MCU plus Kommunikationseinheit

Embedded-Design für intelligente Messsysteme

Der Begriff intelligentes Messen erscheint fast schon täglich in den Schlagzeilen, vor allem im Zusammenhang mit intelligenten Stromzählern für das Smart Grid. Intelligentes Messen umfasst aber viel mehr als nur Stromzähler. Andere Formen der Energienutzung wie Erdgas und Wärme (d. h. Wärmeenergie) gehören genauso dazu wie die Überwachung des Wasserverbrauchs.

Messdaten von Wohn-, Geschäfts- und Industrieanlagen werden typischerweise in regelmäßigen Abständen abgefragt und von einen Messkollektor gesammelt, bevor sie an den Dienstleister gesendet werden. Im Gegensatz zu Stromzählern sind Messuhren für Gas, Wasser und Wärme batteriebetrieben und müssen Lebensdauern von bis zu 20 Jahren erreichen. Das stellt an die Designer von Messsystemen einige Herausforderungen: die Limitationen der derzeitigen Energiespeicher einerseits, andererseits der eher zunehmende Stromverbrauch dieser komplexen Systeme. Es entwickeln sich neue Systemarchitekturen und Stromspartechniken, um diesen verändernden Anforderungen gerecht zu werden.

Die drei Messsysteme

Es gibt drei verschiedene Kategorien von Messsystemen mit jeweils spezifischen Anforderungen. Der gebräuchlichste Typ ist der Stromzähler, der den Verbrauch an elektrischer Energie in Zahlen ausdrückt. Das zweithäufigste Messgerät misst den Verbrauch von Flüssigkeiten wie Wasser, Erdgas oder Heizöl. Die dritte Kategorie – Wärmezähler oder Heizkostenverteiler – misst den Verbrauch von Wärmeenergie.

Stromzählersysteme umfassen zwei Funktionsbereiche: die eigentliche Messtechnik und das Kommunikations-Subsystem. Die messtechnischen Anforderungen ändern sich nach Region und Zählertyp (Wohnanlage gegenüber Industrieanlage). Wichtige Variablen sind unter anderem die Anzahl der gemessenen Phasen, die Messgenauigkeit, die Anforderung für verschiedene Sätze je nach Nutzungszeit sowie der Sicherheitsgrad, der für die Kommunikationsschicht erforderlich ist.

Stromzähler messen die von einem Kunden verbrauchte elektrische Energie, den Leistungsfaktor des Verbrauchers und die Zeit des Stromverbrauchs, um die Zumessung von Mehrfachraten zu unterstützen. Diese Messungen stützen sich auf verschiedene Sensortechnologien, die der Anzahl der elektrischen Phasen des Systems angepasst sind. Die Zähler für private Verbraucher sind typischerweise einphasig, während bei Kunden im Geschäfts- und Industriebereich oft mehrphasige Zähler eingesetzt werden. Diese Zähler beziehen normalerweise Strom aus dem Netz, aber sie benötigen eine alternative Speisung wie zum Beispiel eine Batterie oder einen Superkondensator, um einen definierten Zustand bei Trennung oder Unterbrechung des Betriebs beizubehalten.

Gas- und Wasserzähler sind generell batteriebetriebene Systeme, die einen Mikrocontroller (MCU) enthalten, der mit einem Messsensor, einem Display und einem Kommunikationsbaustein – typischerweise ein Funksender oder HF-Empfänger – verbunden ist. Diese Systeme verwenden oft Verdrängungs-Durchflusszähler, um zu messen, wie oft sich eine Volumeneinheit der Flüssigkeit durch den Zähler bewegt. Bei viskosen Flüssigkeiten wird das Volumen durch einen Magnet oder eine drehende Welle gemessen. Jede Drehung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und von dem MCU gespeichert. Für weniger viskose Flüssigkeiten wie Erdgas kommen zur Massenflussmessung Ultraschallwandler zum Einsatz. Unabhängig vom gemessenen Material ist bei diesen Messsystemen ein geringer Stromverbrauch eine entscheidende Konstruktionsvoraussetzung, weil sie meist nicht an eine Stromquelle angeschlossen sind.

Wärmeenergiemessgeräte (Wärmezähler oder Heizkostenverteiler) werden typischerweise in Gebäuden mit mehreren Parteien eingebaut, die auf zentralisierte Heizsysteme setzen. Diese Zähler messen die Wärmemenge, die an einen Raum über eine gegebene Zeit abgegeben wurde. Ähnlich wie Gas- und Wasserzähler sind Wärmeenergiemessgeräte batteriebetriebene Systeme, die für die geringste Gesamtleistungsaufnahme optimiert wurden. Sie besitzen ebenfalls einen MCU, der den Durchfluss und die Temperatur der Heizflüssigkeit misst, und ein Display sowie ein Kommunikationsbauteil. Die Wärme wird nach der an den Raum abgegebenen Energie berechnet, die über die Messung des Durchflusses der Heizflüssigkeit sowie der Eingangs- und Ausgangstemperaturen über einen gegebenen Zeitraum erfolgt. Diese Daten erscheinen auf dem Display, das in den Zähler integriert oder entfernt eingebaut ist und werden über eine Funkverbindung an einen Kollektor gesendet, wo sie gesammelt und an den Dienstleister übermittelt werden.

1. Teil: Embedded-Design für intelligente Messsysteme
2. Teil: Messfunktionen und Anforderungen