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Extreme Zuverlässigkeit
Die Herstellung von Druckgebern, die bei extremen Temperaturen funktionieren, beginnt mit der Entwicklung eines Sensors, der raueste Umgebungen verkraftet.
Die Einsatzumgebung hat maßgeblichen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit und Genauigkeit von Druckgebern.
Druckgeber, die nicht gezielt auf Umwelteinflüsse wie subarktisches Klima und vereisende Flüssigkeiten ausgelegt sind, können beim Ausfall ihrer Funktion komplette Anlagen stilllegen, unter Umständen mit verheerenden Folgen. Die Spezifikationsblätter weisen auf das Sensorverhalten bezogen auf die Umgebungsbedingungen hin. Weiterhin wird erklärt, welche Werte jenseits eines bestimmten Temperaturbereichs zu erwarten sind. Es sind außerdem verschiedene Begriffe und Abkürzungen zum Verhalten von Druckgebern unter verschiedenen Bedingungen aufgelistet. Diese Informationen sind sehr hilfreich, dennoch ist eine genauere Betrachtung der Bauweise von Temperaturgebern empfohlen, da man eine bessere Vorstellung bekommt, wie sich ein Sensor in extremer Umgebung und insbesondere bei Kälte verhalten wird.
Druckgeber verwenden zur Druckmessung typischerweise einen Dehnungsmessstreifen, der auf einer Trägermembran angebracht ist. Der Messstreifen kann auf verschiedene Arten aufgebracht sein: als Dünnschicht, in Öl gekapselt oder im Glasschmelzverfahren. Sobald sich die Membran biegt, ändert sich der Widerstand des DMS. In allen Fällen kann auch die Temperatur den Widerstandswert des Ausgangssignals beeinflussen – und dem Sensor falsche Druckwerte liefern lassen.
Die Überlebensfähigkeit eines Sensors kann in kalten Klimazonen getestet werden. Temperaturen unter –20 °C (–4 °F) können zur Folge haben, dass ölgefüllte Sensoren gelieren und verhärten. Bei der Keramiktechnik kann der O-Ring zwischen Anschluss und Membran spröde und brüchig werden. Dadurch ist die Integrität des Messelements kompromittiert, und es entsteht ein potenzieller Leckagepfad. Um zu vermeiden, dass der Sensor unter seinen Betriebs-temperaturbereich kommt, sind Einbauort und -umgebung entsprechend anzupassen. Beheizte Gehäuse oder Räume dienen dem Schutz des Sensors und verhindern, dass die Temperatur am Sensor Minusgrade erreicht. An entlegenen Orten kann die Stromversorgung solarbetriebener Messgeräte ein Problem darstellen. Die Möglichkeit zur Beheizung des Sensors ist dann eingeschränkt oder entfällt ganz. In Alaska, Alberta, British Columbia, Saskatchewan und North Dakota beispielsweise kann Bohrausrüstung Temperaturen bis –50 °C (–60 °F) annehmen. Besonders betroffen sind Sensoren, die im Freien direkt an der Rohrleitung zur Überwachung von Hydraulik, Futterrohr und Kopfdruck montiert sind.
Die Folgen von Vereisung
Das Vereisen von Prozessmedien ist eine indirekte Folge des kalten Klimas. Bei bestimmten Erdgasbohrungen kann Wasser und Gas in den gleichen Rohren gefunden werden. Wenn das System heruntergefahren wird und die Temperatur unter Null sinkt, kann das Wasser im Rohr gefrieren und sich ausdehnen, womit der Drucksensor für nicht unerhebliche Zeit einem zu hohen Druck ausgesetzt wird. Die Ausdehnung kann einer Druckspitze von 500 psi (35 bar) bis 1.000 psi (70 bar) gleichkommen. Bei einem 100-psi-System kann sich der Druck auf 1.500 psi (100 bar) erhöhen. Bei vielen Sensortechnologien lässt eine solche Belastung einer Membran, die für niedrigere Drücke vorgesehen ist, den Dehnungsmessstreifen ausfallen oder die Membran reißen. Damit dies nicht geschieht und der Sensor versagt, muss das Messelement den erhöhten Druck eine Zeit lang aushalten können, und zwar ohne dass der Sensor nach dem Auftauen an Genauigkeit einbüßt. Ein spezielles Hohlraumdesign sowie eine spezielle Prüfdruck-festigkeit und Kalibrierung sind die besten Methoden zur Gewährleistung, dass der Sensor nicht ausfällt, wenn das Medium in dem Hohlraum gefriert.
Temperaturkompensation
Um die Auswirkungen veränderlicher Temperaturen elektrisch zu kompensieren, testen Hersteller von Druckgebern die Sensoren mittels Druck und Temperatur. Da kein Sensor und Dehnungsmessstreifen exakt wie der andere ist, wird am besten jeder einzelne Sensor auf seine spezifischen Eigenschaften getestet. Traditionell wird daraufhin das rohe Ausgangssignal mit Widerständen justiert, oder reduziert, um das Verhalten im getesteten Temperatur-bereich zu optimieren. Der Sensor verwendet dann eine Schaltung, die das Millivoltsignal auf das benötige Ausgangssignal (z. B. 4 – 20 mA) verstärkt. Bei bestimmten Druckgebern sind Nullpunkt und Spanne einstellbar. Diese Funktion wird im Allgemeinen benötigt, wenn das Ausgangssignal durch Membranermüdung bedingt driftet. Dank der heute geringeren Kosten und Baumaße digitaler Elektronik ist die digitale Kompensation mit einer ASIC (anwendungsspezifischen integrierten Schaltung) üblicher geworden. Bei niedrigen Temperaturen wird die ASIC programmiert, wenn der Drucksensor über einen Temperaturbereich getestet wird. Manche Ausführungen korrigieren hierbei Nichtlinearität oder Abweichungen vom idealen Ausgangssignal. Die Temperatur der ASIC kann mithilfe eines Temperatursensors, wie zum Beispiel eines Thermistors, an den Messstreifen kompensiert werden oder an der ASIC selbst. Den wesentlichen Unterschied macht die Mediumtemperatur. Bei der Kompensation ausgehend von der Temperatur der ASIC ist der gemessene Temperaturwert aufgrund deren Nähe zum Medium weniger genau. Bei kalten Temperaturen kann es sein, dass die ASIC einen Wert nahe der Umgebungstemperatur liefert, obwohl das Medium eine heiße Flüssigkeit oder Gas ist. Das Messen der Messstreifen-Temperatur ermöglicht die schnellste Reaktion und eine dynamische Kompensation zur Optimierung des Sensorverhaltens.
Ein weiterer Fortschritt bei der Herstellung von Druckgebern ist die Fähigkeit, ein unabhängiges Temperaturausgangssignal zu liefern. Damit können Systemintegratoren Änderungen in der Mediumtemperatur mit einem einzigen Gerät eng überwachen – dies senkt Installationskosten und spart die Kosten für einen weiteren Sensor. Im Bild links unten sehen Sie ein einteiliges Messelement aus Edelstahl, das vollkommen ohne Schweißungen und interne O-Ringe ausgeführt ist. Da es bei dieser Bauart keine Schweiß- oder Nahtstellen gibt, ist der Ermüdungsgrad über einen großen Arbeitstemperaturbereich viel geringer. Die explosionsgeschützten Druckgeber im Bild unten rechts liefern mit sehr dicken Membranen und modernsten Silizium-Dehnungsmessstreifen reproduzierbare Messergebnisse auch in extrem rauer Umgebung wie z. B bei Tiefbohrungen. Der Einsatz von Legierung 718, 17-4 PH, Legierung C-276 und Edelstahl 316 L für benetzte Teile erweitert das Anwendungsspektrum dieser Druckgeber zusätzlich auf die Verarbeitung von Schweröl und hohe Sulfidierung.
ZUSAMMENFASSUNG
Nicht nur die Auslegung des gesamten Systems vereinfacht den Entscheidungsprozess, sondern auch das Verständnis der Details. Während Druckgeber in Form und Größe einander ähnlich sind, kann die Art und Weise, wie der Druck aus mechanischer und elektrischer Sicht gemessen wird, hochverschieden sein. Auch die verwendeten Werkstoffe können variieren und erfordern daher eine weitere Analyse. Bestimmen Sie mit Ihrem Druckgeberhersteller gemeinsam, welche Bauart für Ihre Erfordernisse geeignet ist.
