Durchflussmesser kalibrieren: Methoden, K-Faktor, Messdynamik und Intervalle

Was eine Durchflussmesser-Kalibrierung prüft

Eine Kalibrierung vergleicht die Anzeige des Durchflussmessers mit einer Referenzmenge an Fluid, die im selben Zeitraum gesammelt oder verdrängt wird, bei stabilem Durchfluss, Druck und stabiler Temperatur. Das NIST gibt das Ergebnis als Zählerfaktor an, das Verhältnis des aus dem Normal berechneten Durchflusses zur gemittelten Anzeige des Zählers, oder als dessen Kehrwert (SP 250-73). Bei einem Gerät mit Impulsausgang wird dasselbe Ergebnis meist als K-Faktor angegeben.

Welcher Ausgang kalibriert wird, ist wichtig. Ein Durchflussmesser kann einen Durchfluss, ein summiertes Volumen, eine Masse oder eine Impulsfolge liefern. Das Labor liest den Ausgang mit seinen eigenen kalibrierten Geräten ab, und deren Unsicherheit geht in das Budget ein.

Die Abweichung mit einer Grenze zu vergleichen und Bestanden oder Nicht bestanden festzuhalten, ist eine Verifizierung gegen eine Spezifikation. Zähler im geschäftlichen Verkehr haben außerdem gesetzliche Grenzen, auf die wir unten eingehen.

• Kalibrierung und Verifizierung im Vergleich

Die Normen und Bezugsdokumente

Die ISO 4185:1980 beschreibt die Messung des Flüssigkeitsdurchflusses durch Wägen der in einer bekannten Zeit in einen Behälter gelieferten Flüssigkeit, in statischer und dynamischer Form, mit der Berechnung der Unsicherheit. Die ISO führt sie als 2019 bestätigt, und eine zweite Ausgabe ist als Arbeitsvorhaben registriert (ISO/AWI 4185).

Die ISO 8316:1987 beschreibt dasselbe Prinzip mit einem kalibrierten volumetrischen Messbehälter. Die ISO 9368-1 legt fest, wie statische Wägeanlagen zu prüfen sind.

Das OIML D 36:2020 behandelt Rohrprover einschließlich Kolbenprover als Normale für die Verifizierung und Kalibrierung von Zählern. Es hat die OIML R 119 von 1996 ersetzt.

Für Zähler unter gesetzlicher Kontrolle gilt die OIML R 117:2019 für dynamische Messanlagen für Flüssigkeiten außer Wasser, die OIML R 49:2024 (gemeinsam mit ISO 4064:2024 herausgegeben) für Wasserzähler und die OIML R 137-1&2:2012 für Gaszähler. In den USA behandelt NIST Handbook 44 Abschnitt 3.37 Massedurchflussmesser.

Nationale Metrologieinstitute veröffentlichen ihre Verfahren. Das NIST beschreibt seine Durchflussnormale in der Reihe SP 250, die PTB betreibt einen Prüfstand für Wasserdurchfluss mit gravimetrischen und volumetrischen Referenzen, und beim TÜV SÜD National Engineering Laboratory ist das britische nationale Normal für die Durchflussmessung angesiedelt.

Vier Referenzmethoden im Vergleich

Bei der gravimetrischen Methode wird die Flüssigkeit eine gemessene Zeit lang in einem Tank auf einer Waage gesammelt. Der Ablauf am NIST stellt einen stabilen Durchfluss durch den Zähler ein, setzt die Waage auf null, schaltet einen Diverter auf den Tank und startet die Zeitmessung, hält die Wassertemperatur und die Luftbedingungen für die Auftriebskorrektur fest, schaltet dann den Diverter zurück und bestimmt die Endmasse (SP 250-73). Die ISO 4185 kennt auch eine dynamische Form, bei der die Masse aus Wägungen ermittelt wird, während noch Flüssigkeit zuläuft.

Ein volumetrischer Messbehälter verwendet ein kalibriertes Volumen anstelle der Waage (ISO 8316). Beide Methoden sammeln den gesamten Durchfluss in einem Behälter und eignen sich daher eher für ein Labor als für eine Betriebsleitung.

Ein Prover verdrängt mit einem Kolben oder einer Kugel ein bekanntes Volumen zwischen Detektoren. Das OIML D 36 beschreibt unidirektionale, bidirektionale, Kleinvolumen- und Vollhub-Bauarten. Das Grundvolumen des Provers wird zuerst kalibriert, durch Water-Draw, mit einem Referenzzähler oder geometrisch, und seine Messwerte werden auf Temperatur und Druck von Flüssigkeit und Prover korrigiert. Das D 36 empfiehlt Temperaturmessgeräte mit einer erweiterten Messunsicherheit von 0,2 °C oder weniger und Druckmessgeräte mit 0,05 MPa oder weniger (6.3, 6.4) sowie genügend Vorläufe, um Gas zu entfernen und die Flüssigkeitstemperatur zu stabilisieren (6.6).

Ein Referenzzähler (Master Meter) ist ein kalibrierter Zähler in Reihe mit dem Prüfling. Das OIML D 36 (5.3.2) beschreibt denselben Gedanken für die Kalibrierung eines Provers: Der Referenzzähler ist nur ein Zwischenglied, also kalibrieren Sie ihn gegen ein anderes Normal und bestätigen Sie vor und nach der Arbeit, dass er stabil ist.

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Flüssigkeit oder Gas: was sich ändert

Gas ist kompressibel, seine Dichte hängt also von Druck und Temperatur ab, und ein Gasvolumen sagt ohne sie wenig aus. Die OIML R 137 nennt den Druck und die Temperatur, auf die ein Volumen umgerechnet wird, Basisbedingungen (3.2.19). Prüfen Sie, welche der Zähler und der Kalibrierschein verwenden.

Die Primärnormale des NIST für Gas sind PVTt-Systeme, die einen Tank mit bekanntem Volumen eine gemessene Zeit lang füllen und die gesammelte Masse aus Druck und Temperatur ermitteln. Die Normale mit 34 L und 677 L haben eine Unsicherheit von 0,025 %, das Normal mit 26 m³ von 0,09 % (k = 2). Sein Working Gas Flow Standard verwendet kritische Venturidüsen und Laminardurchflussmesser, die auf den PVTt-Normalen kalibriert sind, mit 0,15 % bis 0,07 %.

Das Gas ist so wichtig wie der Durchfluss. Die OIML R 137-1&2 erlaubt eine Verifizierung mit Luft oder einem anderen Gas nur, wenn der Unterschied zum Einsatzgas innerhalb eines Drittels der Fehlergrenze bleibt oder wenn korrigiert wird (12.5.2.3, 13.1.3). Bei Flüssigkeiten hat die Viskosität eine ähnliche Wirkung. Der Musterbericht des NIST für Turbinenzähler weist darauf hin, dass Durchflüsse unter etwa 10 % des Maximums, wo die Lager dominieren, eine zusätzliche Viskositätsunsicherheit tragen. Das ist eine grobe Schätzung, und nur eine Kalibrierung in zwei Fluiden unterschiedlicher Viskosität zeigt das für einen bestimmten Zähler (SP 250-1039r1).

K-Faktor und Zählerfaktor

Der K-Faktor eines Durchflussmessers mit Impulsausgang ist seine Impulszahl je Volumen- oder Masseneinheit. PTB und NIST definieren ihn als Ausgangsfrequenz geteilt durch den Durchfluss, was dasselbe ist (PTB, Engel und Baade, 2006; NIST SP 250-1039). Eine Kalibrierung liefert den K-Faktor bei jedem Durchfluss, und der Transmitter oder Zähler des Messgeräts rechnet damit Impulse in eine Menge um.

Nehmen wir einen Turbinenzähler, eingestellt auf 100 Impulse pro Liter. In einem Lauf erzeugt er 20.000 Impulse, während der Prover 198,0 L liefert. Der Zähler zeigt 200 L an, also eine Abweichung von +1,0 %, und der K-Faktor dieses Laufs ist 20.000 ÷ 198,0 = 101,0 Impulse pro Liter.

Der K-Faktor ist keine Konstante. Er ändert sich mit dem Durchfluss, und der Artikel der PTB zeigt, dass er sich durch die Wärmeausdehnung des Zählergehäuses mit der Temperatur verschiebt. Das NIST gibt Turbinenzähler dimensionslos an, als Strouhal-Zahl über der Roshko-Zahl, damit das Ergebnis auch bei einer anderen Flüssigkeit oder Temperatur nutzbar ist (SP 250-1039r1). Das OIML D 36 erlaubt, die Abweichung einer Messanlage aus einem nach ISO 4267-2 Abschnitt 7 bestimmten Zählerfaktor oder direkt aus den Proving-Volumina zu berechnen (6.9).

Wie viele Prüfdurchflüsse und was Messdynamik bedeutet

Eine normale Flüssigkeitskalibrierung am NIST nutzt fünf Durchflüsse mit je fünf gemittelten Anzeigen, und die ganze Reihe wird bei einem zweiten Termin wiederholt, wobei der Durchfluss in einem Satz aufwärts und im anderen abwärts eingestellt wird. Der Gasservice des NIST nutzt fünf Durchflüsse mit je drei oder mehr Messungen bei zwei Terminen. Weniger als drei Durchflüsse und zwei Sätze zu je drei Messungen setzt das NIST selten ein (SP 250-1039r1). Warten Sie zuerst auf Stabilität: Am Kolbenprover des NIST muss der Zählerfaktor innerhalb von 0,2 % stabil sein, bevor Daten aufgenommen werden.

Die Messdynamik, auch Turndown, ist das Verhältnis des höchsten zum niedrigsten Durchfluss, bei dem ein Durchflussmesser seine Genauigkeit einhält. Ein Gerät mit 100 L/min und einem Turndown von 20:1 ist bis 5 L/min spezifiziert. Wählen Sie Kalibrierdurchflüsse über den tatsächlich genutzten Bereich, auch nahe dem unteren Ende, und lesen Sie das Ergebnis nicht über den kalibrierten Bereich hinaus. Das NIST stellt klar, dass seine Kalibrierwerte nur im kalibrierten Bereich gelten.

Die gesetzlichen Empfehlungen legen Mindestverhältnisse fest, die die Tabelle zeigt. Ein Wasserzähler hat außerdem Bereiche. Die OIML R 49-1:2024 legt Q2/Q1 auf 1,6 und Q4/Q3 auf 1,25 fest (4.1.5, 4.1.6), sodass der untere Bereich von Q1 bis Q2 und der obere von Q2 bis Q4 reicht.

Fehlergrenzen für Zähler unter gesetzlicher Kontrolle

Wird ein Zähler für den geschäftlichen Verkehr verwendet oder ist er anderweitig geregelt, kommt die Fehlergrenze aus der einschlägigen Empfehlung oder nationalen Regelung. Die OIML R 117-1:2019 gibt eine Grenze für die vollständige Messanlage und eine engere für den Zähler allein an, für Mengen von mindestens 2 L oder 2 kg (Tabelle 3).

• Wasserzähler nach OIML R 49-1:2024: Klasse 1 erlaubt ±1 % im oberen und ±3 % im unteren Durchflussbereich, Klasse 2 erlaubt ±2 % und ±5 %. Über 30 °C werden die Grenzen des oberen Bereichs zu ±2 % und ±3 % (4.2.2, 4.2.3).
• Gaszähler nach OIML R 137-1&2:2012 bei Bauartprüfung und Ersteichung: vom Übergangsdurchfluss bis Qmax erlaubt Klasse 0,5 ±0,5 %, Klasse 1 ±1 % und Klasse 1,5 ±1,5 %. Von Qmin bis zum Übergangsdurchfluss gelten ±1 %, ±2 % und ±3 % (Tabelle 2).
• NIST Handbook 44 Abschnitt 3.37, Tabelle T.2, für Massedurchflussmesser: Genauigkeitsklasse 0,3 hat eine Abnahmetoleranz von 0,2 % und eine Wartungstoleranz von 0,3 %, Klasse 0,5 hat 0,3 % und 0,5 %.
• Wiederholbarkeit: Die OIML R 117-1:2019 begrenzt die Wiederholabweichung eines Zählers auf zwei Fünftel des Werts der Zeile A für Mengen ab dem 5-Fachen der Mindestmenge, und Handbook 44 T.3 begrenzt die Spannweite wiederholter Prüfungen auf 40 % der Wartungstoleranz.

Vor Ort oder im Labor

Ein Labor bietet kontrollierten Durchfluss, Temperatur und Fluid, bildet aber Ihre Rohrleitung nicht ab. Das NIST nennt Einbaueinflüsse, langfristige Änderungen und Temperatureinflüsse auf den Zähler unter den Unsicherheitskomponenten, die der Anwender im Betrieb ergänzen muss (SP 250-1039r1). Die OIML R 49-1:2024 teilt Wasserzähler nach ihrer Empfindlichkeit gegenüber unregelmäßigen Geschwindigkeitsprofilen vor und nach dem Zähler ein.

VSL, das niederländische Metrologieinstitut, weist darauf hin, dass eine Kalibrierung vor Ort spezielle Prozessanschlüsse für die mobile Ausrüstung braucht und dass die Arbeit, wenn ein Zähler im Betrieb nicht ausgebaut werden kann, auf einen Stillstand warten muss. Sonst geht der Zähler in ein Kalibrierlabor oder zum Hersteller zurück. In der Praxis bedeutet eine Kalibrierung vor Ort meist einen Prover oder Referenzzähler in Reihe mit dem eingebauten Zähler.

Auch Behörden akzeptieren Prüfungen vor Ort. Bei US-Einleitergenehmigungen sieht das NPDES Compliance Inspection Manual der EPA vor, dass die Durchflussmesssysteme des Standorts mindestens einmal jährlich von einer qualifizierten Stelle kalibriert werden, und ein Inspektor kann einen Zähler mit einem tragbaren Clamp-on-Gerät vergleichen und eine Übereinstimmung innerhalb von ±10 Prozent erwarten (Kapitel 6, EPA 305-K-17-001).

• Kalibrierung für Wasser und Abwasser
• Kalibrierung für Öl und Gas
• Interne oder externe Kalibrierung

Messwerte vor der Justierung, Justierung und ein Durchflussmesser außerhalb der Toleranz

Kalibrieren Sie, bevor Sie justieren. Der K-Faktor oder die Abweichung vor der Justierung zeigt bei jedem Durchfluss, wie der Zähler im Einsatz gemessen hat. Einen K-Faktor im Transmitter zu ändern, ist eine Justierung: Halten Sie den alten und den neuen Wert fest und wiederholen Sie die Durchflüsse nach der Justierung. Die OIML R 117-1:2019 sagt, dass eine Justiereinrichtung nur dazu dienen darf, die Abweichungen so nah wie möglich an null zu bringen, und verbietet das Justieren durch eine Umgehung des Zählers.

Liegt eine Abweichung vor der Justierung außerhalb der Grenze, war der Zähler für einen unbekannten Teil der Zeit seit seiner letzten einwandfreien Kalibrierung außerhalb der Toleranz. ISO 9001 Abschnitt 7.1.5.2 erwartet, dass Sie zurückschauen, was damit gemessen wurde, und alles klären, was falsch sein könnte. Sehen Sie sich bei einem Durchflussmesser an, was seine Messwerte gesteuert haben, etwa Chargenmengen, Dosierungen, Abrechnungsmengen oder Werte in einem Behördenbericht.

• Was tun, wenn ein Prüfmittel bei der Kalibrierung durchfällt
• Messwerte vor und nach der Justierung

Wie oft ein Durchflussmesser kalibriert werden sollte

Keine Norm legt ein Intervall für alle Durchflussmesser fest. VSL sagt, dass das Intervall so gewählt wird, dass ein Zähler innerhalb der Genauigkeits- und Toleranzgrenzen in den Betriebsverfahren des Unternehmens bleibt. ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 nennt die zu berücksichtigenden Faktoren, darunter Verschleiß- und Driftneigung, Umfang und Schwere der Nutzung und die Umgebung (5.1).

Für manche Zähler legen Behörden Fristen fest. Die deutsche Mess- und Eichverordnung (MessEV, Anlage 7) nennt für Wasserzähler eine Eichfrist von 6 Jahren und für Messgeräte für verflüssigte Gase 1 Jahr. Gaszähler haben 5 Jahre, soweit keine andere Zeile gilt, Balgengaszähler je nach Größe 8 bis 16 Jahre. Die EPA erwartet bei Durchflussmesssystemen für Abwasser mindestens einmal jährlich.

Wie ein Zähler driftet, hängt von seiner Bauart ab. Die OIML R 117-1:2019 verlangt eine Dauerprüfung nur für Zähler mit bewegten Teilen in der Flüssigkeit und sagt, dass Coriolis-, Ultraschall- und magnetisch-induktive Zähler keine brauchen. Nutzen Sie die Historie der Ergebnisse vor der Justierung jedes Zählers und kalibrieren Sie nach einer Reparatur, einem Fluidwechsel oder einer Änderung des Einbaus neu.

• Kalibrierintervalle festlegen
• Zwischenprüfungen zwischen Kalibrierungen
• Rechner für Kalibrierintervalle
• Rechner für Driftrate und Kalibrierintervall

Was Kalibrierschein und Aufzeichnung zeigen sollten

Ob der Zähler in ein Labor geht oder intern bleibt: Bewahren Sie eine Aufzeichnung auf, mit der jemand anderes die Kalibrierung wiederholen und zur selben Entscheidung kommen kann. ISO/IEC 17025:2017 Abschnitt 7.8 legt den allgemeinen Inhalt eines Kalibrierscheins fest. Die Berichte des NIST ergänzen die Unsicherheit des Kalibrierfaktors und die Prüfbedingungen.

• Kennung, Nennweite, Bauart des Zählers und der kalibrierte Ausgang, mit dem K-Faktor oder der Spanne, wie vor der Justierung eingestellt.
• Das Verfahren, etwa gravimetrisch oder Referenzzähler, und die verwendete Referenz mit Kennung und Fälligkeit ihrer Kalibrierung.
• Das Fluid mit Temperatur, Druck, Dichte und Viskosität, soweit sie das Ergebnis beeinflussen.
• Bei Gas die Basisbedingungen und das verwendete Gas.
• Jeder Durchfluss mit der Referenzmenge, der Anzeige des Zählers, der Abweichung oder dem K-Faktor und der Wiederholbarkeit.
• Der Einbau, wenn die Arbeit vor Ort erfolgte, einschließlich gerader Einlaufstrecke oder Strömungsgleichrichter.
• Die Ergebnisse vor und nach der Justierung und der K-Faktor vor und nach jeder Justierung.
• Die Unsicherheit, das Datum, wer die Arbeit ausgeführt hat und das nächste Fälligkeitsdatum.

• Vorlage für den Kalibrierschein (Excel)
• Anforderungen an den Kalibrierschein

Wo Axiospec ins Spiel kommt

Axiospec ist eine Software für das Kalibriermanagement. Sie führt jeden Durchflussmesser mit seiner Kalibrierhistorie, seinen Kalibrierscheinen und dem nächsten Fälligkeitsdatum, und jede Kalibrierung nennt das verwendete Bezugsnormal. Eine Kalibrieraufzeichnung nimmt bis zu 100 Prüfpunkte auf. Jeder Punkt hat seinen Nennwert, seine Toleranz als absolutes Band, als Prozent vom Nennwert oder als Prozent der Messspanne, und die Messwerte vor und nach der Justierung, sodass eine Kalibrierung mit fünf Durchflüssen in eine Aufzeichnung passt. Der Kalibrierschein, den Axiospec erstellt, führt diese Punkte auf.

Bei einer internen Kalibrierung setzt ein abschließender Messwert außerhalb seiner Toleranz das Ergebnis auf Nicht bestanden, und wer trotzdem Bestanden erfasst, muss eine schriftliche Begründung angeben. Ein Nicht bestanden sperrt den Zähler. Ein Nicht bestanden oder ein Bestanden mit einem Messwert vor der Justierung außerhalb der Toleranz fordert Sie auf, festzuhalten, was der Zähler seit seiner letzten einwandfreien Kalibrierung gemessen hat, und noch nicht dokumentierte Auswirkungen erscheinen unter Handlungsbedarf. Axiospec führt die Prüfung nicht durch, berechnet den K-Faktor nicht und wählt weder das Verfahren noch das Intervall. Das bleibt bei Ihnen oder Ihrem Labor.

Der Free-Tarif umfasst bis zu 50 aktive Messmittel. Ein neuer Arbeitsbereich startet mit einer 45-tägigen Testphase von Professional, mit Platz für 1.500 aktive Messmittel und ohne Kreditkarte. Wir übernehmen Ihre vorhandenen Aufzeichnungen für Sie kostenlos, in jedem Tarif.

• Kostenloses Arbeitsblatt für Messwerte vor und nach der Justierung
• Kostenlose Vorlage für den Kalibrierschein
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