupt
wieder aufgeweckt, sobald die Messung
abgeschlossen ist und das Messresultat
aus dem Sensor ausgelesen, weiter
verrechnet und dargestellt werden kann
(Abb. 9).
energie | wasser-praxis 9/2008
Quelle: EMS-PATVAG

Abb. 10 + 11: Verschiedene drahtgebundene Zählerauslesemöglichkeiten zur Datenfernauslesung
Batteriebetrieb
Da es sich beim Gaszähler der EMS PATVAG
AG um ein batteriebetriebenes Gerät handelt,
ist es wichtig, einen zuverlässigen,
qualitativ hochwertigen und dauerhaften
Batterietyp zu verwenden. Die Batterie
muss hohe und tiefe Temperaturen aushalten
können, ein für diese Anwendung geeignetes
Stromprofil haben und eine möglichst
geringe Selbstentladung aufweisen.
Die umfangreiche Evaluation hat gezeigt,
dass für die Anwendung im neuen Gaszähler
eine Lithium/Thionylchlorid (Li/SOCl 2 )
Batterie eingesetzt werden muss. Nur in
dieser Technik lassen sich heute Zellen
herstellen, die auch über mehrere Jahre
hinweg eine genügend kleine Selbstentladung
haben (0,2 % pro Jahr). Zusätzlich
lassen sich diese Zellen über einen weiten
Temperaturbereich einsetzen. Die Nominalspannung
der Zelle liegt mit 3,6 Volt in
einem Bereich, in dem sich eine Elektronik
gut betreiben lässt. Die minimale elektrische
Leistung des Zählers (0,2 mW) erlaubt
einen Betrieb von 16 Jahren pro Batterie.
Danach kann die Batterie durch eine
neue ersetzt werden.
Schnittstellen
Bei konventionellen Balgengaszählern zur
Verbrauchsmessung muss ein beträchtlicher
Aufwand betrieben werden, um die
Geräte elektronisch auslesen zu können.
Beim EGZ liegen die Messwerte und Daten
bereits in elektronischer Form vor. Eine einfache,
flexible Schnittstelle im Inneren des
Gaszählers stellt die Daten bereit, welche
anschließend über ein Zusatzmodul weitergeleitet
werden können. Derzeit ist eine
M-Bus Schnittstelle (Abb. 10) oder eine
RS-232 Schnittstelle (Abb. 11) in den
EGZ-G4 integrierbar und für die Verbrauchsabrechnung
zugelassen. Damit
lassen sich der momentane Zählerstand
und Statusinformationen des EGZ-G4 auslesen.
Bei Verwendung der optional erhältlichen
Recorderversion können zudem
auch Lastprofile ausgelesen werden. Die
M-Bus Schnittstelle kann mit einem externen
Funkmodul erweitert werden, die RS-
232 Schnittstelle eignet sich für die Auslesung
per GSM/GPRS Modem. Ab Ende
2008 wird ein EGZ-G4 mit einem integrierten
Funkmodul erhältlich sein, der das
standardisierte M-Bus Protokoll verwendet.
Offene und standardisierte Protokolle
und Kommunikationspfade sind die
Grundlage für die Investition und einen
wirtschaftlichen Betrieb einer Smart Metering
Lösung. In Abbildung 11 sind die bereits
erhältlichen Zählerfernauslesemöglichkeiten
dargestellt.
Die Software des neuen
Gaszählers
Auf Grund der Anforderungen, die in erster
Linie hinsichtlich des Energieverbrauches
an die Hardware gestellt werden, sind die
Ressourcen, die für die Software zur Verfügung
stehen, relativ bescheiden. Einen
weiteren Engpass stellt der zur Verfügung
stehende Speicherplatz dar. Es wurde deshalb
während der gesamten Entwicklung
des Gaszählers darauf geachtet, dass die
primären Funktionen im Vordergrund stehen:
die Messung, Kumulierung und Darstellung
des Gasverbrauches. Hinzu kommen
weitere zwingend notwendige Funktionen,
die sich aus den Vorschriften für
elektronische Gaszähler ergeben. Weitere
wichtige Merkmale sind die Fehlererkennung
und Protokollierung im Falle von Manipulationen
oder Unterbrüchen der
Stromversorgung sowie die Minimierung
des Energieverbrauches. So ist der Mikrocontroller,
wie bereits erwähnt, im Mittel
nur gerade während ca. 0,2 Prozent der
Betriebszeit des Gaszählers im aktiven
Modus, während der restlichen Zeit befindet
er sich im Ruhezustand.
Die Auslegung der Software sollte ein hohes
Maß an Flexibilität aufweisen, um zukünftigen
Entwicklungen und Bedürfnissen, wie
z. B. weiteren Kommunikationsschnittstel-
len, Rechnung tragen zu können. Bewährt
hat sich in diesem Zusammenhang der Aufbau
der Software aus mehreren Zustandsmaschinen,
die eine sichere, übersichtliche
und modulare Struktur ermöglichen.
Die Messstrategien (Abb. 12) sowie die
Schnittstelle zum Sensor wurden in enger
Zusammenarbeit mit der Sensirion AG entwickelt.
Um bei konstanten Flüssen energieintensive
Präzisionsmessungen zu vermeiden,
werden in der Regel Kontroll- oder
Monitormessungen mit niedrigerer Auflösung
durchgeführt. Wird bei einer Monitormessung
eine Veränderung des Flusses
festgestellt oder ist nach einer festgelegten
Anzahl an Messungen keine Flussänderung
mehr festgestellt worden, so wird eine
präzise Messung durchgeführt. Im Weiteren
kann die Wärmeleitfähigkeit λ des
Gases periodisch bestimmt und zur Korrektur
der Gasabhängigkeit genutzt werden.
Dafür müssen weitere Parameter mit
dem Sensor erfasst und ausgewertet werden.
Durch Abtasten in unregelmäßigen
Zeitabständen (Jitter), anstelle einer fixen
Periodendauer, wird verhindert, dass der
Gaszähler durch einen pulsierenden Gasfluss
beeinflusst werden kann.
Normen und Zulassung
Der elektronische Gaszähler EGZ-G4 wurde
im Jahr 2007 durch die benannte Stelle ME-
TAS (Schweizerisches Bundesamt für Metrologie)
nach MID (Measuring Instruments
Directive) zertifiziert. Der Gaszähler wurde
mit der Modulprüfung B (Bauartprüfzertifikat
Nr. CH-MI002-07001) und D (Konformitätszertifikat
Nr. 511-00201) zertifiziert. Seither
ist es in Europa gestattet, den Gaszähler in
Verkehr zu bringen und für die Verrechnung
von Erdgasverbrauchsmengen zu verwenden.
Der Zähler ist für die Verwendung mit
Erdgasen des Typs H und L (nach EN 437,
ISO 12213-2) zugelassen. Die Eichgültigkeitsdauer
wurde durch die jeweils zuständige
nationale Behörde festgelegt. In der
Schweiz beträgt diese sechs Jahre (METAS)
energie | wasser-praxis 9/2008 31
Quelle: EMS-PATVAG

TECHNIK
und in Deutschland fünf Jahre (PTB). Diese
Eichgültigkeit kann, nachdem genügend Erfahrungswerte
gesammelt sein werden, in
Zukunft hochgesetzt und auf ein Stichprobenverfahren
erweitert werden (Losverfahren).
Ein Zertifikat besteht ebenfalls für die
M-Bus- und die RS-232 Schnittstelle sowie
für die Recorderoption. Der DVGW und der
SVGW haben den EGZ-G4 ebenfalls geprüft
und zertifiziert. Entsprechende Dokumente
liegen vor.
Druck, Einbauhöhe, Temperatur
Die heute zur Anwendung kommenden
Balgengaszähler messen Gas in Betriebsvolumen
(V b ). Dieses gemessene Volumen
muss anschließend aufwändig über Temperatur-
und Druckkompensierungen in
Normvolumen (V n ) umgerechnet werden.
Für die gesetzlich vorgeschriebene Höhenkompensation
wird die Einbauhöhe jedes
32
Auswertung
Abb. 12: Ablaufsteuerung der Messung
Monitormessung
keine
präzise
Messung
präzise
Messung
AGND
präzise
Messung
Temp.
Delta λ
Temp.
Oberlauf
keine
λ-Messung
λ-Messung
Temp.
Unterlauf
Zählers erfasst und im Verrechnungssystem
hinterlegt, was den Energieversorgern
oft großen Aufwand verursacht. Auf diese
Weise wird gewährleistet, dass alle Konsumenten
die richtige Energiemenge (Q) – die
vom Normvolumen (V n ) über den spezifischen
Brennwert des Gases ermittelt wird
– in Rechnung gestellt bekommen.
Der neue elektronische Gaszähler misst direkt
Normvolumen bezogen auf 15 °C und
1.013,25 mbar, also Meereshöhe. Dadurch
kann jeder Kunde individuell genau abgerechnet
werden, unabhängig davon, ob in
seinem Keller, wo der Gaszähler üblicherweise
installiert ist, eine Temperatur von konstant
15 °C herrscht oder nicht. Unerheblich
ist auch die Einbauhöhe des Gaszählers, auf
die Bildung von Höhenzonen kann verzichtet
werden bzw. es können alle EGZ der gleichen
Höhenzone zugeordnet werden.
Abb. 13: Kalibrier-Rack der EMS PATVAG AG in Domat/Ems: Bis zu 24 Geräte
können gleichzeitig kalibriert werden.
Quelle: EMS-PATVAG
Quelle: EMS-PATVAG
Gaszusammensetzung
Dank der thermischen Messmethode, die
abhängig von der zu messenden Gasart
ist, kann der Gaszähler zwischen Erdgas
und Luft unterscheiden. Für Erdgas des
Typs H und L sind jeweils verschiedene
Modelle erhältlich, eine Zertifizierung existiert
bereits für beide Varianten. Zu einem
späteren Zeitpunkt wird es auch einen
EGZ-G4 für Propan- oder Butanmessungen
geben.
Zukunftsvision
Denkbar ist ebenfalls, die neuen Gaszähler
unmittelbar für die bezogene Energie
(kWh) zu kalibrieren (Abb. 13), auch dies
ist gemäß PTB ein gangbarer Weg, bedingt
jedoch einen Paradigmenwechsel
der heute bestehenden Volumenmessung
in die Richtung der Energiemessung. Ob
und wann solche Lösungen die heutige
Abrechnung über die Hilfsgröße des Volumens
ablösen werden, muss die Zukunft
zeigen.
Zusammenfassung und Ausblick
Der elektronische Zähler der EMS PATVAG
AG erfüllt die hohen Erwartungen der Energieversorger
an ihre zukünftigen Smart-Metering-Komponenten.
In der Schweiz laufen
seit sieben Jahren Feldtests im Erdgasabrechnungsbereich
– die Resultate sind sehr
gut: keine Falschmessungen oder Ausfälle
und keine Degradation der Sensorik. Praktisch
alle großen Energieversorger in
Europa führen derzeit Pilotversuche mit
dem EGZ-G4 durch. Aber auch kleinere
Unternehmen und Stadtwerke zeigen großes
Interesse, sich für die anstehenden Veränderungen
auf dem Markt vorzubereiten.
Literatur:
[1] Stat. Bundesamt, Stat. Landesamt und Ruhrgas:
Heizenergie: Erdgas ist unangefochten die Nr. 1. –
In: GWF Gas Erdgas (2002) Nr. 9, S. 448.
[2] F. Mayer, G. Salis, J. Funk, O. Paul und H. Baltes:
Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Microsensors:
Experiment and Simulation.- In: Proceeding
IEEE Micro Electro Mechanical Systems, (IEEE San
Diego, 1996) Nr. 9, S. 116 - 121.
[3] W. Bohl: Technische Strömungslehre. 8. Aufl.,
Würzburg 1989.
[4] F. Kneubühl: Repetitorium der Physik. 2. Aufl.,
Stuttgart 1982.
[5] tm, Technisches Messen, 3/2004
Kontakt:
Dipl.-Ing. Robert Braun
EMS-PATVAG AG
Reichenauerstraße
CH-7013 Domat/Ems
Tel.: +41 (0)56 470 24 58
Fax: +41 81 632 76 62
E-Mail: robert.braun@emspatvag.com
Internet: www.emspatvag.com ■
energie | wasser-praxis 9/2008