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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