LVDT-Sensoren für Unterwasser-Messanwendungen

Trend

Genau, langlebig und zuverlässig

Nur Sensoren, die speziell für die rauen Umgebungsbedingungen des Unterwasserbetriebs konzipiert sind, liefern genaue Messungen der wichtigen Parameter in der Tiefsee.

Unterwasserumgebungen sind in Bezug auf die Sensorleistung einer der schwierigsten Bereiche. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Einsatz von bis zu 20 Jahren in einer Unterwasseranwendung erwartet wird. In Unterwasserumgebungen mit einer Meerestiefe von bis zu 4,5 km kann ein Sensor einem Außendruck von ca. 7.500 psi ausgesetzt sein. Viele Sensoren fallen im Lauf der Zeit unter dem hohen Druck der Tiefsee aus, sodass unverhältnismäßig hohe Kosten für den Sensoraustausch entstehen. Häufig kostet der Wartungsaufwand für den Austausch des Sensors mehr als der Sensor selbst. Daher erfordern viele Anwendungen Sensoren mit einer ausgewiesen längeren Lebensdauer. Das Meerwasser greift in unterschiedlichen Tiefen zudem die Sensormetalle an, sodass die Korrosion durch das unterschiedliche Aufkommen von Sauerstoff, Temperatur, pH, Chloridgehalt, biologischer Aktivität, elektrischer Leitfähigkeit und Strömungsgeschwindigkeit der verschiedenen Tiefen beschleunigt wird. Korrosion kann in Form von Rostfraß und Rissen oder interkristallin auftreten und zum Ausfall des Sensors führen.

Je nach Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt sowie Meerestiefe ist der LVDT häufig die einzige Technik, die unter Wasser eine genaue und zuverlässige Leistung bietet.

Stehende oder verschmutzte Gewässer enthalten häufig sulfatreduzierende Bakterien, die sich auf die Leistung der Sensormaterialien auswirken können. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Meerwasser begünstigt die Makrozellen- und galvanische Korrosion, die den Temperaturanstieg beschleunigt und dieser dann wiederum die Korrosion. Mikrobiell induzierte Korrosion ist ein weiteres ernstes Problem, das sich aufgrund der verschiedenen Betriebsbedingungen und Materialien des Sensoraufbaus wie z. B. minderwertigen austenitischer Edelstahl auf den Sensorbetrieb auswirkt. Es handelt sich um einen Korrosionsprozess, der mit einer Materialermüdung einhergeht, die in der Regel an Schweißnähten auftritt und zu Brüchen führt, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt und behoben wird. Durch die Auswirkungen von Druck und Meerwasser auf die Sensoren entstehen bei Unterwasseranwendungen besondere Herausforderungen für einen zuverlässigen Betrieb. Je nach Temperatur, Salz- und Sauerstoffgehalt sowie Meerestiefe ist ein hermetisch abgedichteter und aus Speziallegierungen gefertigter LVDT (Linear Variable Differential Transformer) häufig die einzige Technik, die unter Wasser eine genaue und zuverlässige Leistung bietet.

Der Differentialtransformator (LVDT) von TE
Der Differentialtransformator (LVDT) von TE

Ein LVDT ist ein elektromechanischer Sensor, der die geradlinige Bewegung eines Objekts – mit dem er mechanisch gekoppelt ist – in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt.  Der für verschiedene Messbereiche erhältliche lineare LVDT-Wegsensor kann Bewegungen messen, die vom millionstel Zoll bis hin zu ±50 cm reichen. Abbildung A enthält die Komponenten eines typischen LVDT. Der innere Aufbau des Transformators besteht aus einer primären Wicklung, die sich in der Mitte eines Paars identisch gewickelter sekundärer Wicklungen befindet, die symmetrisch um die primäre Wicklung platziert sind. Die Spulen werden um eine einteilige Hohlform aus thermostabilem, mit Glas verstärktem Polymer gewickelt, gegen Feuchtigkeit gekapselt, in einen äußerst permeablen magnetischen Schirm eingewickelt und anschließend in einem zylindrischen Edelstahlgehäuse befestigt. Dieser Spulensatz ist in der Regel das feste Element des Wegsensors. Im Betrieb wird die primäre Wicklung des LVDT mit Wechselstrom mit geeigneter Amplitude und Frequenz versorgt, der als primäre Anregung bezeichnet wird. Beim elektrischen Ausgangssignal des LVDT handelt es sich um die AC-Differenzspannung zwischen den beiden sekundären Wicklungen, die je nach axialer Position des Spulenkerns des LVDT abweicht. In der Regel wird diese AC-Ausgangsspannung durch geeignete elektronische Schaltkreise in DC-Hochspannung oder -strom verwandelt, der besser genutzt werden kann.

LVDT-Sensor

Abbildung 1: Die umgebungsfesten Eigenschaften eines LVDT werden in diesem Schnittbild deutlich.

Hermetisch abgedichtete LVDTs

In Anwendungen, in denen die Sensoren von korrosiven oder unter Druck stehenden Medien umgeben sind, wird ein hermetisch abgedichteter LVDT empfohlen, damit die externen Medien nicht in die Wicklungen eindringen können. So entstehen für Wasser und Chemikalien undurchlässige Sensoren mit längerer Lebensdauer und größerer Zuverlässigkeit.
Diese LVDT-Typen bestehen aus einer hermetisch abgedichteten Baugruppe mit dickwandigem Metallgehäuse und integriertem Bohrungsliner aus 316er Edelstahl oder Supernickellegierungen. Dank dieses Aufbaus kann sich der Kern frei bewegen, während die umgebenden Medien von den Wicklungen ferngehalten werden.
Zudem sind die äußerst belastbaren Gehäuse, Bohrungsliner und Endunterlegscheiben zusammengeschweißt, um eine hermetische Abdichtung ohne Oxidierung und Lecks zu erzielen. Die Sensorspulen werden um eine einteilige Hohlform aus thermostabilem, mit Glas verstärktem Polymer gewickelt, gegen Feuchtigkeit gekapselt, in einen äußerst durchlässigen magnetischen Schirm eingewickelt und anschließend in einem zylindrischen Metallgehäuse befestigt. Für anspruchsvolle Anwendungen können die Spulenwicklungen mit speziellen Vergussverbundstoffen oder kapselnden Harzen zusätzlich geschützt werden.
Die Leitungen können mit glasversiegelten Leisten oder Kompressionsdurchführungen abgedichtet, mit Edelstahl ummantelt oder mit PTFE beschichtet werden, damit die Anschlüsse unter extremen Bedingungen nicht ausfallen. Typische hermetisch abgedichtete LVDTs können einem Betriebsdruck von bis zu 3000 psig Stand halten. Dank des hermetisch abgedichteten Aufbaus hält der Kern Temperaturen von bis zu 200 °C aus. 

Spezialgehäusematerial

Viele herkömmliche Edelstahle wie 304 und 316 sollten nicht bei Sensoren eingesetzt werden, die in direktem Kontakt mit Meerwasser eingesetzt werden. Um in Unterwasserumgebungen zu bestehen, muss das LVDT-Gehäuse aus Speziallegierungen (siehe Diagramm 1) bestehen, die eine erweiterte chemische Beständigkeit gegen Meerwasser bieten. Diese Superlegierungen erhöhen die ohnehin schon hohe Zuverlässigkeit der LVDT-Baugruppe und sorgen so dafür, dass sie die Anforderungen an eine längere Lebensdauer selbst dann erfüllt, wenn das Gerät in Tiefen von bis zu 4,5 km bei einem Außendruck von ca. 7.500 psi vollständig Meerwasser ausgesetzt ist. Wegen der Kosten des Austauschs von Unterwasserhardware ist Zuverlässigkeit von entscheidender Bedeutung. 

 

WassertypEdelstahl 17-4PHEdelstahl 316LNickel-Legierung 625
SüßwasserJaJaJa
Entionisiertes WasserNeinJaJa
GrundwasserNeinJaJa
BrackwasserNeinJaJa
MeerwasserNeinNeinJa

In seichtem Warmwasser eignet sich Monel, da sich aufgrund seiner Metallzusammensetzung keine Meereslebewesen auf der Oberfläche ansiedeln. Gehäuse und Kernträger aus Edelstahl halten sich in seichtem Warmwasser nicht sonderlich gut. Alloy 400 ist eine nickelbasierte Speziallegierung, die eine hervorragende Beständigkeit gegen Rostfraß und Angriffe durch Mikroorganismen bietet, sodass die Sensoren in Seicht- und Warmwasser mit hohem Sauerstoffgehalt funktionieren. Bei Tiefen von ab 600 m und Temperaturen von etwa 5 °C kann Edelstahl eingesetzt werden.

Aufgrund seines höheren Gehalts an Nickel, Chrom und Molybdän bietet Inconel bei Unterwasseranwendungen in Tiefen von 2,2 km und einem Außendruck von mehr als 3.500 psi einen hervorragenden Korrosionsschutz.

Bei einer Auslegung mit Alloy 718 für Druck- und Korrosionsbeständigkeit kann eine LVDT-Baugruppe über viele Jahre selbst dann zuverlässige Dienste leisten, wenn das Gerät dem Meerwasser vollständig ausgesetzt ist.

Zwar kosten diese Legierungen mehr als Edelstahl, sie bieten aber Schutz vor lokaler Korrosion und Oxidierung sowie schädlichen Elementen.

LVDT im Blickpunkt

  • Der tauchfähige LVDT-Positionsfühler der SSIR 937-Serie von Macro Sensors ist ein Beispiel für einen speziell für den Tiefseebetrieb bei einem Umgebungsdruck von bis 7.500 psi ausgelegten LVDT. Dieser LVDT steckt in einem Gehäuse aus Speziallegierung und bietet so einen langfristigen Betrieb in Meerestiefen von 4,5 km und bei einem Außendruck von ca. 7.500 psi sowie mehr als eine Million Stunden mittlerer Ausfallabstand.
  • Macro Sensors hat einen korrosionsbeständigen, federbelasteten Meerwasser-Hochdruck-LVDT für den Einsatz in einem ölgefüllten Behälter mit Druckausgleich für 5.000 psi entwickelt. Bei einer Auslegung mit 316SS und Inconel 718 für Druck- und Korrosionsbeständigkeit kann eine LVDT-Baugruppe mit hoher Zuverlässigkeit selbst dann im Rahmen der Mindestlebensdaueranforderungen durchgehend betrieben werden, wenn das Gerät vollständig Meerwasser ausgesetzt ist. Ein Kernelement bei der Entwicklung des LVDT war die absolut leckfreie Druckabdichtung, die in Heliummassenspektrometer-Tests geprüft wurde. 

Lineare LVDT-Wegsensoren werden häufig für Zustandsüberwachungssysteme als Teil der Kontroll- und Sicherheitsfunktionen von Anwendungen von Bohrinseln, Entsalzungssystemen, Ankerkabeln, Seebohrlochköpfen sowie Öl- und Gasfördersystemen eingesetzt. Während des Betriebs können die Sensoren abhängig von den Gezeiten in verschiedenen Meerestiefen von bis zu 300 m eingesetzt werden. Die Genauigkeit und lange Betriebsdauer von LVDT sind insbesondere für die Überwachung statischer Bewegungen bei der langfristigen FEM (Finite-Element- Methode) für Pipelines, Bohrtürme, Anker, Drosselventile, Dehnungsmesser und andere wichtige, äußerst beanspruchte Bestandteile von Bohrinseln von Bedeutung. So kann z. B. mit Unterwasser-LVDTs die Ausdehnung der Bauteile von Bohrinseln auf Bruchteile der Mikrodehnung genau gemessen werden. Um sicherzustellen, dass sich Bohrinseln nicht verlagern, wird die Bewegung mit einer Genauigkeit von weniger als 2 mm gemessen. Unterwasser-LVDTs eignen sich zudem für die erforderliche Positionsrückmeldung bei der Überwachung und Regelung des Status von Drosseln oder Ventilen, die für den richtigen Gas- oder Ölfluss durch Unterwasser-Bohrlochköpfe mit Sicherungsschieber sorgen. Ein Unterwasser-Bohrlochkopf mit Sicherungsschieber ist eine Konstruktion aus Ventilen, Spulen und Vorrichtungen für eine Ölquelle, die an einen geschmückten Weihnachtsbaum erinnert. Er soll das Freisetzen von Öl oder Gas aus einer Ölquelle verhindern und gleichzeitig den Flüssigkeitsfluss von der Quelle regeln.

Mit den Ventilen oder Drosseln am Bohrlochkopf mit Sicherungsschieber werden die Ölpumpen geöffnet und geschlossen, wenn das Öl vom Meeresgrund gefördert wird. Sie werden über hydraulische oder elektrische Aktuatoren ferngesteuert. Die Positionsrückmeldung ist zum Überwachen und Regeln des Drosselstatus erforderlich und Bestandteil eines Unterwassersteuerungsmoduls. Einzelne oder redundante LVDTs werden an den Ventilaktuatoren angebracht, um sicherzustellen, dass der Fluss bei fast geschlossenen Drosseln vollständig unterbrochen wird. Wenn eine Drossel nicht vollständig geschlossen ist, kann dies zu einer Umweltkatastrophe wie unlängst im Golf vom Mexiko. Es gibt verschiedene Größen für Unterwasserdrosseln, die in der Regel von 5 bis 30 cm reichen. LVDTs werden auch für Unterwassertürme eingesetzt, in denen sie die Ausdehnung der Sicherheitskabel überwachen und bei schwerem Wetter oder Erdbeben wichtige Informationen liefern, wenn es zur Evakuierung der Plattform und zum Schließen der Quelle kommt. Diese Anwendung ergab sich als Folge der von den Öl- und Versicherungsunternehmen beschlossenen Sicherheits- und Umweltrichtlinien.

Zusammenfassung

Da der Bedarf an Sensoren, die mit Meerwasser in Kontakt kommen, bei Anwendungen wie z. B. Zuführeinrichtungen, Unterwasserankerkabeln, Steuerungsventilen, Drosseln, Entsalzungsanlagen und stabilen Plattformen zunimmt, müssen bei der Sensorauswahl unbedingt auch Meerwasserumgebung, Standort und Bedingungen berücksichtigt werden. Die Materialien müssen sorgfältig ausgewählt werden, denn sie müssen hohem Druck und verschiedenen Korrosionseigenschaften standhalten, um einen problemlosen Betrieb zu gewährleisten. Da an einigen unzugänglichen Standorten (und insbesondere am Meeresgrund) der Austausch ausgefallener Sensoren mit hohem Kostenaufwand und Ausfallzeiten verbunden ist, sollten auch die langfristigen Betriebskosten sollten miteinkalkuliert werden. Unterwasser-LVDTs bieten die gleiche zuverlässige Leistung wie Standardeinheiten, weisen aber eine höhere Beständigkeit gegenüber Meerwasser auf. Deshalb werden sie eine immer beliebtere Alternative zu unzuverlässigeren linearen Positionstechnologien wie Potentiometern und magnetorestriktiven Sensoren für die Wegmessung von Unterwasserüberwachungssystemen.