Eine Luftkalibrierung dokumentiert, wie sich ein Ultraschall-Gaszähler in Luft verhält. Eine Studie mit zwei G4-Zählern verglich diese Basislinie mit Messungen in vier Gasmischungen bei übereinstimmenden Durchflusspunkten. Zwei Ergebnisse dienen unterschiedlichen Zwecken: der Anzeigefehler gegenüber einer Referenz und die Änderung dieses Fehlers gegenüber der Luftbasislinie. Bei einem Prüfling ergab die 23-prozentige Wasserstoffmischung bei maximalem Durchfluss einen berichteten Anzeigefehler von −1,05 %, während die punktuelle Änderung gegenüber Luft −1,59 Prozentpunkte betrug. Dieser Artikel erläutert beide Größen, die Studienbedingungen dahinter und die Informationen, die ein Käufer benötigt, um zu beurteilen, ob eine Kalibrierung auf das vorgesehene Gas anwendbar ist.

Ein Versorgungsunternehmen kann über die Lebensdauer eines Ultraschall-Gaszählers Gas aus Quellen mit unterschiedlicher Zusammensetzung erhalten. Ein Luft-Kalibrierzertifikat ist nützlich, um die Referenzleistung des Zählers unter einer Testbedingung zu dokumentieren. Ein Prüfer muss auch wissen, wie derselbe Zähler abliest, wenn sich die Gaszusammensetzung ändert. Shi, Zhang und Song untersuchten diese Frage mit einem Echtgas-Referenzsystem und zwei inländischen G4-Zählern [1]. Ihr Test ermöglicht zwei Vergleiche bei gleichem Durchfluss. Der erste vergleicht eine Zählerablesung mit dem tatsächlichen Referenzvolumen im gewählten Medium. Der zweite fragt, wie sich das Ergebnis in diesem Medium gegenüber dem Ergebnis in Luft verändert hat.

Die Unterscheidung ist wichtig, wenn die Luft-Baseline selbst von null abweicht. Ein kleiner absoluter Fehler im Anwendungsgas kann mit einer größeren Verschiebung gegenüber Luft koexistieren. Ein nützlicher Testbericht liefert genügend Informationen, um beide Ergebnisse zu erkennen und festzustellen, ob die Medien und Betriebsbedingungen für die Anwendung relevant sind.

In der vereinfachten Beschreibung der Quelle misst ein Paar von Wandlern die akustische Laufzeit stromabwärts und stromaufwärts. L ist die akustische Weglänge, cf ist die Schallgeschwindigkeit im Gas, θ ist der Winkel zwischen dem Weg und der Rohrachse, und vm ist die mittlere Geschwindigkeit entlang der Messlinie, wie im Artikel definiert.

S ist die Querschnittsfläche in m² und vm in m/s, sodass q bei der angegebenen Beziehung in m³/h angegeben wird. Die Differenz der reziproken Zeiten hebt cf in den idealisierten Gleichungen auf, wenn für die beiden Richtungen dieselbe Schallgeschwindigkeit gilt. Das Ergebnis erklärt das Messprinzip. Die Bewertung eines fertigen Messgeräts umfasst auch die Wandler, die Signalzeitmessung und die Strömungsgeometrie des Messgeräts, sodass die Gleichung allein nicht den Fehler bestimmen kann, der mit einem anderen Gas erzielt wird.

Abbildung 1. Laufzeitgeometrie, auf Englisch neu gezeichnet nach Shi, Zhang und Song [1], Abbildung 1 (PDF S. 2, Druckseite 255). Das Diagramm ist nicht maßstabsgetreu.

Die Autoren testeten ein G4-Messgerät von jedem von zwei Herstellern. Das Referenzsystem hatte ein angegebenes Standardvolumen von 120 L. Die angegebene erweiterte Unsicherheit für das System betrug 0,25 % bei k = 2. Die angegebenen Testbedingungen waren 101 kPa und 20 °C. Die Temperaturdifferenz zwischen den relevanten Orten und dem Medium wurde gemäß der Testbeschreibung innerhalb von 1 °C gehalten. Jedes Medium wurde bei 0,1qmax, 0,2qmax, 0,4qmax, 0,7qmax und qmax getestet.

Die Medien waren Luft und vier Gasgemische. Die Studie behandelte die Mischung mit 23 % Wasserstoff und 77 % Methan ausdrücklich als außerhalb des vorgesehenen Bereichs der getesteten Messgeräte. Diese Mischung ist ein explorativer Fall. Die Testergebnisse daraus helfen, den Unterschied zwischen den angegebenen Größen zu erklären, während eine Zulassung für eine kommerzielle Anwendung Nachweise für diese Konfiguration und dieses Gas erfordert.

Für jeden Fall gaben die Autoren den prozentualen Anzeigefehler unter Verwendung des angezeigten Volumens Vi und des tatsächlichen Referenzvolumens Vref an.

E = [(Vi − Vref) / Vref] × 100% (3-1)

Die Tabelle behält die gemeldeten Anzeigefehler bei. Jeder Messwert vergleicht bereits das angezeigte Volumen mit der Referenz unter dieser Testbedingung.

Für Zähler 1 bei 0,2qmax ergab sich bei Luft ein Fehler von −0,01 % und bei der 23-prozentigen Wasserstoffmischung +1,71 %. Die Differenz beträgt +1,72 Prozentpunkte. Zähler 2 bei qmax zeigt ein anderes Muster. Sein Fehler bei der Wasserstoffmischung betrug −1,05 %, während der Luftwert +0,54 % betrug. Subtrahiert man das Luftergebnis, ergeben sich −1,59 Prozentpunkte. Diese Berechnung zeigt, wie Ergebnisse auf gegenüberliegenden Seiten der Null die Verschiebung größer machen können als den absoluten Fehler im Anwendungsgas. Zähler 2 bei 0,7qmax liefert ein weiteres Beispiel, mit −0,97 % bei der Mischung und +0,71 % bei Luft, eine Verschiebung von −1,68 Prozentpunkten.

Die methanreichen Mischungen sollten ebenfalls in der Tabelle beibehalten werden. Bei 0,4qmax meldet Messgerät 1 +0,80 % im Fall von 99,9 % Methan, während Messgerät 2 +0,16 % meldet. Die entsprechenden Luftwerte sind +0,05 % und +0,73 %. Die daraus resultierenden Änderungen verlaufen in entgegengesetzte Richtungen. Würde man das Ergebnis als eine einzige zusammensetzungsabhängige Korrektur behandeln, die für beide Proben gilt, so würde dieser Unterschied verdeckt.

Die Quelle bezeichnet Abbildung 3 als „maximalen mittleren Fehleroffset“. Die Kurven stimmen, soweit die Auflösung der veröffentlichten Diagramme reicht, mit dem vorzeichenbehafteten Gasfehler minus dem Luftfehler für dasselbe Messgerät und denselben Durchflusspunkt in den Tabellen 2 und 3 überein. Der Artikel enthält keine separate Gleichung oder Wiederholungsdaten dazu, wie ein Mittelwert oder Maximum ermittelt wurde. Die Neuerstellung kennzeichnet die Berechnung daher als punktuelle Differenz. Ein Abnahmeprüfbericht sollte sein Mittelungsverfahren und die anwendbaren Durchflussbereiche angeben.

Abbildung 2. Anzeigefehler für G4-Messgeräte 1 und 2. Neu erstellte englische Daten aus der Quellabbildung 2(a–b) unter Verwendung der berichteten Einträge in Shi, Zhang und Song [1], Tabellen 2–3 (PDF S. 3, Druck S. 256).

Abbildung 3. Luft-zu-Gas-Differenzen für G4-Messgeräte 1 und 2. Englisches Gegenstück zur Quellabbildung 3(a–b) (PDF S. 4, Druck S. 257). Die Kurven sind punktweise Differenzen, die aus den Tabellen 2–3 neu berechnet wurden, in Prozentpunkten. Die aufgetragenen Werte stimmen bei Diagramm-Ablesegenauigkeit mit dieser Berechnung überein. Die Autoren bezeichnen die Darstellung als „maximum mean error offset“ und dokumentieren kein separates Mittelungs- oder Maximierungsverfahren.

Der Vergleich zeigt, warum ein Qualifizierungsbericht sowohl die absoluten Anzeigefehler als auch die Änderungen gegenüber der Luft-Baseline bewahren sollte. Ein Käufer, der Optionen vergleicht, kann die Gaszusammensetzungen, Zählervarianten, Durchflusspunkte, Druck- und Temperaturbedingungen sowie die mit den Messungen verbundene Unsicherheit anfragen. Die Studie umfasste zwei Prüfkörper und ein festgelegtes Druck- und Temperaturregime. Weitere Arbeiten könnten den Vergleich über mehrere Einheiten jedes Designs sowie über die tatsächliche Zusammensetzung und das Temperaturprofil im Einsatz replizieren. Rohe Wiederholungsmesswerte würden helfen, systematische Verschiebungen von Streuung zu unterscheiden.

qmax bedeutet maximaler Durchfluss. Eine punktweise Verschiebung wird in Prozentpunkten ausgedrückt und hier als Anzeigefehler des Gasmediums minus Anzeigefehler von Luft für dasselbe Messgerät und denselben Durchflusspunkt berechnet. Das Quellenexperiment und die Ergebnisse gelten für die berichteten Prüfkörper. Die in der Arbeit referenzierte Norm dokumentiert das ursprüngliche Verfahren.

[1] Shi, A., Zhang, J., und Song, S. (2021). „Einfluss von Änderungen der Gaszusammensetzung auf die Messcharakteristik von Ultraschall-Gaszählern – Experimentelle Analyse“ [Experimental analysis of gas-composition effects on ultrasonic gas meter measurement]. 城市燃气, 2021 supplement, S. 254–257. Gleichungen (2-1)–(2-4) und (3-1), Tabellen 2–3 und Abbildungen 1–3. Abbildung 1 ist eine englische schematische Neuzeichnung. Abbildungen 2–3 verwenden die in Tabellen 2–3 angegebenen Werte mit der in Abbildung 3 identifizierten punktweisen Transformation.

Titelfoto: National Institute of Standards and Technology Digital Collections, Gaithersburg, MD 20899. NIST-Ingenieur Robert Palla bei der Prüfung eines Testtrockners. U.S. Government work, Public Domain Mark 1.0 gemäß dem Quelldatensatz. Redaktioneller Bildausschnitt und Titellayout. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Engineer_Robert_Palla_of_the_Advanced_Measurement_Technology_Section_checking_one_of_the_test_dryers.jpg