Zuverlässige Druckmesstechnik

Zuverlässige Druckmesstechnik

by | Tuesday, 25 August, 2020 | Druckmessung

Ein mit Sorgfalt produzierter Drucksensor ist die beste Voraussetzung für akkurate Messergebnisse über die gesamte Produktlebensdauer. Drucktransmitter mit piezoresistiver Halbleiter-Technologie zeichnen sich durch ihre hohe Empfindlichkeit und grosse Zuverlässigkeit aus, weshalb bereits Drücke im mbar-Bereich mit hoher Präzision erfasst werden können. Massnahmen wie die Kompensation temperaturbasierter Fehler stellen eine hohe Messgenauigkeit sicher. Auch sind die Drucktransmitter  gegenüber Überlast sehr robust.

Die Stärken unserer Kerntechnologie auf einen Blick:

Hohe Präzision, geringer Gesamtfehler

Temperaturfehler werden bereits während der Produktion kompensiert. Jedes Produkt wird für die jeweilige Anwendung hin optimiert.

Sehr hohe Überlastfähigkeit

Unsere Drucktransmitter halten standardmässig das Dreifache des Messbereiches aus, ohne Schaden zu nehmen. Der Überlastdruck kann gemäss Kundenanforderung gefertigt werden.

Druckhysterese und Nichtwiederholbarkeit im vernachlässigbaren Bereich

Druckhysterese und Nichtwiederholbarkeit sind nicht kompensierbare Messfehler, die aufgrund der hochwertigen piezoresitiven Technologie bei unseren Produkten aber äusserst gering ausfallen. Der Fehler verursacht durch Nichtwiederholbarkeit und Hysterese ist typischerweise 0.01% des angefahrenen Drucks.

Sehr gute Langzeitstabilität

Wir verwenden nur hochwertige Messzellen. Um eine sehr gute Langzeitstabilität zu erzielen, werden sie thermisch behandelt. So werden Messabweichungen auf ein Minimum reduziert und die Messunsicherheit deutlich verringert.

Starke Kerntechnologie: piezoresistive Messzellen

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Mechanische Simulation im Vorfeld anspruchsvoller Druckmessvorhaben

Mechanische Simulation im Vorfeld anspruchsvoller Druckmessvorhaben

by | Tuesday, 25 August, 2020 | Wasser

Abbildung 1: FEM-Simulation eines Sensor-Gehäuses

Im Rahmen der mechanischen Simulation kommt die Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ein gängiges numerisches Verfahren zur Untersuchung der Festigkeit von Körpern mit einer geometrisch komplexen Form. Dabei wird der zu untersuchende Festkörper, also beispielsweise das Gehäuse eines Druckmessumformers, in finite Elemente, sprich Teilkörper, aufgeteilt. Es handelt sich also um eine physikalische Modellierung mittels rechenintensiver Software, anhand derer ermittelt wird, ob die finiten Elemente und letztlich auch die Gesamtkonstruktion den zu erwartenden Kräften standhalten würde. Im Rahmen der Ölexploration geht es in erster Linie um die sehr hohen Drücke. Bei einer Meerestiefe von 2.500 Metern – keinesfalls ungewöhnlich bei diesem Anwendungsgebiet – lastet ein Druck von 250 bar auf das Gehäuse. Neben diesem Aussendruck ist auch der Prozessdruck zu berücksichtigen, der durchaus auch erheblich höher sein kann (es kann beispielsweise zu Druckspitzen kommen).

 Bei der Finite-Elemente-Methode werden also noch keine fertigen Druckmessumformer auf ihre Festigkeit hin untersucht, sondern möglichst realitätsgenaue Modellierungen. Wird eine Lösung gefunden, die den Spezifikationen des Anwenders entspricht, wird das Produkt im Rahmen eines Experiments getestet – dieses findet dann nicht mehr virtuell statt. Bei einer individuellen Druckmesslösung für Anwender in der Offshore Ölförderung ist hier in erster Linie das Experiment in der Druckkammer von Bedeutung. Durch diese hyperbarischen Tests werden die Ergebnisse der Finite-Elemente-Methode validiert und die Belastungsgrenze der Komponenten oder des Gesamtsystems eruiert. So kann letztlich sichergestellt werden, das Anwender mit besonderen Anforderungen an die Sensorik ein Produkt erhalten, dass zuverlässig seinen Dienst verrichtet.

Abbildung 2: Schliffbilder zweier Sensorgehäuse. Links: keine
Druckbeaufschlagung, rechts: nach einem hyperbarischen Test bei 1500 bar.

Es treten keine Veränderungen auf, das Gehäuse ist stabil.

In Abbildung 2 sind die Schliffbilder zweier baugleicher Sensorgehäuse zu sehen. Das links gezeigte Gehäuse wurde keinem Druck ausgesetzt, das rechte wurde beaufschlagt mit einem Druck von 1.500 bar. Das entspricht einer Wassersäule von 15 Kilometern und damit weitaus mehr als am tiefsten Punkt der See. Durch eine Optimierung des Bauteils mittels der Finite-Elemente-Methode konnte es so modelliert werden, dass es diesem enormen Druck standhält. Zum Vergleich: Der Marianengraben als tiefster Punkt des Meeres ist 11 Kilometer tief.  Druckmessungen im Marianengraben sollten damit also kein Problem darstellen. Der Sicherheitsaufschlag für die meisten Anwendungen ist hier also sehr hoch und ein zuverlässiges Funktionieren ist gewährleistet.

Weitere Anwendungsfälle der Finite-Elemente-Methode

Nicht nur für Hochdruckanwendungen sind mechanische Simulationen sinnvoll. Wie an anderer Stelle bereits beschrieben, ist die Temperatur ein wichtiger Einflussfaktor bei der piezoresistiven Druckmessung. Nehmen wir als Beispiel die Abgasleitung eines Kraftfahrzeuges. Hier herrschen sehr hohe Temperaturen, die die Grenzen eines Druckmessumformers übersteigen können. Mittels der Finite-Elemente-Methode wird in diesem Anwendungsfall also untersucht, wie der Druckmessumformer konstruiert werden muss, damit nicht mehr als 150 °C auf die Messzelle wirken.

Auch im Niederdruckbereich können mechanische Simulationen sinnvoll sein. Denn mechanische Veränderungen haben im Niederdruck viel grössere Auswirkungen: Während Messabweichungen im mbar Bereich bei einer Hochdruckanwendung kaum ausschlaggebend sein dürften, ist dies bei einem Messbereich unter einem bar bereits signifikant. Ein Beispiel: Das Verbindungselement zwischen Messchip und Gehäuse ist in der Regel ein Klebstoff. Ist das Drehmoment bei der Montage des Druckmessumformers zu hoch, könnte diese Verbindung gelöst oder auch nur geringfügig verändert werden, und es würden Verspannungen auf die Messzelle übertragen. Das kann bereits zu gravierenden Messfehlern führen. Auch die Eigenschaften des verwendeten Klebers lassen sich durch die Finite-Elemente-Methode modellieren. Ziel muss es dabei natürlich sein, nicht die Belastungsgrenze des Verbindungselements herauszufinden und dem Anwender mitzugeben, sondern eine Lösung zu finden, die alle möglichen Drehmomente während der Montage problemlos aushält.

Der Aufwand mechanischer Simulationen lohnt sich auf lange Sicht. Nicht nur können Produkte dahingehend konstruiert werden, dass sie geforderten Spezifikationen entsprechen. Dadurch wird es auch möglich, das Design dahingehend zu optimieren, dass die Produkte so anwenderfreundlich wie möglich sind.

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Durch aggressive Flüssigkeiten bedingte Korrosion vorbeugen

Durch aggressive Flüssigkeiten bedingte Korrosion vorbeugen

by | Tuesday, 25 August, 2020 | Druckmessung

Kohlensäure und Alkohol können Messgeräte beschädigen. Ein Hersteller von automatischen Inline- und Labor-Flüssigkeitsanalysatoren hat STS damit beauftragt, einen Druckmessumformer zu entwickeln, der den schwierigen Anforderungen gerecht wird.

Wenn Druckmessumformer aggressiven Flüssigkeiten mit Alkohol oder Kohlensäure ausgesetzt werden, führt dies bei Standardmaterialien zu Korrosion. Zum Beispiel verursacht Kohlensäure eine Erhöhung der [H +] – Ionenkonzentration und es entsteht Wasserstoffkorrosion. Sobald sich die Korrosion durch die Membran des Drucksensors gefressen hat, wird er unbrauchbar. Deshalb ist gewöhnlicher Edelstahl für Anwendungen, bei denen es zu Kontakt mit Flüssigkeiten mit hohem Kohlensäuregehalt kommt, nicht geeignet.

Abgesehen davon, dass der Drucksensor für diese spezielle Anwendung in einer Abfüllanlage in hohem Masse korrosionsbeständig ist, muss er in der Lage sein, mit extrem niedrigen, Vakuum-ähnlichen Drücken fertig zu werden. Da es sich um eine Anwendung in der Lebensmittelindustrie handelt, sind die Hygienestandards naturgemäss  hoch. Die Vakuum-ähnlichen Druckverhältnisse, die das Messinstrument zeitweise aushalten muss, sind entsprechend Teil eines regelmässigen Sterilisationsprozesses (die Bedingungen sind vergleichbar mit jenen im Autoklaven, wenn auch nicht ganz so extrem). Niedrige Drücke unter 0 bar können die Integrität von Drucksensoren gefährden. Das Vakuum kann dazu führen, dass die Membran von ihrer Position im Sensor abgesaugt wird. Falsche Messergebnisse oder ein komplett defekter Sensor sind die Folge.

Aufgrund dieser Anforderungen mussten wir für den Hersteller von automatischen Inline- und Labor-Flüssigkeitsanalysatoren eine auf den Druckmessumformer ATM.ECO aufbauende kundenspezifische Lösung entwickeln. Zur Sicherstellung der geforderten Korrosionsbeständigkeit haben wir uns für einen Hastelloy-Stahl entschieden. Um die Membranstabilität bei niedrigen Drücken zu gewährleisten, wurde ein spezieller Klebstoff verwendet, um die Membran zu fixieren.

Da der Drucktransmitter in dieser Anwendung unter Raumtemperaturbedingungen arbeitet, war keine spezielle Temperaturkompensation erforderlich. Die Genauigkeit von 0,25 Prozent der Gesamtskala ist ebenfalls mehr als genug für diese spezielle Anwendung. Die volle Skala reicht von 1 bis 15.000 psi und ist daher bestens für niedrige Drücke geeignet.

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Fast ein Vierteljahrhundert Lebensdauer

Fast ein Vierteljahrhundert Lebensdauer

by | Tuesday, 25 August, 2020 | News

Ein in der KW 31 des Jahres 1995 (Juli 1995) gelieferter Drucksensor an die damalige Firma Krupp Fördertechnik wurde nun nach 24 Jahres an die STS retourniert.

Der Sensor hat unter harschem Umweltbedingen auf hoher See zuverlässig seinen Dienst auf ein Schiffskran erfüllt. 

Bei der Anwendung in Deckkrane mit Schwerpunkt auf Schwerlastkranen kommt es auf Zuverlässigkeit, Beständigkeit und Langlebigkeit an. 

Der Grund des Ausfalls war schlussendlich ein mechanischer Ausfall verursacht durch falsche Handhabung.

Die Sensoren messen den Hydraulikdruck und gleichzeitig die Temperatur des Öl´s und liefern neben den geforderten Messungen auch  Informationen für ein „Preventiv-Service“. 

Wesentlicher Vorteil der Kombisensoren für Druck und Temperatur ist die Erfassung beider Prozessgrößen mit nur einem Druckanschluss.

Der Temperaturfühler befindet sich dabei direkt hinter der Membran und damit sehr nahe dem Medium und bietet

einen Temperatur-Messbereich von – 50 bis + 150 °C. Alle Verbindungen sind geschweißt und entsprechen der Schutzart IP68. 

Weitere typische Applikationen der Transmitter sind u.a. im Anlagen- und Maschinenbau, in der Prüf- und Kalibriertechnik, Verfahrenstechnik, Umwelttechnik sowie im weiterem Schiffbau zu finden.

Hohe Langzeitstabilität, Überlastsicherheit und umfassende Medienverträglichkeit. 

Die Drucksensoren in IP 68 geschützten Edelstahlgehäuse besitzen eine piezoresistive Druckmesszelle. Lieferbar sind Absolut- als auch Relativdruckmessung im Bereich von 100 mbar bis 1000 bar. Die Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Langzeitstabilität, eine Überlastsicherheit und umfassende Medienverträglichkeit zu allen gängigen Fluiden, insbesondere Hydraulikflüssigkeiten, Bremsflüssigkeiten, Treibstoffe und dergleichen aus.

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Energieträger Methanhydrat – Druckmesstechnik für die Tiefsee

Energieträger Methanhydrat – Druckmesstechnik für die Tiefsee

by | Thursday, 30 July, 2020 | Wasser

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

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