Messwerte erfassen, betrachten und auswerten

Tipps und Hilfen beim Ermitteln, Betrachten und Auswerten von Messwerten in der Abwassermengenmessung

Gedanke

Generell kann gesagt werden:

" Alle Messwerte werden irgendjemanden nicht schmecken, egal wie genau oder richtig diese sind."

Grundsätzliches

Beim Erfassen, Betrachten und Auswerten von Messwerten können viele Faktoren zu Fragen aber auch zu Ungenauigkeiten führen. Um alle Einflüsse erfassen zu können ist oft ein umfangreiches Wissen notwendig. Hier werden möglichst viele Punkte genannt um ihnen eine Hilfe zu bieten.
Ein digitales Messsignal oder auch Zählsignal genannt (Impulszähler/Mengensignal) ist genauer als ein Analogsignal!

Erfassung / Datenlogger / Datenspeicher

Bei Erfassung der Messwerte ist ein geeigneter Datenlogger zu verwenden. Bei der Geräteauswahl sind der Speicherzyklus und die Genauigkeit der Eingänge zu beachten. Auch der Eingang eines Datenloggers hat einen Fehler.Gibt es eine Min/Mittel/Max Auswertung?

Der Speicherzyklus ist möglichst klein zu wählen um eine hohe Datendichte zu erreichen. So lassen sich später Fehler, Ausreißer aber auch das Ergebnis besser beurteilen und auswerten.

Erfassen Sie immer so viel wie möglich Messsignale. Hat ein Messgerät mehrere Messausgänge dann sollten alle erfasst werden. So können später die Messwerte eines Gerätes vergleichen und eventuelle Störungen oder Fehler im Gerät erkannt werden. Falls ein Signal ausfällt hat man immer noch das zweite Messsignal.

Ergänzend zum elektronischen Datenlogging / Datenregistrierung wird ein handschriftliches Protokoll empfohlen. Dies ist besonders bei einer Langzeitmessung von Vorteil.

Der Datenlogger ist so einzustellen das er die Messwerte des Messaufnehmers richtig erfassen kann. Besonders die Skalierung und die Wertigkeiten der Eingänge und Ausgänge müssen beim Datenlogger und Messgerät passen.

Eine passende PC Software zum einstellen des Datenloggers und zum Betrachten und Bearbeiten der Messwerte ist dringend notwendig.

Bei einigen Datenloggern wird das Messsignal von Analog in Digitalwerte umgewandelt. Hier ist die Auflösung des Analogeingangs zu beachten. Sie sollte mindestens 10bit betragen.

Zusammengefasst: Je öfters, je genauer und je mehr Messdaten erfasst werden desto mehr Möglichkeiten hat man später bei der Datenauswertung, Abweichungen, Fehler oder Zustände zu erkennen.

Messgerät:

Jedes Messgerät hat Fehler!

Jeder Hersteller gibt seinen Messfehler auf unterschiedlichste Methode an und kann sich dabei auf unterschiedlichste Punkte beziehen.

Zu einem ist es der grundsätzliche physikalische Fehler des Messgerät. Dieser kann stark von der Verwendung abhängig sein. Die Auswahl des Messgeräts auf die Anwendung oder Messaufgabe ist wichtig. Wie viel oder welche Abwassermengen sollen erfasst werden. Die Einstellung der Messwertausgänge sollte möglichst klein sein, so das eine genau Auflösung erreicht wird. Zum anderen können die Messsignalausgänge des Gerät auch Fehler haben.

Jedoch ist immer zu beachten, dass das Messgerät für die Messaufgabe geeignet ist. 

Hier können jedoch je nach gewählter Messtechnik weitere Punkte entscheidende Einflüsse haben: Schleichmenge, Dämpfung, usw.

Beispiel: Mit einem MID Durchmesser = 350 mm sollen Durchflüsse von 0,1 bis 2,0 l/s erfasst werden. Die Fließgeschwindigkeit im MID wird viel zu gering sein, so das ein genaues Messergebnis nicht erreicht wird. Auch wenn die Schleichmenge des Messgeräts auf 0,0l/s eingestellt wird. Ebenso die Einstellung der Messgeräteausgänge ( Analogausgang / Digitalausgang) auf sehr kleine Werte entsprechend der Messaufgabe führt zu keiner Erhöhung der Messgenauigkeit. Bei solch einer Anwendung wird das Messgerät zwar Messdaten liefern aber der Grundfehler das ein zu großer Messaufnehmer gewählt wurde ist durch die Optimierung der Einstellung der Messgeräteausgänge nicht zu kompensieren.

Die Genauigkeit der Messausgänge  und die Signalform sind zu beachten. Benutzen Sie immer die genauste Signalform als Basis.

Die Einstellung des Messgeräts und Gerätegröße sind auf die jeweilige Messaufgabe abzustimmen.

Vor Ort:

Beim Einbau des Messgeräts empfiehlt es sich erst das Messgerät vollständig mechanisch auf- oder einzubauen. Erst wen der normale Messzustand erreicht ist, d.h. Wasser fließt, erst dann empfiehlt es sich die Messgeräte und den Datenlogger in Betrieb zu nehmen. So können fehlerhafte Messwerte vermieden werden.

Nach dem alles läuft ist eine Sichtkontrolle sinnvoll. Zeigt der Datenlogger das gleiche an was das Messgerät zeigt?

Grundsätzlich sollten bei allen Messungen, Grunddaten wie Zählerstände und Betriebszustände regelmäßig ermittelt werden. Die Handmitschriften sind später sehr hilfreich um Unklarheiten zu beseitigen.

Was soll man aufschreiben: Datum, Uhrzeit, Zählerstände und Durchfluss am Datenlogger und Messgerät, Wetter, Niederschlag.

Messsignalausgänge/Signalformen:

Digitalsignal:

Das Digitalsignal wird normal zur Übertragung der Menge benutzt. Im Datenlogger entsteht daraus die Summe der Menge ( Zähler ) . Dieses Messignal ist sehr genau und hat in der Übertragung keinen Fehler, außer es fällt ganz aus.

Analogsignal:

Das Analogsignal oder das Stromsignal ( 0/4-20mA ) wird auch Analogwert oder Stromschleife genannt. Es überträgt den aktuellen Durchfluss. Hier sind Messfehler durch den Ausgang des Messgeräts, der Messwertübertragungstrecke ( Kabel/ Stecker/Trenner/ Störungen) und den Messeingang des Datenloggers normal. Ein Fehler von bis zu einem 1% vom Messbereich sind möglich. Beispiel: Messbereich= 0-100l/s, Anzeige im Messgerät 1,0 l/s  Anzeige im Datenlogger 0,5l/s. Eine tatsächliche Abweichung 0,5% vom Messwert liegt in der Toleranz. Gefühlter Fehler  50 % und man denkt alles ist falsch. Da Messsignal ist aber OK !

Merke: Das Analogsignal ist grundsätzlich mit Fehler behaftet. Dieser Fehler kann sich ständig und stetig verändern.
In der Abwassermesstechnik hat sich die Signalform 0/4 bis 20mA ( mA=Milliampere) durchgesetzt.

Es gibt allerdings viele andere Formen / Arten um Analogsignale elektrisch zu übertragen. ( z.B : 0-10Volt, -10Volt bis +10Volt ).

Um genaue Abwassermengen zu erhalten, sollte man nicht das Analogsignal integrieren, sondern den Digitalen-Impulsausgang des Messumformers verwenden.

wenn der Zähler mit einem Zeitstempel und/oder einen Speicherzyklus versehen ist kann den Zählwert auch in einen Durchfluss umgerechnet.

z.B.: Der Zähler hat in 5 Minuten 560 Liter registriert. diese 5 Minuten entsprechen 5x60 sek = 300sek. nun teilt man den Zählwert durch den Zeitwert: 560liter : 300sek = 1,86 Liter pro Sekunde Durchfluss

Der häufigste Fehler bei Analogsignalen ist : Der Stromkreis ist unterbrochen oder die Leitungen wurden verpolt (Lösung + und - einfach mal vertauschen )

Lösung und Umsetzung der Fa. Axel Zangenberg für die Abwassermengenerfassung

Auswahl des Messaufnehmer:

Für genaue Abwassermengenmessungen eignen sich besonders MID's. Der Gerätedurchmesser und die Geräteeinstellung sind auf die jeweilige Messaufgabe abgestimmt.

Datenlogger: mit Min-Mittel-MAx Auswertung.

Speicherzyklus einstellbar.

Gleichzeitige Erfassung des Mengenimpulses (Zähler) und des Analogsignals ( Durchfluss).

PC-Software inklusive.

Analogeingänge mit hoher Genauigkeit bzw. Auflösung.

Meist werden Datenlogger der Fa. Endress+ Hauser eingesetzt. Dazu gibt es die Bediensoftware Software Readwin2000. So kann der Datenlogger über den PC programmiert und ausgelesen werden. Die Daten können dann sehr komfortabel angeschaut werden. Eine Veränderung der Messwerte in der Software ist nicht möglich. Eine Anpassung oder Mathematischen Auswertung ist möglich indem man die Daten in Excel auslagert.

Auswertung Messwertbetrachtung:

Nach dem Ermitteln der Messwerte erfolgt die Betrachtung der Messwerte. Wenn es zum Datenlogger eine passende Software gibt ist dies von großem Vorteil.

Grundlagen:

Zum Betrachten der Messwerte eignet sich die Software des Datenloggerherstellers. Zum Bearbeiten und Auswerten der Messwerte eignet sich ein Tabellenkalkulationsprogramm wie Excel. Wie bei der Erfassung der Messwerte ist es auch hier sinnvoll möglichst viele Daten zu übertragen.

Um die Messwerte auswerten zu können und eventuell Genauigkeitsaussagen treffen zu können sind jegliche Informationen zur Messaufgabe und zu den eingestzten Messgeräten notwendig . Auch die möglichen Fehler aber auch Funktionen und Möglichkeiten der Messgeräte/-anlage sollten bekannt sein.

Plausibilität:

Als erstes sollte die Plausibilität der Messwerte geprüft werden: Kann das sein was ich hier sehe?

Hier ist es nun von Vorteil wenn man die Menge und den Durchfluss (also Digitaleingang und Analogeingang) zusammen registriert hat. Durch einen rechnerischen Vergleich beider Messwerte kann dies erfolgen .

Beispiel: Messperiode = 15 Minuten. Mittelwert Durchfluss Q=15,35 l/s und Zählerstand = 14225Liter. Messbereich Analogausgang des Messgeräts 0-38,33l/s.

Nun rechnen wir den Zählerstand in Durchfluss um in dem wir den Zählerstand von 15 Minutenwerten in Sekundenwerte teilen. 15 Minuten entsprechen 900sekunden. Zählerstand 15min geteilt durch 900 Sekunden. 14225liter / 900sekunden = 15,805 l/s.

Nun können wir den Durchflussmittelwert mit dem umgerechneten 15min Zählwert  vergleichen . 15,35l/s zu 15,805l/s ergibt eine Abweichung von 0,455 l/s . Der Analogwert kann einen Fehler von 1%v om Endwert haben . Somit ist der Messwert OK. Dies führt man mit allen Messwerten in Excel durch.

Beginn und Ende:

Beim Einbau oder zu Beginn einer Messung sind Störungen oder Schwankungen zu erwarten. Dies liegt dann daran, dass es eine gewisse Zeit benötigt wird bis sich ein konstanter Fluss eingestellt hat. Beim Einsatz von vollgefüllten MID's (Mobi DiR oder Peliqan) kann es eine gewisse Zeit dauern, bis der MID vollgefüllt ist. In dieser Zeit sind die Messwerte ungültig. Beim Ausbau wird oft erst das Messgerät ausgebaut und dann der Datenlogger vom Messgerät getrennt. Hierbei entstehen möglicherweise falsche Messwerte. Es empfiehlt sich erst den Datenlogger vom Messgerät zu trennen oder auszuschalten und dann den mechanischen Ausbei durchzuführen.

Digitalwerte vergleichen/ Digitalfehler:

Oft werden unterschiedliche Summen/Mengen oder Digitalwerte von 2 Messgeräten verglichen. Hier liegt das Problem in der Skalierung der Mengenimpulse:

Beispiel: Messgerät 1 liefert für einen Kubikmeter Abwasser 1,0 Zählimpuls (1m³/Impuls). Das Vergleichsgerät liefert 10liter/Impuls.

Nun werden im Zuge der Messung über das Vergleichsgerät 9,150m³ und über das Messgerät 1 10;000m³ registriert.

Somit möchte man denken das Messgerät 1 weicht vom Vergleichsgerät um 0,850m³ ab. Dies ist möglich. Aber da wir nicht genau wissen wann die 10 Zählimpulse des Messgerät erfolgten wissen wir nicht genau wievielt es tatsächlich ist. Es könnte auch sein das schon fast 11,0 m³ geflossen sind und das Messgerät gerade den 11ten Zählimpuls senden wollte. Somit könnte der Zählerstand des Messgeräts 1 bei 10,99m³ gestanden haben. Wir wissen es nicht, somit könnte der Fehler nur durch die zu grobe Messwertübertragung (1,0 m³/Impuls)  zwischen 0,850m³ und 1,849 m³ betragen. Man diesen Fehler den Digitalfehler.

Lösung: Je mehr Zählsignale vorliegen desto genauer wird die Auswertung. Für den Vergleich von Digitalwerten sind die Digitalausgänge der Messgeräte möglichst klein einzustellen.

Messgeräte Vergleich:

Um ein Messgerät mit einem anderem vergleichen zu können ist es sinnvoll wenn das Referenzgerät von der Genauigkeit gleich oder besser wie das zu prüfende Gerät ist.

Mögliche Ursachen die einen Vergleich behindern könnten:  unterschiedliche Schleichmengen. Systemgrößen sehr unterschiedlich. Baulicher Abstand der Messgeräte . Dämpfungen der Messgeräte und deren Ausgänge .

Null oder nichts:

Bei der Auswertung von Messsignalen wird oft festgestellt das die Daten "nichts" anzeigen. Hier stellt sich die Frage: ist Nichts = Null .

Einige Datenlogger erkennen ob der Analogausgang in Betrieb war  aber einfach nur 0,00 l/s  anzeigt, oder ober der Analogwert ausgefallen ist . Dann zeigt der Datenlogger eventuell tatsächlich nichts  oder --,--l/s an.

Oft ist auch die Skala der Messwerteansicht zu groß gewählt: man hat Messwerte von 0,2l/s erfasst aber die Skala der Messwertansicht ist mit 0-150l/s gewählt und somit zu groß.

Praxis Beispiele, typische Fehler  :

• MID nach zwei Pumpen soll geprüft werden. Bei der Prüfung wird festgestellt, das der zu prüfende MID  0,0 l/s Durchfluss anzeigt, obwohl viel Wasser fließt. Wenn beide Pumpen eingeschaltet sind, zeigt er plötzlich was an. Ursache: Die Schleichmenge des MID's wurde so hoch eingestellt das der Durchfluss von nur einer Pumpe nicht "erkannt" wird .
• Durchfluss (Analogwert) zeigt 0,5l/s; bei der rechnerischen Auswertung des Zählers ergibt Q= 0,12l/s . Ursache: Bei einer Messwertskalierung (Endwert) bei 0,0 - 83,33l/s darf der Analogwert bis zu 0,8333l/s ( 1%) abweichen.  Daraus folgt: der Analogfehler liegt in der Toleranz.  Also liegt kein Fehler vor
• Anzeige im Datenlogger entspricht nicht der Anzeige am Messgerät. Die Geräteeinstellung vom Datenlogger (die Eingänge) passen nicht zu den Einstellungen im Messgerät (die Ausgänge)