Development of a method generating realistic deposits in flow sensors of heat meters

Die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) ist das natur- und ingenieurwissenschaftliche nationale Meterologieinstitut der Bundesrepublik Deutschland sowie die technische Oberbehörde für das gesetzliche Messwesen. Die PTB hat im Sinne des Verbraucherschutzes u.a. die Aufgabe, Vertrauen in die Messsicherheit im geschäftlichen und behördlichen Verkehr zu schaffen sowie Verfahren bekannt zu machen, nach denen Messsicherheit und Messbeständigkeit mit höchstmöglicher Genauigkeit ermöglicht werden. Die Messbeständigkeit von Durchflusssensoren hängt maßgeblich von sich im Laufe der Betriebszeit ablagernden Schichten ab. Diese Ablagerungen entstehen u.a. in Abhängigkeit von der im Feld anzutreffenden chemischen Heizwasserzusammensetzung, dem zeitlichen Verlauf von Temperatur und Durchfluss in Rohrnetzen sowie den Materialien in relevanten Bereichen der Messgeräte. Ziel der geplanten Untersuchungen ist die physikalisch-technische Modellierung der Prozesse bei der Bildung von Ablagerungen sowie die technologische Entwicklung eines Verfahrens zur beschleunigten Erzeugung von Ablagerungen mit praxisnahen Auswirkungen auf Durch-flusssensoren. Darin eingeschlossen ist die Entwicklung von Vorschlägen für mögliche Ver-meidungsstrategien, wie die z.B. die gezielte Beschichtung von Innenseiten und sensorspezi-fische Selbstreinigungsprozesse. Mit diesen Erkenntnissen werden Hersteller von Wärmezählern in die Lage versetzt, den Messraum von Durchflusssensoren optimal gegen die Wirkung von Ablagerungen zu gestalten. Um dieses Ziel zu erreichen erfolgen Untersuchungen von Ablagerungen in Wärmezählern aus dem Feld. Aus den Ergebnissen werden Mechanismen der Ablagerungegenese bestimmt, um dann mit unterschiedlichen Methoden Modellablagerungen zu erzeugen. Im Anschluss erfolgt eine Validierung der Modellablagerungen mit der Realität. Als wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit wird eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, Ablagerungen auf den benetzten Oberflächen der Durchflusssensoren (z.B. aus Metall, Kunststoff oder Keramik) einfach und innerhalb kurzer Zeit zu erzeugen. Bei dieser als „Suspensionsverfahren” bezeichneten Methode wird Filtrat aus Fernwärmenetzen auf innere Oberflächen von Durchflusssensoren (DFS) aufgebracht, die die Messgenauigkeit mitbestimmen. Diese Beschichtungsmethode hat gegenüber anderen Verfahren den Vorteil dass sie eine kostengünstige, technisch einfach umzusetzenden Beschichtungsmethode ist, mit der Schichten generiert werden können, deren Morphologie auch in Untersuchungen von Feldgeräten nachgewiesen werden konnten. Weiterhin sind die Schichtdicken variierbar und das Entfernen der aufgebrachten Schichten ist mit Standardreinigungsverfahren möglich. Der Einfluss der im Labor generierten Schichten auf die Veränderung der Messabweichung wurde für verschiedene Wärmezähler nachgewiesen; er entspricht qualitativ der Abweichung, wie sie bei Feldgeräten auftreten.The Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)is the national meterology institute for science and technology of the Federal Republic of Germany. It is also the highest technical authority in legal meterology. PTBs consumer protection tasks include establishing confidence in measurement certainty concerning business and official commerce, and to communicate methods allowing measurement certainty and stability with the highest possible precision. The measurement stability of flow sensors is affected by the buildup of deposits during service. These deposits arise in dependence of the water composition in the heating circuit, the temperature profile and flow in the networks, as well as the materials used in the parts of the flow sensors relevant to measurement. The aim of the examinations here is the physical and technical modelling of the processes of deposit formation, as well as the technological development of a method for faster production of artificial deposits that realistically simulate the effects on flow sensors. This includes suggestions for possible mitigation strategies, e.g. specific coatings on inner surfaces and self-cleaning processes for sensors. This enables manufacturers of heat meters to optimize the design of flow sensors in heat meters in order to minimize the effect of deposits. To accomplish this goal, first actual deposits found in heat meters in the field are analyzed to determine the mechanisms of deposit formation. These results are used to produce model deposits using various methods. These model deposits are then validated by comparing with real deposits. An essential part of this work is developing a method that produces deposits on the wetted surfaces of flow sensors (e.g. made of metal, synthetic material or ceramic) simply and within a short period. This so-called „Suspension Method” of coating uses filtrate from heating networks to create a coating on inner surfaces of flow sensors which have an influence on measurement precision. Compared with other methods, this coating technique has the advantage that it is an economical, technically simple method which produces layers having similar morphology as actual deposits in heat meters in the field. Furthermore, the layer thickness is variable, and the layers can be removed using standard cleaning methods. The influence of the layers generated in the laboratory on the change of the measuring error was proved for various heat meters. This influence corresponds qualitatively to the deviation appearing in field gauges