海中測定用途の LVDT センサ

どのようなセンサであっても、海中環境で適切に機能するのは非常に困難です。 特に、20 年もの長期にわたる水中での稼働が見込まれるとなれば、その間、故障せずに動作し続けるのは極めて難しくなります。海中環境では、海深 15,000 フィートで約 7,500 psi の外部圧力がセンサに加わります。高圧深海環境のセンサの多くは、ある程度時間が経つと故障し、膨大なコストをかけて交換しなければならなくなります。センサの交換にかかるメンテナンス コストが、センサ本体のコストよりも高くなるのは珍しくありません。こうしたことから長期のセンサ寿命が、多くの用途で動作仕様の 1 つとして、求められています。さらに海水は、海深に関係なく、センサの金属部分を腐食させます。海水中での酸素、温度、pH、塩素、生物活動、導電率、流速のレベルは一様ではなく、こうした条件が腐食をさらに加速させます。凹み、すきま腐食、粒間腐食が発生し、センサの故障を引き起こします。

淀んだ海域や汚染された海域が硫酸塩還元細菌を増加させ、センサ材料の性能に影響を与えることは珍しくありません。 海水は導電率が高く、マクロセル腐食や電解腐食を促進します。腐食は温度上昇を招き、その結果、さらに腐食が進みます。微生物によって誘発される腐食も非常に深刻な問題です。センサの動作条件や構造で使用される材質 (特に低グレードのオーステナイトステンレス鋼) はさまざまで、それに応じて性能が変わるため、センサの動作は微生物による腐食の影響を必ず受けます。これは材料劣化に関わる腐食プロセスです。通常は、溶接ジョイントで発生し、早めにチェックして処理をしないと溶接部に問題が生じます。圧力や海水の影響を受ける海中での用途では、信頼性の高い動作を実現するのが容易ではなく、特別な対応が必要になります。温度・塩度・酸素レベル・海深に応じて、海中環境で正確かつ信頼性の高い性能を発揮できるのは、特殊な合金によるハーメティック シールされた LVDT (線形可変差動変圧器) しかありません。

LVDT とは、本体と機械的に連結された物体の直線運動を対応する電気信号に変換する電気機械センサです。 LVDT リニアポジションセンサはさまざまな測定範囲で利用でき、1 インチの数百万分の 1 のわずかな動きから、±20 インチの動きまで測定できます。図 A に代表的な LVDT の構成部品を示します。変圧器の内部構造は、同一の方法で巻かれた 1 対の二次巻線と、それらが対称になるように中央に置かれた一次巻線で構成されています。コイルは、耐熱ガラス強化ポリマの中空の一体型形状の周りに巻かれた上で、湿気を防ぐためにカプセルに密閉され、高透磁率磁気シールドで全体をおおわれてから、ステンレス鋼でできた円筒形のハウジングに動かないように収められています。このコイル アセンブリは、通常、位置センサの定常要素です。動作時には、LVDT の一次巻線は適切な振幅と周波数の交流電流によって通電されます。これは一般に「一次励磁」と言われます。LVDT の電気出力信号は 2 つの二次巻線間の差動 AC 電圧です。これは LVDT コイル内の芯線の軸の位置によって変わります。通常、この AC 出力電圧は、適当な電子回路によって使いやすい高レベル DC 電圧または電流に変換されます。

LVDT リニアポジションセンサは、沖合プラットフォーム・脱塩システム・係留ケーブル・海底坑口・石油ガス収集システムの用途で、制御および安全機能の 1 つとして、状態モニタシステムで広く活用されています。 稼働時には、潮流によって最大 1,000 フィートまでのさまざまな位置でセンサが海水に浸漬される可能性があります。LVDT の精度と長期にわたる稼働は、特に構造的な動きをモニタするために必要であり、沖合石油採掘プラットホームにおけるパイプライン・デリック・係留設備・チョーク バルブ・伸び計、およびその他重要な高応力部材の長期 FEA (有限要素解析) に使用されます。たとえば、石油採掘プラットフォームの構造部材のミクロひずみまでの拡張の測定に海中 LVDT を使用することができます。石油採掘プラットフォームが移動していないことを確認するため、2mm 未満までの動きを測定します。海中 LVDT は、チョークやバルブのステータスをモニタ制御して必要な位置フィードバックを提供し、「海中クリスマス ツリー」を利用した適切なガスまたは石油フローを実現するためにも適しています。海中クリスマス ツリーとは、油井用のバルブ、スプール、フィッティングのアセンブリを指します。構造が飾りを付けたツリーに似ていることからこう呼ばれます。その機能は石油やガスの油井からの放出を防止することです。同時に、油井からの流体の流れを調整します。

クリスマス ツリーのバルブやチョークは、海底から石油を運ぶ際のオイル パイプの開閉に使用されます。 それらは液圧式アクチュエータまたは電気式アクチュエータのいずれかによって遠隔制御されています。位置フィードバックは、海中制御モジュールの一部としてチョーク ステータスをモニタおよび制御するために必要になります。バルブ アクチュエータに搭載された単一の LVDT または冗長 LVDT は、チョークが閉じられるときにフローが完全に停止していることを確認するために使用されます。チョークを完全に閉じないと、近年メキシコ湾で発生したような環境災害に至る可能性があります。海中チョークにはいくつかのサイズがありますが、通常、フル ストロークは 2～12 インチです。また、LVDT は海中タワーでの安全ケーブルの拡張モニタにも使用されます。掘削プラットホームの退避や油井の閉鎖につながる過酷な気候や地震の際に重要な情報を提供します。この用途は、石油会社や保険会社によって定められた安全や環境の政策の結果として生じたものです。