Watermeters

Wat is het?

Een watermeter is een toestel waarmee het volume water (bv. drinkwater, regenwater, …) dat door een leiding stroomt kan gemeten worden. In gebouwen aangesloten op een openbaar (drink)waternet wordt een (hoofd)meter op de binnenkomende waterleiding geplaatst en beheerd door het waterbedrijf (in Vlaanderen bv. De Watergroep, FARYS, Pidpa, water-link, etc.).

Er bestaan verschillende types watermeters: mechanische watermeters, ultrasone watermeters, elektromagnetische watermeters, etc. Voor toepassing in gebouwen worden meestal mechanische watermeters of ultrasone watermeters gebruikt. In deze tekst wordt daarom enkel ingegaan op deze types.

Figuur 1: Volumetrische watermeter met roterende piston, voorzien van een sensor voor magnetische uitlezing.

Figuur 1: Volumetrische watermeter met roterende piston, voorzien van een sensor voor magnetische uitlezing.

Hoe werkt het?

Binnen de categorie van de mechanische watermeters kan onderscheid gemaakt worden tussen turbinewatermeters en volumetrische watermeters.

Bij een turbinewatermeter doet het water dat door de meter stroomt, een turbine draaien. De rotatie van de turbine wordt vervolgens meestal magnetisch (met een koppeling tussen een magneet op de turbine en een magneet in het droge gedeelte van de meter) en vervolgens mechanisch (met behulp van tandwielen, assen, etc.) overgebracht naar een mechanisch telwerk waarop de meterstand kan afgelezen worden. Er bestaan verschillende types turbinewatermeters. Bij een enkelstraals turbinewatermeter (voorbeeld in Figuur 2) stroomt het inkomende water in één straal over een eenvoudig schoepenrad (zie Figuur 3).

Figuur 2: Enkelstraals turbinewatermeter voorzien van een roterend gedeeltelijk metalen schijfje voor inductieve uitlezing. Bron: Zenner. Figuur 3: Werkingsprincipe enkelstraals turbinewatermeter.
Figuur 2: Enkelstraals turbinewatermeter voorzien van een roterend gedeeltelijk metalen schijfje voor inductieve uitlezing. Bron: Zenner. Figuur 3: Werkingsprincipe enkelstraals turbinewatermeter.

 

Bij een meerstraals turbinewatermeter wordt het inkomende water m.b.v. een omhulsel in meerdere gerichte stralen (in de draairichting) over het schoepenrad geleid (zie Figuur 4). . Figuur 4: Werkingsprincipe meerstraals turbinewatermeter.
. .

Figuur 4: Werkingsprincipe meerstraals turbinewatermeter.

 

Bij een Woltman turbinewatermeter (zie voorbeeld in Figuur 5) wordt in de plaats van een eenvoudig schoepenrad, een meer geavanceerde (Woltman) turbine gebruikt. Er bestaan twee varianten van deze watermeter, naargelang de oriëntatie van de rotatieas van de turbine. Bij een horizontale Woltman turbinewatermeter staat de rotatieas van de turbine parallel met de stroomrichting van het water. Bij de verticale variant, staat de draai-as van de turbine loodrecht op de stroomrichting (zie Figuur 6). Een filmpje waarin de werking van een Woltman turbinewatermeter verduidelijkt wordt, is terug te vinden onderaan deze pagina.

Figuur 5: Horizontale Woltman turbinewatermeter voorzien van een uitleesmodule met inductieve sensor. Figuur 6: Werkingsprincipe horizontale (links) en verticale (rechts) Woltman turbinewatermeter.
  Figuur 5: Horizontale Woltman turbinewatermeter voorzien van een uitleesmodule met inductieve sensor.   Figuur 6: Werkingsprincipe horizontale (links) en verticale (rechts) Woltman turbinewatermeter.  

 

Bij een volumetrische watermeter zorgt het water dat door de meter stroomt voor de verplaatsing van een of meerdere bewegende componenten in een meetkamer die een gekend volume omsluit. Een vaak gebruikte implementatie (o.a. gebruikt bij de watermeters getoond in Figuur 1: en Figuur 15) is deze met een enkele schijfvormige piston die roteert in een cilindrische meetkamer, zoals schematisch weergegeven in Figuur 7. De werking is vergelijkbaar met de rotatie van de rotor in een Wankelmotor. Een filmpje waarin het werkingsprincipe van de roterende piston verder verduidelijkt wordt, is terug te vinden onderaan deze pagina. De beweging van de piston wordt meestal magnetisch overgezet naar een volgmechanisme buiten de meetkamer, dat op zijn beurt verbonden is met een mechanisch telwerk dat het verbruikte volume registreert.

Figuur 7: Werkingsprincipe volumetrische watermeter met roterende piston.

Figuur 7: Werkingsprincipe volumetrische watermeter met roterende piston.

Een ultrasone watermeter heeft in tegenstelling tot een mechanische watermeter geen bewegende componenten. Er wordt gebruikt gemaakt van ultrasone zend- en ontvangstmodules. Deze kunnen aan de buitenkant van een bestaande leiding gemonteerd worden, of als onderdeel van een in de leiding ingebouwd meettoestel rechtstreeks in contact staan met het water. Deze laatste optie biedt, zeker voor leidingen met een kleine diameter, de meest nauwkeurige resultaten.

Een nauwkeurige uitlezing van ultrasone meters die aan de buitenkant van een leiding gemonteerd worden, is niet altijd evident. De zend- en ontvangstmodules moeten goed in contact staan met de buiswand, correct uitgelijnd zijn, en ook de afstand tussen de modules is belangrijk. Daarenboven kunnen bepaalde invloedsfactoren zoals kalkafzettingen een correcte meting bemoeilijken.

Naast de montagewijze (ingebouwd of op de buis), kunnen ultrasone watermeters ook onderscheiden worden op basis van het gebruikte werkingsprincipe: Doppler effect of ‘Time of Flight’ (ToF).

Bij een Doppler effect ultrasone watermeter wordt een ultrasone golf uitgestuurd door de zender. Deze golf reflecteert vervolgens op luchtbellen of vaste deeltjes in de waterstroom. Uit de verandering van de frequentie van de ontvangen golf (t.g.v. de beweging van de luchtbellen of vaste deeltjes waarop de golf reflecteert), kan de snelheid van de waterstroom en zo het volume water dat langs de zender voorbij gestroomd is, berekend worden. Figuur 8: Werkingsprincipe Doppler effect ultrasone watermeter.

Figuur 8: Werkingsprincipe Doppler effect ultrasone watermeter.

Bij een ‘Time of Flight’ (ToF) ultrasone watermeter (voorbeeld in Figuur 9), wordt de tijd gemeten die een ultrasone golf nodig heeft om zich door de waterstroom voort te planten van de zender tot aan de ontvanger. Wanneer een meting in twee richtingen uitgevoerd wordt, kan uit het tijdsverschil tussen de golven in beide richtingen, de snelheid van de waterstroom en zo het volume water dat voorbij stroomt, berekend worden. In tegenstelling tot bij de Doppler ultrasone watermeter, is het belangrijk dat de waterstroom niet te veel verontreinigingen bevat om een nauwkeurige meting mogelijk te maken.

Figuur 9: ToF ultrasone watermeters (vooraan) die draadloos kunnen verbonden worden met een digitale elektriciteitsmeter (achteraan links). Achteraan rechts is een digitale gasmeter te zien. Bron: Fluvius. Figuur 10: Schematische voorstelling van een ToF ultrasone watermeter met ingebouwde, diagonaal georiënteerde zender en ontvanger. Figuur 11: ToF ultrasone watermeter met extern aangebrachte zender en ontvanger aan dezelfde kant van de leiding (het signaal reflecteert op de binnenkant van de tegenover liggende leidingwand).
  Figuur 9: ToF ultrasone watermeters (vooraan) die draadloos kunnen verbonden worden met een digitale elektriciteitsmeter (achteraan links). Achteraan rechts is een digitale gasmeter te zien. Bron: Fluvius. Figuur 10: Schematische voorstelling van een ToF ultrasone watermeter met ingebouwde, diagonaal georiënteerde zender en ontvanger. Figuur 11: ToF ultrasone watermeter met extern aangebrachte zender en ontvanger aan dezelfde kant van de leiding (het signaal reflecteert op de binnenkant van de tegenover liggende leidingwand).  

 

De technische specificaties waaraan (de verschillende types) watermeters moeten voldoen, zijn vastgelegd in de normen NBN ISO 4064 ‘Water meters for cold potable water and hot water’ en NBN EN 14154 ‘Water meters’.

Digitale uitlezing

De meterstand van zowel mechanische watermeters als van ultrasone watermeters kan digitaal uitgelezen worden en ter beschikking gesteld worden voor gebruik in slimme toepassingen. Afhankelijk van het type watermeter zijn verschillende (bijkomende) acties of voorzieningen nodig.

Mechanische watermeters

Mechanische watermeters met een zichtbaar mechanisch telwerk kunnen uitgelezen worden door het toevoegen van een bepaald type (externe) sensor.

Bij sommige types mechanische watermeters is er een plaats voorzien (zie bv. Figuur 12) voor het toevoegen van een magnetische sensor. Deze sensor kan de rotatie van bv. het laatste element van het telwerk (en het daarmee gepaard gaande verbruik) detecteren d.m.v. een kleine magneet die voorzien is binnenin dit telwerk (bv. bij de volumetrische watermeter in Figuur 1 en Figuur 12) of als afzonderlijk (magnetisch) wijzertje. In Figuur 13 is een voorbeeld weergeven van een magnetische sensor die werkt met een zogenaamde ‘Reed’ schakelaar’ (zie Figuur 14).

Figuur 12: Volumetrische watermeter die voorzien is van een uitsparing (rechts) voor het toevoegen van een (cilindrische) magnetische sensor. Figuur 13: Cilindrische magnetische (Reed) sensor. Figuur 14: Werkingsprincipe van een magnetische sensor die werkt met een Reed schakelaar. Wanneer een magneet in de nabijheid van de sensor gebracht wordt, sluit het contact.
Figuur 12: Volumetrische watermeter die voorzien is van een uitsparing (rechts) voor het toevoegen van een (cilindrische) magnetische sensor. Figuur 13: Cilindrische magnetische (Reed) sensor. Figuur 14: Werkingsprincipe van een magnetische sensor die werkt met een ‘Reed’ schakelaar. Wanneer een magneet in de nabijheid van de sensor gebracht wordt, sluit het contact.

 

Bij andere types mechanische watermeters zal een roterend gedeeltelijk metalen schijfje aanwezig zijn dat meedraait met het telwerk. De rotatie van dit schijfje kan uitgelezen worden met een reflectiesensor of met een inductieve sensor die meestal onderdeel is van een (door een batterij met lange levensduur gevoede) sensormodule die bovenop de wijzerplaat gemonteerd wordt op de positie van het roterende schijfje (zie Figuur 5)

Figuur 15: Volumetrische watermeter voorzien van een roterend gedeeltelijk metalen schijfje voor inductieve uitlezing. Figuur 16: Mechanisch telwerk voorzien van een interface (1) voor uitlezing m.b.v. een (cilindrische) magnetische (Reed) sensor en een interface met roterend gedeeltelijk metalen schijfje (2) voor uitlezing met een inductieve sensor. Bron: Zenner.
Figuur 15: Volumetrische watermeter voorzien van een roterend gedeeltelijk metalen schijfje voor inductieve uitlezing.   Figuur 16: Mechanisch telwerk voorzien van een interface (1) voor uitlezing m.b.v. een (cilindrische) magnetische (Reed) sensor en een interface met roterend gedeeltelijk metalen schijfje (2) voor uitlezing met een inductieve sensor. Bron: Zenner.

 

Elk van de hierboven vermelde types sensoren genereert discrete signalen (pulsen) die overeenkomen met een (meestal klein) discreet volume water (bv. 0.001 m³ = 1 liter) dat voorbij is gestroomd. Om het waterverbruik zoals af te lezen op de meter in digitaal formaat ter beschikking te kunnen stellen voor slimme toepassingen, moeten deze discrete volumes correct geregistreerd en opgeteld worden door het systeem dat de output van de sensor capteert en verwerkt (bv. een al dan niet draadloze sensormodule of een systeem voor datacaptatie en -verwerking).

Indien de vermelde opties om de één of andere reden niet mogelijk zijn bij een welbepaalde mechanische watermeter, blijft er nog steeds één specifieke mogelijkheid tot digitale uitlezing. Elke (analoge) mechanische watermeter met een zichtbaar mechanisch telwerk kan immers uitgelezen worden m.b.v. een camera-gebaseerde sensormodule. Een dergelijke module registreert (in tegenstelling tot pulssensoren) bij elke uitlezing de volledige meterstand. Het volume water dat tussen twee meetmomenten door de meter is gestroomd kan dan berekend worden als het verschil tussen twee opeenvolgende uitlezingen.

Sensoren of sensormodules voor mechanische watermeters kunnen op verschillende manieren in verbinding gebracht worden met een systeem voor datacaptatie- en verwerking. Een eerste optie bestaat erin om bekabeld te werken. Indien dit praktisch niet mogelijk is, kan een draadloze module gebruikt worden. Deze (meestal batterij-gebaseerde) module wordt bekabeld aangesloten op de sensor en staat draadloos in verbinding met het systeem voor de datacaptatie- en verwerking. Bij sommige oplossingen kunnen de sensor en de draadloze module ondergebracht zijn in hetzelfde toestel. Voor de draadloze connectiviteit kunnen specifieke protocollen voor digitale communicatie gebruikt worden (bv. LoRaWAN, Wireless M-Bus, …).

Ultrasone watermeters

Doordat ultrasone watermeters werken met elektronische detectie van ultrasone golven, zijn ze sowieso al uitgerust met elektronica voor lokale datacaptatie en een elektrische voeding (meestal een batterij). Het display van een ultrasone watermeter zal altijd elektronisch zijn (bv. LCD) en daarnaast zal vaak ook een mogelijkheid voorzien zijn om de data digitaal uit te lezen. Dat kan bekabeld, via een pulssignaal (de uitlezing gebeurt in dat geval op een gelijkaardige manier als voor een mechanische meter) of via meer geavanceerde protocollen zoals Modbus of M-Bus. Ook draadloze uitlezing via protocollen zoals LoRaWAN of Wireless M-Bus zijn mogelijk. Waterbedrijven kiezen voor hun digitale meters meestal voor een draadloze uitleesmogelijkheid. Zo is het met de ultrasone watermeter die gebruikt zal worden door onder andere De Watergroep, FARYS en Pidpa mogelijk om via het Wireless M-Bus protocol verbinding te maken met de digitale elektriciteitsmeter (zie Figuur 9). Deze stuurt op zijn beurt de verbruiksdata door naar het dataplatform van het betreffende waterbedrijf.

Aandachtspunten

Bij de keuze van een watermeter is het, naast parameters zoals nauwkeurigheidsgraad en meetbereik, belangrijk om te weten dat er modellen van watermeters zijn die enkel geschikt zijn voor koud water en modellen die ook warm water kunnen meten. Daarnaast is het belangrijk om na te gaan in welke posities de meter correct geïnstalleerd kan worden (bv. sommige meters enkel horizontaal) en of er andere hydraulische componenten (bv. filters, terugslagkleppen) voorzien moeten worden. Tot slot is het belangrijk om te weten dat meters die voor facturatie gebruikt worden, moeten voldoen aan de Europese MID-richtlijn (2014/32/EU).

Ook voor het digitaal uitlezen van watermeters zijn er een aantal aandachtspunten.

Een eerste aandachtspunt is de uitleesresolutie. De haalbare meetresolutie van een watermeter zoals weergegeven op het telwerk of het elektronische display is typisch relatief hoog (bv. 1 liter of 0.1 liter). Dit betekent echter niet dat de gebruikte combinatie van sensor(module) en systeem voor digitale uitlezing dezelfde resolutie zal bereiken.

Bekabelde sensoren die rechtstreeks gekoppeld worden met het uitleessysteem, laten in principe een resolutie toe die gelijkaardig is aan deze van de watermeter zelf.

Wanneer er echter gebruikt gemaakt wordt van draadloze communicatie en batterij-gebaseerde modules, zal de haalbare resolutie lager liggen. Zo zal een draadloze sensormodule om energie te besparen, de (lokaal opgeslagen) meterstand soms slechts één of een beperkt aantal keer per dag doorsturen. Hierdoor zal de uitlezing in het systeem voor datacaptatie- en verwerking met een lagere resolutie gebeuren, maar gaat de batterij van de sensormodule wel langer mee (bv. meerdere jaren, zodat onderhoud tot een minimum beperkt kan worden). Om te weten over welke tijdsperiode de (vertraagd) doorgestuurde data gaan, wordt een tijdsmarkering toegevoegd aan de data.

Voor toepassingen zoals opvolging van waterverbruik over grotere tijdsperiodes (bv. dagen of maanden) is een hoge resolutie van minder belang. Voor andere toepassingen, zoals bijvoorbeeld lekdetectie, of (continue) opvolging van waterverbruik en -kosten, kan een voldoende hoge resolutie wel gewenst zijn, bijvoorbeeld om het waterdebiet (in liter per minuut) te kunnen berekenen uit de ogenblikkelijke verbruiksdata (zie eveneens de pagina over debietmeters).

Een tweede aandachtspunt is de kostprijs van de benodigde apparatuur voor het uitlezen van de meter. Bij een (digitale) ultrasone watermeter moeten er geen extra sensoren toegevoegd worden. Wel moet een kabel en/of module voorzien worden om te verbinden met het systeem voor datacaptatie en -verwerking. In geval van een digitale watermeter die communiceert via de digitale elektriciteitsmeter, kan een kabel en/of module voorzien worden om aan te sluiten op de P1 poort van de digitale elektriciteitsmeter.

Bij een mechanische watermeter moet wel sowieso een afzonderlijke sensor en/of module aangekocht worden. Eenvoudige sensoren, zoals Reed sensoren voor magnetisch uitlezing, hebben een relatief lage kostprijs (enkele tientallen euro’s). Indien meer elektronica vereist is voor de uitlezing, bijvoorbeeld bij een module voor inductieve uitlezing van een roterend gedeeltelijk metalen schijfje, zal de kostprijs voor een uitleesmodule van de watermeterfabrikant een stuk hoger liggen (grootteorde 50 à 100 euro).

Meer informatie

Filmpje: animatie werkingsprincipe Woltman turbinewatermeter:
Woltman dynamic balance – Water meter.mpeg – YouTube

Filmpje: demonstratie werking volumetrische watermeter met roterende zuiger:
Rotary Piston Flowmeter – YouTube

Persbericht eerste installatie digitale watermeter binnen proefproject Fluvius, De Watergroep, FARYS en Pidpa:

https://pers.fluvius.be/eerste-installatie-digitale-watermeter-binnen-grootschalig-pilootproject

Website met informatie over de digitale watermeter van water-link (waterbedrijf regio Antwerpen):

https://water-link.be/informatie/digitalewatermeter