Wasserstoff-Effekt auf Piezo-Wandler (biofouling)

Wasserstoff-Effekt auf Piezo-Wandler (biofouling)

BIOFOULING

Unter Biofouling oder biologischem Bewuchs versteht man die Ansammlung von Mikroorganismen, Pflanzen, Algen oder Tieren auf benetzten Oberflächen, Geräten wie z.B. Wassereinläufen, Rohrleitungen, Rosten, Teichen und natürlich auch auf Messgeräten, wodurch der primäre Zweck dieser Gegenstände beeinträchtigt wird.

ANTIFOULING

Antifouling ist der Prozess, diese Ablagerungen zu entfernen bzw. deren Bildung zu verhindern. Es gibt verschiedene Lösungen, um Bewuchsvorgänge an Schiffsrümpfen und in See- oder Brackwassertanks zu reduzieren / zu verhindern.

Spezielle toxische Beschichtungen, die die Biofouling-Organismen abtöten; mit der neuen EU-Biozid-Richtlinie wurden viele Beschichtungen aus Gründen der Umweltsicherheit untersagt.

  • Ungiftige Anti-Haft-Beschichtungen, die das Anhaften von Mikroorganismen auf den Oberflächen verhindern. Diese Beschichtungen basieren meist auf organischen Polymeren. Sie setzen auf geringe Reibung und niedrige Oberflächenenergien.
  • Antifouling mit Ultraschall. Ultraschallwandler können bei kleinen bis mittelgroßen Booten im oder um den Rumpf herum montiert werden. Die Systeme basieren auf einer Technologie, die sich bei der Bekämpfung von Algenblüten bewährt hat.
  • Gepulste Laserbestrahlung. Die Plasma-Impuls-Technologie ist wirksam gegen Zebramuscheln und wirkt durch Betäubung oder Abtötung der Organismen mit Mikrosekunden dauernden, energiereichen Hochspannungsimpulsen auf das Wasser.
  • Antifouling durch Elektrolyse
  • Organismen können in einer Umgebung mit Kupferionen nicht überleben.
  • Kupferionen entstehen durch Elektrolyse mit einer Kupferanode.
  • In den meisten Fällen dient das Tankgehäuse oder der Schiffsrumpf als Kathode.
  • Eine in der Konfiguration eingebaute Kupferanode erzeugt eine Elektrolyse zwischen Anode und Kathode.

Die Elektrolyse kann durch Ballastwasser-Behandlungssysteme (Elektrolyse und UV-Anlagen), Korrosionsprozesse oder elektrische Potentialunterschiede zwischen verschiedenen Materialien auftreten.

AUSWIRKUNG DER ELEKTROLYSE AUF DEN PIEZO-WIDERSTANDSWANDLER

  • Ein Ergebnis der Elektrolyse sind positive Wasserstoff-Ionen
  • Aufgrund ihrer Polarisation bewegen sich die Wasserstoffionen in Richtung der Kathode (Tankgehäuse oder Schiffsrumpf), an der der Messwertaufnehmer installiert ist.
  • Bei direktem Kontakt zwischen Tank und Schallwandler dringen die Wasserstoffionen durch das dünnste Bauteil der Anode, nämlich das Diaphragma des Schallwandlers.
  • Nach dem Durchdringen der Wasserstoffionen durch die Membran nehmen die Wasserstoffionen ein Elektron auf und wandeln sich in molekularen Wasserstoff (H2) um. Der Wasserstoff reichert sich in der Füllflüssigkeit des Messwertaufnehmers an.
  • Hält dieser Effekt über einen längeren Zeitraum an, steigt die Wasserstoffkonzentration in der Füllflüssigkeit an und die Membran wird aufgebläht, wodurch der Sensor driftet und einen falschen Wert ausgibt.

FESTSTELLUNGEN

Drucktransmitter aus Edelstahl, die seit 2-3 Jahren in Ballasttanks von Schiffen eingesetzt werden, wurden analysiert und die Untersuchungen ergaben folgende Ergebnisse.

Ergebnisse

Die Bildung von Ablagerungen auf Edelstahlmembranen lässt sich in der Praxis nicht verhindern. Solange unter anaeroben Bedingungen Korrosionsprozesse an der Membran stattfinden können, muss immer mit der Bildung von Wasserstoff und dessen Eindringen in den Sensor gerechnet werden.

Aus diesem Grund sollte die Membran unter solchen Bedingungen aus einem korrosionsbeständigeren Material wie z. B. Titan gefertigt werden.

Spaltkorrosion tritt an Metallteilen bei Anwesenheit eines korrosiven Mediums in engen, nicht abgedichteten Spalten wie Überlappungen und in nicht durchgeschweißten Schweißnähten auf. Die treibende Kraft sind Konzentrationsunterschiede zwischen dem Medium im Spalt und dem Bereich außerhalb des Spalts, die durch die gehemmte Diffusion der Reaktionspartner im Spalt verursacht werden. Die mit der Konzentrationsdifferenz verbundene Potentialdifferenz führt zu elektrochemischer Korrosion im Spalt (Wasserstofftyp) oder seiner unmittelbaren Umgebung (Sauerstofftyp).

Aus diesem Grund sollte die Membrane mit dem Gehäuse verschweißt werden.

EMPFEHLUNG

Nach diesen Erkenntnissen setzt die STS Sensor Technik Sirnach AG seit über 10 Jahren erfolgreich piezoresistive, elastomerfreie Sensoren mit Gehäuse und Membran aus Titan für Anwendungen im Marine-, Brackwasser- und Meerwasserbereich ein.

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Integration piezoresistiver Messzellen in bestehende Anwendungen

Integration piezoresistiver Messzellen in bestehende Anwendungen

Das Kernstück eines jeden Drucktransmitters ist die Druckmesszelle. Bei piezoresistiven Drucktransmittern ist das im Wesentlichen die Wheatstonesche Messbrücke. Hier geschieht die primäre Druckmessung durch Verformungen der Dehnungsmessstreifen. Diese Sensorzelle lässt sich auch in bestehende Anwendungen wie Druckschalter oder Druckregler integrieren, wenn es erforderlich ist. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Der häufigste Grund für die Notwendigkeit, eine Sensorzelle anstelle eines Druckmessumformers in eine bestehende Anwendung zu integrieren, ist Platzmangel. In Hydraulikventilen ist beispielsweise nur wenige Kubikzentimeter Platz. Die Integration eines kompletten Druckumformers ist somit in der Regel nicht möglich. Aufgrund Platzmangels gehen einige Anwender den Weg, einen externen Sensor zu nutzen, der an die bestehende Anwendung angeflanscht wird. Diese Herangehensweise ist allerdings umständlich und nicht so optimal wie die Integration der separaten Messzelle in die Anwendung.

Bei der Wahl der passenden Messzelle für individuelle Anwendungen gelten im Grossen und Ganzen die gleichen Fragen wie bei der Auswahl eines vollständigen Drucktransmitters. Geklärt werden müssen also unter anderem der zu messende Druckbereich, die Temperaturbedingungen sowie die Medienkompatibilität. Bei der Verwendung piezoresistiver Messzellen in bestehenden Anwendungen kommen noch zwei weitere Auswahlkriterien hinzu: Dies sind mechanische und elektrische Überlegungen zur Integration der Sensorzelle.

Das mechanische Auswahlkriterium bezieht sich auf den Einbau der Messzelle in die jeweilige Anwendung. Hier gibt es je nach Anforderung diese Möglichkeiten:

  • einschrauben
  • verschweissen
  • einstecken
  • verklemmen

Auf elektrischer Seite muss geklärt werden, welche Elektronik in der Anwendung genutzt wird, um die elektrische Signalanbindung zu leisten. Unter Umständen kann es sein, dass die in der Anwendung vorhandene Elektronik nicht für die Integration einer Druckmesszelle ausgelegt ist. In diesem Fall muss eine elektrische Signalwandlung separat integriert werden.

Kommen wir zu einem Beispiel aus der Praxis: Ein STS-Kunde wollte ein vorhandenes Präzisions-Hochdruckregelventil für Prüfstandsanwendungen mit einer Möglichkeit zur Druckmessung nachrüsten. Da kein vollständiger Druckmessumformer in das Ventil integriert werden konnte, musste eine einzelne Druckmesszelle gewählt werden. Die Anforderungen hierfür waren, dass sie Drücke bis zu 600 bar abbildet und für einen Signalausgang von 0 bis 100 mV/V bei einer 10 V Speisung ausgelegt ist.

Als Lösung wurde eine Messzelle mit Edelstahl-Druckanschluss und kleiner Kompensationstechnik gewählt. Diese konnte platzsparend und von äusseren Einflüssen geschützt am Ventilkörper unter die bereits vorhandene Abdeckung eingeschraubt werden. Die Bauhöhe beträgt nach Einbau in den Ventilkörper weniger als 30 Millimeter (inklusive Biegeradius Kabel-Litzen). Abgesehen von der minimalen Abmessung, gibt es noch eine weitere Besonderheit: Nullpunkt und Spanne sind durch den Anwender über einen Potentiometer individuell anpassbar.

Messzelle mit Edelstahl-Druckanschluss zur Implementierung in Hochdruckregelventil

Beratung ist der Schlüssel

Piezoresistive Messzellen sind die Kernkompetenz von STS. Sie werden komplett inhouse gefertigt, bilden Druckmessbereiche von 100 mbar bis 1000 bar ab und sind in den Materialien Edelstahl, Titan und Hastelloy® verfügbar. Damit kommen sie prinzipiell für fast jede denkbare Messaufgabe in Frage. In Zusammenarbeit mit unseren Ingenieuren erhalten Kunden eine umfassende Beratung zur Integration der geeigneten Messzelle in die bestehende Anwendung.

Installation von Drucksensorik: Das Medium ist für Position entscheidend

Installation von Drucksensorik: Das Medium ist für Position entscheidend

Im Idealfall werden Druckmessumformer direkt im zu überwachenden Prozess installiert. Ist das nicht möglich, entscheidet das zu überwachende Prozessmedium über die Positionierung der Sensorik.

 

Es gibt verschiedene Gründe, warum Druckmessumformer nicht direkt im Prozess montiert werden können:

  • in der Anwendung ist zu wenig Platz für die Montage
  • die Drucksensorik wird nachträglich installiert
  • der direkte Kontakt zwischen Prozessmedium und Messsensorik ist nicht erwünscht (beispielsweise aufgrund zu hoher Temperaturen)

Wenn der Druckmessumformer nicht direkt im Prozess angebracht werden kann, wird die Verbindung zwischen Prozess und Messinstrument über eine Bypassleitung (auch Wirkdruckleitung oder Abzweigleitung) hergestellt. Diese Verbindungsleitung ist je nach Art der Anwendung mit Gas oder Flüssigkeit gefüllt. In der Regel gibt es an der Bypassleitung in der Nähe des Prozesses und in der Nähe des Druckmessumformers je ein Absperrventil. Dadurch kann die Messvorrichtung (oder Teile davon) abgebaut oder verändert werden, ohne dabei den eigentlichen Prozess zu unterbrechen.

Das ist besonders hilfreich, wenn der Druckmessumformer Wartungsarbeiten wie Kalibrierungen unterworfen wird. Durch das Absperrventil am Messinstrument bleibt das Messmedium in der Bypassleitung.

Bei der Verlegung der Bypassleitungen gilt es, einige wichtige Punkte zu beachten. Sie sollte so kurz wie möglich sein, abgerundete Krümmungen haben, frei von Verschmutzungen sein und Gefälle bzw. Steigungen sollten möglichst steil sein (nicht geringer als 8 %). Des Weiteren gibt es medienspezifische Anforderungen. So soll bei Flüssigkeiten auf eine vollständige Entlüftung geachtet werden. Bei der Relativ- und Absolutdruckmessung kommt eine Bypassleitung zum Einsatz. Bei der Differenzdruckmessung sind es zwei. Hier sind je nach Prozess weitere Installationshinweise zu beachten.

Positionierung der Druckmessumformer zum Prozess

Je nach Art des Prozesses ist es wichtig, ob der Druckmessumformer oberhalb oder unterhalb des Prozesses montiert wird. Im Folgenden soll auf die wichtigsten Unterschiede zwischen Flüssigkeiten, Gase und Dampf führenden Rohrleitungen eingegangen werden.

Flüssigkeiten

Bei Flüssigkeitsmessungen an Rohrleitungen sollte der Druckmessumformer unterhalb des Prozesses installiert werden, damit mögliche Gasblasen wieder zurück in den Prozess entweichen. Des Weiteren ist darauf zu achten, dass bei hohen Temperaturen das Prozessmedium ausreichend gekühlt wird. In diesem Fall gilt die Bypassleitung auch als Kühlstrecke.

Gas

Bei Gasmessungen an Rohrleitungen ist der Druckmessumformer nach Möglichkeit oberhalb des Prozesses zu montieren. So kann eventuell anfallendes Kondensat zurück in den Prozess fliessen, ohne die Messungen zu beeinträchtigen.

Dampf

Dampfmessungen sind aufgrund der hohen Temperaturen und der Kondensatbildung etwas aufwendiger. Beide Aspekte gehen Hand in Hand: Kühlt der Dampf auf dem Weg zum Druckmessumformer ab, bildet sich Kondensat. Sammelt sich dieses im Messinstrument, kann es das Messergebnis beeinflussen.

Entsprechend muss bei der Dampfmessung darauf geachtet werden, dass die Temperatur des Mediums entsprechend gekühlt wird und das anfallende Kondensat nicht in den Druckmessumformer gelangt. Daher ist vorab eine Höhe zu definieren, bis zu der sich Kondensat sammeln kann. Diese wird dann in der Messbereichsauslegung berücksichtigt. Bei der Absolut- und Relativdruckmessung ist die Bypassleitung zu diesem Zwecke wie ein S geschwungen. Sie führt vom Dampf-führenden Rohr steil nach oben, bevor sie wieder nach unten führt. In diesem ersten Rohrbogen sammelt sich das Kondensat und kann zurück in den Prozess fliessen.

Bei der Differenzdruckmessung ist dies noch etwas aufwendiger. In beiden Bypassleitungen sollen die gleichen Bedingungen herrschen. Das bedeutet, dass die Kondensatsäule auf Hoch- und Niederdruckseite gleich ist. Aus diesem Grund werden bei der Dampfmessung mit Differenzdruckmessumformern Kondensatgefässe verwendet, die sich noch vor dem Entnahme-Absperrventil der Bypassleitung befinden. Das überschüssige Kondensat wird über diese Gefässe zurück in den Prozess geleitet. Auf Seite des Druckmessumformers sollte des Weiteren mit einem Fünffach-Absperrventil gearbeitet werden, damit die Sensorik beim Ausblasen der Bypassleitung nicht durch das heisse Medium nachhaltig beeinträchtigt werden kann.

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