Princip plynoměru

Proč a co plynoměr skutečně měří

Plynoměr je měřicí přístroj určený primárně k měření objemu průtoku plynu protékajícího potrubím. V základním nastavení většina fakturačních plynoměrů registruje provozní objem v m³ při okamžitém tlaku a teplotě. Pro spravedlivé účtování se tento objem často přepočítává na základní podmínky (typicky 15 °C a 101,325 kPa nebo dle národní praxe), případně se vyjadřuje v energii (kWh, MWh) pomocí spalného tepla. Porozumění principům plynoměru zahrnuje jak mechaniku měřidla, tak fyziku stlačitelných plynů, korekce na p, T a stlačitelnost Z, i metrologické a legislativní požadavky.

Základní pojmy: objem, tlak, teplota a stlačitelnost

• Provozní objem V_m: objem za měřených podmínek (aktuální p a T).
• Objem na základních podmínkách V_b: přepočtený objem na referenční stav; používá se pro fakturaci.
• Faktor stlačitelnosti Z: koriguje odchylky reálného plynu od ideálního plynu; závisí na tlaku, teplotě a složení.
• Energetická fakturace: energie E = V_b × H_s (spalné teplo při stálém tlaku), případně s dalšími korekcemi.

V praxi bývá fyzický plynoměr (měřidlo objemu) doplněn o přepočítávač (korektor) s čidly tlaku/teploty a s algoritmem stlačitelnosti Z pro převod na V_b.

Klasifikace plynoměrů podle principu

• Posuvné (objemové, „displacement“): membránové (měchy), rotační pístové (rotary), lobulární (Roots). Měří přímo objem déplací komor.
• Rychlostní („velocity“): turbínové a vírové (vortex). Odvozují průtok z rychlosti proudění.
• Bezmechanické: ultrazvukové (časový rozdíl/ Doppler) a termální hmotnostní. Nabízejí nízkou tlakovou ztrátu a široký dynamický rozsah.

Volba typu závisí na průtoku, tlaku, čistotě média, požadované přesnosti, dostupném místě instalace a nárocích na diagnostiku a komunikaci.

Membránový (měchový) plynoměr: nejrozšířenější pro domácnosti

Membránový plynoměr má dvě (nebo čtyři) komory oddělené pružnými membránami. Rozdělovací ventily střídavě naplňují a vyprazdňují komory; mechanická vazba (klička, vačka) převádí vratný pohyb na rotační pohyb počitadla.

• Princip cyklu: naplnění komory přes sání → uzavření → vytlačení obsahu na výtlak → přepnutí ventilů → opakování v sousední komoře.
• Odvození objemu: známý geometrický objem jedné komory × počet cyklů = celkový objem.
• Vlastnosti: výborná přesnost při malých průtocích, citlivost na nečistoty minimální, malá tlaková ztráta; vhodné pro fakturaci v malých odběrech.
• Parametry: třídy G1,6 až G25 (domácnosti obvykle G4/G6). K dispozici reed/NAMUR impulzy pro dálkový odečet.

Rotační (objemový) plynoměr: přesný v širším rozsahu

Rotační plynoměr využívá dvojice synchronně se otáčejících rotujících pístů (lobů) v oválné komoře. Každá čtvrtotáčka přesune fixní objem plynu z přívodu na výstup.

• Výhody: vyšší průtoky než u membránových, velmi dobrá linearita a malá závislost na tlaku v širokém rozsahu.
• Požadavky: přesná mechanická vůle, mazání, filtr před měřidlem; citlivost na částice a kapaliny v plynu.
• Využití: malé a střední komerční odběry, regulované TL (tlakové hladiny).

Turbínový plynoměr: rychlostní měření s ovladačem proudění

Turbínový plynoměr měří rychlost proudění pomocí lopatkové turbíny v měřicí trubici. Rychlost otáčení je úměrná objemovému průtoku; odečet probíhá magnetickým snímačem (impulzy).

• Podmínky instalace: vyžaduje uklidnění proudu (rovné délky, usměrňovač), citlivost na víry a asymetrii.
• Výhody: nízká tlaková ztráta, velké průtoky, vhodné pro průmysl.
• Limity: citlivost na nečistoty a kondenzát, potřeba filtrace a odvodnění.

Ultrazvukový plynoměr: bez pohyblivých částí

Ultrazvukový princip využívá měření časového rozdílu průletu signálu po a proti směru proudění. Z rozdílu časů (Δt) se určí střední rychlost, která se integruje přes profil a převádí na objemový průtok.

• Výhody: nulové tření a opotřebení, minimální tlaková ztráta, široký dynamický rozsah, rozsáhlá diagnostika (profil proudění, kvalita signálu).
• Aplikace: fakturační měření ve středních a velkých odběrech, stále častěji i v domácnostech (smart měřiče).
• Poznámky: přesnost závisí na geometrii měřicí sekce a kvalitě plynu (vlhkost, částice obvykle nevadí).

Termální hmotnostní plynoměry: měření přímo hmotnostního průtoku

Termální princip sleduje ochlazování vyhřívaného senzoru proudícím plynem. Změna teplotního profilu je funkcí hmotnostního průtoku. Výhodou je přímé měření hmoty nezávislé na tlaku/teplotě, ale kalibrace je specifická pro složení plynu.

Korekce na stav plynu: tlak, teplota, stlačitelnost

Přepočet z V_m na V_b provádí přepočítávač (korektor), který snímá p a T a aplikuje model stlačitelnosti Z (např. AGA8 nebo ekvivalent). Základní vztah:

V_b = V_m × (p_m/p_b) × (T_b/T_m) × (Z_b/Z_m)

• Snímače: přesné převodníky tlaku a teploty s pravidelným ověřením.
• Energetika: výsledná fakturace v kWh/MWh vyžaduje znalost spalného tepla dodávaného plynu (od distributora/analytiky plynu).

Metrologie a normové požadavky

• Schvalování typu a posouzení shody: podle evropského rámce pro měřidla (MID) a příslušných norem řady EN pro plynoměry a přepočítávače.
• Třídy přesnosti a max. povolené chyby: definovány pro různé kategorie a rozsahy průtoku; typicky ±1,5 až ±3 % v referenčním rozsahu, přísnější u fakturačních aplikací.
• Ověření/kalibrace: periodické metrologické ověření (státní dozor), kalibrační křivka a zkušební protokoly.
• ATEX/bezpečnost: zařízení v prostředí s výbušnou atmosférou musí splňovat požadavky ochrany proti výbuchu; u elektroniky důležité EMC a elektrická bezpečnost.

Dimenzování a klíčové technické parametry

• Q_min, Q_max, Q_nom: minimální, maximální a jmenovitý průtok; měřidlo musí pracovat v požadovaném rozmezí s předepsanou chybou.
• Δp (tlaková ztráta): kritická pro malé domovní regulátory; volí se měřidlo s nízkou tlakovou ztrátou při očekávaném Q.
• p_max: nejvyšší dovolený tlak; musí odpovídat tlakové hladině sítě.
• Materiál a těsnění: kompatibilita s měřeným plynem (zemní plyn, propan, směsi), teplotní rozsahy.

Instalace: podmínky pro správnou funkci a přesnost

• Rovné délky před/za (hl. u turbínových/vírových), usměrňovače proudění dle doporučení výrobce.
• Filtrace a odvod kondenzátu: chrání mechanická měřidla a stabilizuje měření.
• Montážní poloha: u membránových často předepsaná orientace; ultrazvukové mají definovanou osu a plnost potrubí.
• Utěsnění a plombování: ochrana proti neoprávněné manipulaci; plomby na víku, na spojích, na převodu impulzů.

Dálkový odečet a chytré funkce

• Impulzní výstup (reed/NAMUR): X impulzů na m³ pro AMR systémy.
• Komunikace: M-Bus / wM-Bus (OMS), LoRaWAN, NB-IoT / LTE-M; integrace do AMI nabízí denní profily, alarmy (únik, zpětný tok, demontáž).
• Napájení: baterie s životností 10–15 let (závisí na periodě vysílání, teplotě, síle signálu).
• Kybernetická bezpečnost: šifrování, autentizace, správa klíčů; ochrana proti spoofingu impulsů a magnetickým útokům.

Vliv složení plynu a provozních podmínek

• Složení: změny Wobbeho indexu ovlivňují energii na m³; měření objemu je stabilní, ale přepočet na kWh vyžaduje aktuální H_s.
• Nečistoty a kapaliny: prach, olej, kondenzát mohou zvyšovat chybu (hl. u turbín/rotačních); filtry a separátory jsou zásadní.
• Teplota okolí: extrémy mohou ovlivnit mechaniku i elektroniku; používat rozsahy dle štítku.

Chyby měření, nejistoty a diagnostika

• Kalibrační křivka: typická závislost chyby na průtoku; na Q_min roste nejistota, okolo Q_nom je nejlepší přesnost.
• Mechanické opotřebení: zvýšené tření → „podměřování“; projevuje se posunem křivky při ověření.
• Elektronická diagnostika (ultrazvuk): kontrola útlumu signálu, asymetrie profilu, ukládání alarmů.
• Vliv vibrací a tlakových kmitů: u rychlostních měřidel nutno tlumit zdroje pulzací (regulátory, kompresory).

Volba měřidla: jak správně dimenzovat

1. Stanovte maximální a minimální průtok z reálného provozu (špičky, letní/zimní režim, TUV, spotřebiče).
2. Ověřte tlakovou hladinu a přípustnou tlakovou ztrátu v místě instalace.
3. Vyberte princip (membrána/rotační/turbína/ultrazvuk) podle čistoty plynu, požadované přesnosti a datových funkcí.
4. Rozhodněte o korekci na V_b: integrovaný korektor vs. externí přepočítávač; definujte komunikační rozhraní.
5. Požadujte certifikaci (MID/EN) a servisní zázemí; stanovte intervaly ověření.

Ilustrační výpočet: z objemu na energii

Za zúčtovací období odečet ukazuje V_m = 1423 m³ (provozní). Korektor zaznamenal průměrně p_m = 3,0 kPa nad atmosféru, T_m = 12 °C, Z_m = 0,997. Základní podmínky p_b = 101,325 kPa, T_b = 15 °C, Z_b = 1,000. Přepočet:

V_b = 1423 × ( (101,325+3,0) / 101,325 ) × ( (288,15) / (285,15) ) × (1,000 / 0,997 ) ≈ 1476 m³.

Pokud H_s = 10,5 kWh/m³, účtovaná energie E ≈ 1476 × 10,5 = 15,5 MWh.

Údržba, ověřování a životnost

• Periodická metrologie: ověřovací lhůty dle typu a legislativy; při překročení nutná rekalibrace nebo výměna.
• Servis: kontrola těsnosti, filtrů, impulzních výstupů; u elektroniky i baterie a integrita dat.
• Životnost: mechanické membránové/rotační desítky let; elektronika a baterie 10–15 let; ultrazvuk má dlouhou životnost bez opotřebení v proudu.

Bezpečnost a ochrana proti manipulaci

• Plomby a kryty: brání zásahu do počitadla či převodů; elektronické záznamy otevírání krytu.
• Magnetická odolnost: senzory s detekcí silného pole, stínění; alarmy v AMI při pokusu o ovlivnění čidla.
• ATEX: všechny komponenty v Zóně 1/2 musí být v odpovídající kategorii; důležité při dodatečné montáži odečtových modulů.

Specifika pro LPG a jiné plyny

Při měření propanu/butanu (LPG) či směsí se liší Z a H_s; nutná správná kalibrace, materiálová kompatibilita a často jiné rozsahy teplot/tlaků. Termální hmotnostní měřidla vyžadují kalibraci pro konkrétní složení.

Trendy: digitalizace a pokročilá diagnostika

• Smart metering: detailní profily zatížení, detekce úniků, prediktivní servis.
• Ultrazvuk v rezidenčním segmentu: nízká tlaková ztráta, stabilita přesnosti, tichý provoz.
• Cloudová analytika: kombinace dat z měřidel a senzorů kvality plynu zlepšuje bilanci sítí.

Závěr: správná kombinace principu, korekcí a instalace

Základní princip fungování plynoměru je buď přímé objemové dávkování (membrána, rotační), nebo nepřímé rychlostní/akustické určení průtoku (turbína, ultrazvuk). Pro férové účtování je klíčová korekce na tlak, teplotu a stlačitelnost a řádné metrologické ověřování. Správná volba typu, dimenzování, kvalitní instalace a bezpečná komunikace pro dálkový odečet dohromady zajišťují přesné, transparentní a dlouhodobě spolehlivé měření spotřeby plynu.