Energieträger Methanhydrat – Druckmesstechnik für die Tiefsee

Energieträger Methanhydrat – Druckmesstechnik für die Tiefsee

Gewaltige Mengen an Erdgas sind als festes eisähnliches Methanhydrat im Meeresboden gespeichert. Diese natürlichen Vorkommen enthalten mehr Energie und Kohlenstoff (ca. 3000Gt C), als alle konventionellen Lagerstätten wie Kohle, Öl und Gas auf unserem Planeten. Erdgas ist die umweltfreundlichste Quelle für fossile Energien. Unter Leitung des Kieler Leibniz Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) wurden im Rahmen des Projektes SUGAR (Submarine Gashydrat Reservoirs) mit einem Mitteleinsatz von ca. 13 Millionen Euro neue Technologien entwickelt, um Erdgas (Methan) aus Methanhydraten im Meeresboden zu gewinnen und Kohlendioxid (CO2) aus Kraftwerken und anderen industriellen Anlagen sicher im Meeresboden zu speichern. Im Teilprojekt “Vermessung von Hydratvorkommen als CO2 Deponie mittels tief geschleppter hydroakustischer Streamer” werden mit Hilfe einer Streamerkette mit 96 Messknoten in einer Wassertiefe bis zu 4000 m seismische Messungen durchgeführt, um die Hydratvorkommen zu finden, abzubilden und für eine hochgenaue Strukturanalyse zu quantifizieren.

Abbildung 1: Methan Hydrat in 1055m Tiefe
Quelle: NOAA Okeanos Explorer Program/2013 Northeast U.S. Canyons Expedition

Für die Analyse ist eine präzise Tiefenlokalisierung aller einzelnen Messknoten erforderlich, da nicht davon ausgegangen werden kann, dass alle Knoten in einem Tiefenhorizont geschleppt werden.

Abbildung 2: Gashydrat-Funde im Ozean und auf dem Land
Quelle: Jens Greinert, Leibniz-Institut für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR)

Die Realisierung der Messkette wurde vom IFM-Geomar an drei Firmen vergeben, die die folgenden Aufgaben übernommen haben:

  • Entwicklung und Fertigung der mechanischen und elektromechanischen Komponenten durch die KUM Umwelt- und Meerestechnik Kiel GmbH
  • Entwicklung und Realisierung der elektronischen Komponenten für die einzelnen Knoten (Systemplatine Signalverarbeitung der hydroakustischen Signale, Telemetrie, Vernetzung der Knoten, Energieversorgung, Softwareentwicklung für die Steuerung der Datenerfassung vom Bordgerät) durch die SEND Off-Shore Electronics GmbH
  • Entwicklung und Fertigung der Messtechnik zur Tiefenbestimmung der Knoten über Druckmessung durch die SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH in Zusammenarbeit mit STS

Abbildung 3: Schleppanordnung eines tief geschleppten, kombinierten Mehrkanalseismik-Seitenschichtsonarsystem
Quelle: Breitzke, Bialas IFM Geomar

Geforderte Spezifikationen

  • Korrosionsfestigkeit in Seewasser
  • Genauigkeit (TEB) besser als 0,1 bar
  • Auflösung besser als 0,01 bar
  • Messbereich 0 bis 400 bar entsprechend 4000 m Wassertiefe
  • Temperaturbereich -2 bis 40°C
  • Isolationsfestigkeit gegen Seewasser von mehr als 600 V
  • Messfrequenz 1,25Hz
  • Energieversorgung: 5V < 2,5mA, 3,3V < 3,0mA
  • Interface I2C, Standard Modbus (max. 100kbit/s)

Als Material für den Sensor kam nur Titan in Frage. Piezoresistive Druckmesszellen komplett aus Titan wurden in der Vergangenheit von STS bezogen. Die Erfahrungen mit diesem Sensorelement liessen erwarten, dass die geforderte Genauigkeit mit dem von SiS entwickelten Linearisierungsverfahren über Druck und Temperatur einzuhalten wären.

Insbesondere wird der Druck relativ zum Luftdruck an der Oberfläche benötigt. Dies ermöglicht einen automatischen Nullpunktabgleich aller 96 Knoten an der Oberfläche vor dem Einsatz in See. Dadurch wird der Nullpunktdrift der Sensoren kompensiert, so dass nur Drifterscheinungen höherer Ordnung in das Langzeitverhalten eingehen.

Realisierung

Das Sensorelement wird in einer Aufnahme im Verschlussstopfen untergebracht und mittels einer Druckschraube fixiert. Der Seewasserzugang wird durch eine frontale Bohrung hergestellt. Eine radiale Bohrung am Verschlussstopfen führt auch durch das Gehäuserohr nach aussen. Diese Konstruktion wurde gewählt, damit der Druckkanal nach dem Seeeinsatz von Seewasser gereinigt werden kann, etwa durch Spülen mit Frischwasser oder Druckluft. Dadurch wir die Salzkristallbildung im Dichtungsbereich des Drucksensors vermieden.

Über eine Steckverbindung wird der Sensor mit der Druckplatine verbunden. Diese enthält die analoge Vorverarbeitung, den 16 bit AD Wandler sowie den Digitalteil mit Microcontroller, dem EEPROM und der I2C-Schnittstelle.

Abbildung 4: Baugruppen des Systems

Die Druckplatine sitzt über einem Inline Pfostenstecker huckepack auf der Systemplatine. Dieser Aufbau wurde gewählt, um die Einheit Drucksensor-Druckplatine unabhängig von der Systemplatine kalibrieren zu können. Das ist insbesondere bei der alle zwei Jahre erforderlichen Rekalibrierung vorteilhaft.

Kalibrierung

Zur Druckkalibrierung wurde eine Fassung des Drucksensors konstruiert, die von dem vorhandenen Kalibrieradapter aufgenommen werden kann. In dem karussellartigen Kalibrieradapter können zwölf Sensoren parallel kalibriert werden. Der Kalibrieradapter wird in ein thermostatisiertes Bad eingetaucht, so dass die Sensorelemente eng an die Badtemperatur angekoppelt sind. Der Kalibrieradapter wird mittels Hochdruckleitung an die Budenberg Druckwaage angeschlossen.

Abbildung 5: Kalibrieradapter

Die I2C Ausgänge der Sensoren werden an ein Kalibrierinterface angeschlossen, welches mit einem Rechner im Intranet verbunden ist. Dadurch ist gewährleistet, dass die Kalibrierdaten an allen Arbeitsplätzen  der Firma zur Verfügung stehen – für die Archivierung, die Berechnung der Kalibrierkoeffizienten, den Download der Koeffizienten in die EEPROMs der Sensoren, den Ausdruck von Kalibrierscheinen, etc.. Der Kalibriervorgang ist menügeführt und wird durch eine Profildatei gesteuert, welche die Kalibrierstützstellen enthält. Für den SUGAR-Drucksensor wurden folgende Stützstellen gewählt:

  • 0, 800, 1600, 2400, 3200, 4000 dbar bei jeweils den Temperaturen -2, 7, 16, 24, 32, und 40°C

Diskussion der Ergebnisse

Zur Ermittlung der Kalibrierkoeffizienten werden 36 Datenpunkte verwendet (sechs Drücke bei jeweils sechs Temperaturen). Für die Temperaturkompensation wird vom Datenerfassungsystem des Sensors der Brückenwiderstand des Sensorelements verwendet. Wegen der spiegelasymetrischen Verstimmung der Dehnungsmessbrücke des Sensorelementes ist der Diagonalwert in erster Ordnung nur vom Druck und der Brückenwiderstand in erster Ordnung nur von der Temperatur abhängig. Daher eignet sich der Brückwiderstand sehr gut zur Temperaturkorrektur. Der Brückwiderstand wird benutzt, um die Fehler höherer Ordnung der Druckmessung zu kompensieren. Der Vorteil der Methode besteht darin, dass das Temperatursignal direkt am Ort der Störung ermittelt wird, nämlich direkt am Element der Druckmessung. Daher sind keine Zeitkonstanten zu berücksichtigen, wie etwa bei der Messung der Temperatur ausserhalb des Sensorelementes durch ein separates Thermometer. Es treten also keine dynamischen Fehler der Korrektur auf.

Weitere Informationen zum Projekt.

Quellen:
IFM-GEOMAR Helmholtz Zentrum für Ozeanforschung
KUM Umwelt- und Meerestechnik
SEND Off-Shore Electronics GmbH
SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH

Biowissenschaften / Medizin

Anwendung

Abfüllmaschine für Injektionsbeutel

Spezifikationen

  • ATM / F analoger Druck- / Temperaturmessumformer mit Klemmflansch 1 Zoll,
  • Steckverbinder 723, 5 Stifte abnehmbar
  • Genauigkeit +/- 0,1% FS
  • Ölfüllung: Anderol – Lebensmittel

Ähnliche Standardprodukte

➔ ATM/F

Explosionsschutzvorrichtung

Anwendungen

Das Sensorsystem dient zur Überwachung des statischen oder dynamischen Drucks (Explosion) an Tanksystemen. Es werden eine Vielzahl von Medien gemessen, meist organische oder anorganische Stäube, Farbstoffe, Salze, Lösungsmittel, Laugen und Säuren (Reinigung) usw. Der Sensor ist immer über dem maximalen Füllstand des Tanks montiert.

Druckmessung an Spritzgiessmaschinen

Druckmessung an Spritzgiessmaschinen

Spritzgiessmaschinen arbeiten mit höchster Präzision. Das Schweizer Unternehmen Netstal-Maschinen AG bietet leistungsstarke und hochpräzise Spritzgiessmaschinen und Systemlösungen für die Getränke-, Verspackungs- und Medizintechnikindustrien an. In den hochwertigen Anlagen sind Drucksensoren aus dem Hause STS verbaut.

 

Mit einer Kunstoffspritzgiessmaschine werden aus Kunstoffen in Granulatform fertige Kunststoffteile produziert. Eine solche Anlage besteht aus grob vereinfacht zwei Komponenten, der Spritzeinheit und der Schliesseinheit. In der Spritzeinheit wird der Rohstoff aufbereitet. Dabei wird dieser in der Regel in einer Schneckenwelle, die sich in einem Hydraulikzylinder befindet, erhitzt und homogenisiert. In der Schliesseinheit befindet sich ein Werkzeug, dass die Negativform des zu fertigenden Kunststoffteils darstellt. Die in der Schnecke aufbereitete Formmasse wird unter Druck in diese Negativform eingespritzt.

Eine Überwachung der nötigen Druckverhältnisse ist für eine Gewährleistung des fehlerfreien Spritzgiessverfahrens unerlässlich. Dafür werden die Sensoren in den Hydraulikkreis der Einspritzachsen montiert. Der spezifische Massedruck kann auf Basis des gemessenen Kammerdrücke während des Einspritzvorgangs berechnet werden. Dabei ist es besonders wichtig, dass die Messabweichung der Sensoren sehr klein ist, da ansonsten der Kunststoffdruck zu niedrig oder zu hoch berechnet wird.

Ist der Massedruck zu hoch oder zu niedrig,

  • beeinflusst dies die eingespritzte Füllmenge,
  • kann das fertige Kunststoffteil fehlerhaft sein,
  • kann es zu Materialverlust oder Werkzeugschäden kommen,
  • kann es zum Stillstand der Anlage kommen.

Hochpräzise Anlagen wie die Spritzgiessanlagen der Firma Netstal-Maschinen AG verlangen nach Drucktransmitter, die über den geforderten Messbereich absolut zuverlässige Ergebnisse liefern. Um die beste Lösung für die hohen Ansprüche zu finden, wurden ausgiebige Tests mit Instrumenten verschiedener Hersteller durchgeführt. Es sollte dabei nicht nur die Genauigkeit der Messinstrumente, sondern auch deren Langzeitstabilität unter hohen Temperaturen geprüft werden. Am Prüfstand wurden die folgenden Messintervalle durchgeführt:

Abbildung 1: Standardisiertes Prüfverfahren zur Evaluation eines geeigneten Drucktransmitter. Nach vier, sechs und acht Millionen Druckzyklen wurden die Drucksensoren jeweils einer Temperaturbelastung (Aging – künstliche Alterung) ausgesetzt.

Der Hochpräzisions-Drucksensor ATM.1ST von STS erreichte bei diesen Herz-und-Nieren-Tests die Bestnote in den Aspekten Toleranz, Langzeitstabilität, Präzision und Genauigkeit über den gesamten Druck- und Temperaturbereich. Besonders ausschlaggebend war dabei vor allem, dass der Drucksensor den hohen Temperaturen auch über lange Zeit die kalte Schulter zeigt und sich im Niedrigdruckbereich durch eine sehr hohe Genauigkeit auszeichnet.

Abbildung 2: Auswertung eines STS Drucktransmitter über Zeit und Temperatur. OZ (Original Zustand – in Rot, strich punktiert) wurde als Ausgangslage verwendet, die ausgezogenen Linien nach jeweils einem festen Intervall, die gestrichelten Linien unter Einbezug des Alterungsprozesses gemäss dem Prüfverfahren aus Abbildung 1.  Der Wert Toleranzfeld Aufnehmer bezieht sich auf die Herstellerspezifikation (Datenblatt), die festausgezogenen Linien Toleranzfeld NM waren die Zielvorgaben der Evaluierung.  

Ein weiterer Vorteil des ATM.1ST ist, dass er sich aufgrund des modularen Aufbaus ohne Aufwand an individuelle Anwendungen anpassen lässt. Die Daten im Überblick:

  • Druckmessbereich: 100 mbar … 1000 bar
  • Relativ- und Absolutmessbereiche
  • Kennlinie: ≤ ± 0.10 / 0.05 % FS
  • Betriebstemperatur: -40 … 125°C
  • Gesamtfehler: ≤ ± 0.30 %FS (0 … 70°C)
  • Materialien: Edelstahl, Titan
Verlässliche Füllstandsüberwachung im Kohlebergbau

Verlässliche Füllstandsüberwachung im Kohlebergbau

Bergwerke und Tagebaue sind für ihre rauen Arbeitsbedingungen bekannt. Das trifft auch auf die eingesetzte Technik zu. Darum braucht es widerstandsfähige und zuverlässige Messinstrumente zur Überwachung des Grundwassers.

In Australien liegen zehn Prozent des weltweiten Kohlevorkommens. Als führender Kohle-Exporteur ist der Kohlebergbau einer der wichtigsten Wirtschaftsfaktoren des Kontinents. Die Förderung des Rohstoffs ist jedoch nicht ohne Tücken. Die Betreiber eines australischen Kohletagebaus kamen auf STS zu, da sie nach einem Drucktransmitter zur Füllstandsüberwachung in bis zu 400 Meter Tiefe suchten.

Minenarbeiten haben einen starken Einfluss auf das Grundwasser. Die den Kohlebergbau umgebenden Grundwasserleiter werden entwässert, was zum Absinken des Absenkungstrichters führt. Dieses Absinken verändert die natürlichen unterirdischen hydrologischen Bedingungen, indem Wege geringeren Widerstands geschaffen werden. Das führt dazu, dass Wasser in die offene Grube und die unterirdischen Arbeiten eindringt. Daher muss das stetig nachfliessende Wasser kontinuierlich aus dem Tagebau gepumpt werden, um eine reibungslose und sichere Förderung des Rohstoffs zu gewährleisten.

Um den Grundwasserstand und die zur Entwässerung eingesetzten Pumpen zu überwachen, brauchten die Betreiber des Koheltagebaus einen Drucktransmitter zur Überwachung des Füllstands, der ihren Anforderungen entspricht. Gefordert waren ein Druckmessbereich von 0 bis 40 bar (400 mH2O) Umgebungsdruck sowie eine Kabellänge von 400 Metern. Die bis dahin von STS angebotene Lösung, der ATM.ECO/N/EX, kam allerdings nur auf 25 bar und eine Kabellänge von 250 Metern.

Da STS aber auf kundenspezifische Druckmesslösungen spezialisiert ist, stellte diese Herausforderung keine grosse Hürde dar. Kurzerhand wurde der eigensichere Drucktransmitter für Füllstand ATM.1ST/N/Ex entwickelt, der den Druckanforderung genau entspricht und mit einem 400 Meter langen Teflonkabel ausgestattet ist. Auch die Präzision weiss mit 0,1 Prozent zu überzeugen. STS entschied sich bei der Entwicklung des neuen Drucktransmitters für ein Teflonkabel, eine versiegelte Kabelverschraubung und ein offenes Entlüftungsrohr (PUR ist dafür zu weich). Darüber hinaus gibt es ein verschraubbares Ballastgewicht, um eine gerade und stabile Messposition sicherzustellen. Die ebenfalls aufschraubbare Zugentlastung aus Edelstahl hilft dabei, die Spannung auf dem elektrischen Kabel zu entlasten. Wie es die Gerätebezeichnung bereits verrät, verfügt es über die EX-Zertifizierung für den Einsatz in explosionsgefährteten Bereichen.

ATM.1ST/N/Ex mit  Zugentlastung (links) und Ballastgewicht (rechts), jeweils verschraubbar.

Als Experte für kundenspezifische Drucktransmitter konnte STS den ATM.1ST/N/Ex in weniger als drei Wochen liefern.

Die Eigenschaften des ATM.1ST/N/Ex im Überblick:

  • Druckmessbereich: 1…250 mH2O
  • Kennlinie: ≤ ± 0.1 % FS
  • Gesamtfehler: ≤ ± 0.30 %FS (-5…50 °C)
  • Betriebstemperatur: -5…80 °C
  • Mediumtemperatur: -5…80 °C
  • Ausgangssignal: 4…20 mA
  • Materialien: Edelstahl, Titan
  • Elektronische Kompensation
  • Beliebige Prozessanschlüsse erhältlich