Germany - Druckmesstechnik für die Tiefsee

Druckmesstechnik für die Tiefsee
Dipl.-Wirtschafts.-Ing.
Grigorios Kenanidis
Geschäftsführer, STS
Sensoren Transmitter
Systeme GmbH
Dr. Rainer Maaßen
Geschäftsführer, SiS
Sensoren Instrumente
Systeme GmbH
Gewaltige Mengen an Erdgas sind als festes eisähnliches
Methanhydrat (Bild 1, Bild 2) im Meeresb oden gespeichert. Diese natürlichen Vorkommen enthalten mehr
Energie und Kohlenstoff (ca. 3000 Gt C) als alle konventionellen Lagerstätten von 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) werden im Rahmen des Projektes SUGAR (Submarine Gashydrat Reservoirs) mit einem Mitteleinsatz von ca. 13
Mio. EUR 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 m it 96 Messknoten i n e i n e r W a s s e r t i efe bis
zu 4000 m seismische Messungen durchgeführt, um
Hydratvorkommen zu finden, abzubilden und für eine
hochgenaue Strukturanalyse zu quantifizieren. Für die
Analys e i s t e i n e p r ä zi s e T i e f e n l o k a l i s i e r u n g a ller
einzelnen Messknoten erforderlich, da nicht davon
ausgegangen werden kann, dass alle Knoten in einem
Tiefenhorizont geschleppt werden.
Bild 1
Bild 3 zeigt eine schematische Übersicht einer Schleppanordnung.
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 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 der STS
Sensoren Transmitter Systeme GmbH.
1. Geforderte Spezifikationen
Bild 2
Weltkarte von mehr als 90 dokumentierten Gashydratvorkommen.
Daten aus Kvenvolden & Lorenson (2001) und Milkov (2005).
Abgeleitete Hydratvorkommen wurden indirekt über seismische
Reflektoren und Porenwasser-Auf f ri s c h u n g i n K e r nproben
deduziert. Bekannte Hydratvorkommen sind Bereiche, in denen
Hydrate direkt durch ozeanische Bohrungen und ROV (RemoteOperated-Vehicle)-Expeditionen beprobt wurden. (Quelle: Hester
& Brewer 2009, "Clathrates in Nature")
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 /C bis 40 /C
Isolationsfestigkeit gegen Seewasser von besser als 600 V
Messfrequenz 1,25 Hz
Energieversorgung: 5 V < 2,5 mA, 3,3 V < 3,0 mA
Interface I2C, Standard Modus (max. 100 kbit/s)
Als Material für den Sensor kam nur Titan in Frage. Messzellen
komplett aus Titan wurden in der Vergangenheit von STS bezogen.
Die Erfahrungen mit diesem Sensorelement ließen erwarten, dass
die geforderte Genauigkeit mit den 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 die Nullpunktdrift der Sensoren kompensiert, so
dass nur Drifterscheinungen höherer Ordnung in das Langzeitverhalten eingehen.
Bild 3
S c h l e p p a n o r d n u n g e i n e s t ief geschle p p t e n , k o m b i n i e r t e n
Mehrkanalseismik-Seitensichtsonarsystems (Breitzke, M. und
Bialas, J. 2003
2. Realisierung
3. Kalibrierung
Das Sensorelement wird in einer Aufnahme im linken Verschlussstopfen (Bild 4 rechts oben) untergebracht und mittels einer Druckschraube fixiert. Der Seewasserzugang wird durch eine frontale
Bohrung hergestellt. Eine radiale Bohrung am Verschlussstopfen,
links der doppelten O-Ringe, 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 wird
Salzkristallbildung im Dichtungsbereich des Drucksensors vermieden.
Zur Druckkalibrierung wurde eine Fassung des Drucksensors
konstruiert, die von dem vorhandenen Kalibrieradapter aufgenommen werden kann. In dem karussellartigen Kalibrieradapter können
12 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.
Über eine Steckverbindung wird der Sensor mit der Druckplatine
verbunden. Diese enthält die analoge Vorverarbeitung, den 16 bit
AD W andler sowie den Digitalteil mit Microcontroller, dem EEPROM und der I2C-Schnittstelle.
Die Druckplatine sitzt über einen 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 2 Jahre
erforderlichen Rekalibrierung vorteilhaft.
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, die die Kalibrierstützstellen
enthält. Für den SUGAR-Drucksensor wurden folgende Stützstellen gewählt:
SUGAR-P Profildatei:
0, 800, 1600, 2400, 3200, 4000 dbar
bei jeweils den Temperaturen
-2, 7, 16, 24, 32 und 40 /C
Bild 4
Vom STS Sensor zum Kalibrierschein
4. Diskussion der Ergebnisse
Zur Ermittlung der Kalibrierkoeffizienten werden 36 Datenpunkte
verwendet (sechs Drücke bei jeweils sechs Temperaturen). Für die
Temperaturkompensation wird vom Datenerfassungssystem des
Sensors der Brückenwiderstand des Sensorelements verwendet.
Wegen der spiegelasymmetrischen 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
Brückenwiderstand sehr gut zur Temperaturkorrektur. Der Brükkenwiderstand 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.
ergibt. Der Fehler ist
Berchn. - Druck (1)
Der Korrektionswert im Werkprüfschein ist der negative Fehler. Im
Ausdruck (Bild 5) sind Druck und Berechn. mit einer Nachkommastelle tabelliert. Intern wird mit einer höheren Auflösung gerechnet,
so dass der Fehler mit zwei Nachkommastellen berechnet werden
kann. Im Werkprüfschein wird der auf eine Stelle gerundete Wert
des negativen Fehlers als Korrekturwert ausgegeben. Die aufgeführten Werte A0 ... A3, B0 ... B3, C0 und C1 sowie D0 sind die
Koeffizienten der Kalibrierfunktion K:
Berchn. = K(T-hex, P-hex, Druck) (2)
Als erstes Los wurden 45 Drucksensoren hergestellt.
Eine statistische Auswertung zeigt die Kennwerte der Tabelle 1
Tabelle 1
Es zeigt sich bei einem Maximum der Abweichungen von 0,71 dbar
und einem Minimum der Abweichung von -0,74 dbar, dass das
geforderte TEB von 1 dbar, mit Reserve nach oben und nach unten
Bild 5
Bild 6
Bild 5 zeigt eine Kalibrierdatei zum Kalibrierschein aus Bild 4 für
den Sensor mit der Seriennummer P4029. T-hex ist der hexadezimale Rohdatenwert des Brückenwiderstandes. P-hex ist der hexadezimale Rohdatenwert der Diagonalspannung, entspricht also
dem Rohdatenwert des Druckes. Temp. ist die Temperatur des
Kalibrierbades. Druck ist der Wert des vorgegeben Druckes. Berechn. ist der Druck, der sich für den Sensor aus der Kalibrierung
von etwa 0,24 dbar, von allen 45 Sensoren über den vollen
Temperatur- und Druckbereich erfüllt wird.
In Bild 6 sind die Kennwerte der Einzelsensoren graphisch dargestellt. Die Fehlerbalken in grün und gelb stellen die Standardfehler dar.
Kontakt
STS GmbH, Sindelfingen
Tel.: 07031 / 204 - 9410
Fax: 07031 / 204 - 9420
[email protected]
www.stssensors.com
SiS GmbH, Schwentinental / Kiel
Tel.: 0431 / 79972 - 10
Fax: 0431 / 79972 - 11
[email protected]
www.sis-germany.com
Bild 7
Gesamtansicht eines Messknotens
Quellen:
Bilder:
IFM-GEOMAR
KUM Umwelt- und Meerestechnik Kiel GmbH
SEND Off-Shore Electronics GmbH
SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH
STS Sensoren Transmitter Systeme GmbH
WWW:
http://www.ifm-geomar.de/index.php?id=sugar
http://www.kum-kiel.de/
http://www.send.de/
http://www.sis-germany.com
http://www.stssensors.com