Brennendes Eis - GIT

Brennendes Eis
Druckmesstechnik für die Tiefsee
© Nik Frey / Fotolia
22 Dipl.-Wirtschafts.-Ing.
Grigorios Kenanidis,
Geschäftsführer,
STS Sensoren Transmitter,
Systeme
22 Dr. Rainer Maaßen,
Geschäftsführer, SiS,
Sensoren Instrumente
Systeme
Gewaltige Mengen an Erdgas sind als festes eisähnliches Methanhydrat (Abb.1) im Meeresboden 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. € 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 hydro-akustischer Streamer werden mit Hilfe einer Streamer-Kette mit 96 Messknoten in einer Wassertiefe
bis zu 4000 m seismische Messungen durchgeführt, um Hydratvorkommen zu finden, abzubilden und für eine hochgenaue
Strukturanalyse zu quantifizieren. 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 zeigt eine schematische Übersicht einer Schleppanordnung.
Die Realisierung der Messkette wurde vom IFMGeomar 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. Die Entwicklung und Realisierung der elektronischen
Komponenten
für die einzelnen Knoten (Systemplatine Signalverarbeitung der hydroakustischen Signale,
Telemetrie, Vernetzung der Knoten, Energieversorgung, Softwareentwicklung für die Steuerung
Tabelle 1: statistische Auswertung
der Datenerfassung vom Bordgerät) durch Send
Off-Shore Electronics. Und die 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.
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 °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.
Die Erfahrungen mit diesem Sensorelement ließen
erwarten, dass die geforderte Genauigkeit mit den
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.
Realisierung
Das Sensorelement wird in einer
Aufnahme im linken Verschlussstopfen 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. 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. 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.
Kalibrierung
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.
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: 0, 800, 1600, 2400, 3200,
4000 dbar bei jeweils den Temperaturen -2, 7, 16, 24, 32 und 40 °C
Diskussion der Ergebnisse
Abb. 1: Erdgas ist als festes eisähnliches Methanhydrat im Meeresboden gespeichert.
Zur Ermittlung der Kalibrierkoeffizienten werden 36 Datenpunkte verwendet (sechs Drücke bei jeweils
Abb. 2: Schleppanordnung eines tief geschleppten, kombinierten Mehrkanalseismik-Seitensichtsonarsystems (Breitzke, M. und Bialas, J. 2003)
Abb. 3: Sensoren
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 Brückenwiderstand 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.
Für den Sensor mit der Seriennummer P4029
ist T-hex 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 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.
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 von etwa 0,24 dbar, von allen
45 Sensoren über den vollen Temperatur- und
Druckbereich erfüllt wird. In Abbildung 4 sind
die Kennwerte der Einzelsensoren graphisch
dargestellt. Die Fehlerbalken in grün und gelb
stellen die Standardfehler dar.
Abb. 4: Kennwerte der Einzelsensoren
Quellen
▶ ▶K o n takt
Bilder: IFM-GEOMAR
KUM Umwelt- und Meerestechnik Kiel GmbH
SEND Off-Shore Electronics GmbH
SiS Sensoren Instrumente Systeme GmbH
STS Sensoren Transmitter Systeme GmbH
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Tel.: 07031/204 – 9410
Fax: 07031 / 204 - 9420
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Tel.: 0431/79972 - 10
Fax: 0431/79972 - 11
[email protected]
www.sis-germany.com
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