DE3900942A1 - Mehrfachsensorik - Google Patents

Description

Die Messung von strömenden Mehrphasengemischen und die Über­ wachung der entsprechenden Transportsysteme ist eine insbe­ sondere mit der Einführung neuer Technologien wie z.B. der Unterwasserförderung bei der Öl- und Gasgewinnung oder auch der Rauchgasentgiftung eine wichtige Aufgabe mit erheblichen Anforderungen an die Sensorik geworden. So werden in Rohr­ leitungen, Maschinen und Apparaturen oftmals Mehrphasenge­ mische transportiert, die die Belastungen der Wandmaterialien stark erhöhen können. Hierzu gehören besonders Förderanlagen für Flüssigkeiten mit Feststoffteilchen und Gasblasen, Sus­ pensionen, Aerosole, feststoffhaltige Gasströme und mehrpha­ sige Flüssigkeiten. Dabei erzeugen hohe Strömungsgeschwindig­ keiten, Druck- und Temperaturänderungen kritische Zustände, die oftmals die Funktionsfähigkeit der Anlage einschränken.

Darüber hinaus bewirken harte Partikel und Gasblasenbildung an spezifischen Rohrstellen wie Biegungen, Verteilern und Verbindungen erhöhte Korrosion und Erosion. Spezifische kor­ rosive Komponenten, Salze, Hydroxylionen und Protonen, be­ schleunigen den Auflösungsvorgang des Wandmaterials.

Eine weitere Problematik besteht in der Ablagerung von Fest­ stoffen, die verstärkt in Pipelines zu Engstellen bzw. Pfro­ pfenbildung führen.

Diese unterschiedlichen Angriffe und Störungen wirken sich auf den Betrieb aus und erfordern Vorsichtsmaßnahmen, die sich bis dato in Sekundärpreventionen wie hohen Wandstärken, Einsatz teuerer Werkstoffe, Reinigung, Anwendung des katho­ dischen Schutzes erschöpften.

Die in den Ansprüchen dargestellte und erfinderisch fortent­ wickelte Sensorik erlaubt nun eine weitgehende Überwachung der Systeme und ein gezieltes Eingreifen in den Transportpro­ zeß. Dadurch wird nicht nur die Lebensdauer von Anlagen er­ höht sondern bestimmte neue Technologien erst realisierbar gemacht.

Gesamtsensorik

Die eingesetzte Sensorik muß in Elektroden, die als Antennen wirken, Versorgungselektronik, Signalaufbereitung, Plausibi­ litätsprüfung, Kalibrierung und Datenübertragung differen­ ziert werden. Die nachfolgende Aktorik ist notwendig für die Umsetzung der Sensoraussagen und nicht mehr Teil der Anmel­ dung.

Elektroden

Die Elektroden, die nach Abb. 1 in ein Rohrelement oder ein anderes Bauteil eingefügt werden müssen, sind so auszulegen, daß sie den extremen Bedingungen an der Phasengrenze zum De­ tektionsbereich genügen. Vom Typ her sind diese Elektroden fünf Aufbauarten zuordenbar:

• - Inaktive Flächen, zumeist aus Edelmetall, zur Bestimmung der Potentiale, Ströme (Stromdichten), Leitfähigkeiten, Impe­ danzen, differentiellen Widerstände, des elektrochemischen Rauschens (Partikelraten) und der Dielektrizitätskonstanten.
• - Funktionsaktive Keramikelektroden als NTC- oder Piezomate­ rialien zur schnellen Druck- und Temperaturbestimmung bzw. Detektion der Prallraten.
• - Schichtstrukturen mit Metall-, Keramik- Cermetlagen zur Festlegung von Gasanteilen, besonders Sauerstoff, und zur De­ tektion von Ionen.
• - aktivierbare Elektroden zur Bestimmung der Korrosivität bzw. Schichtbildung und zur Erzeugung von Ionenströmen (Be­ stimmung des Durchflusses).
• - enge Kombinationen der obengenannten Strukturen, z.B. aktivierbare und inaktive Elektroden mit Zwischenisolation zur Durchflußmessung.

Elektronik

Eine erste Aufgabe der Elektronik besteht in der Versorgung der Elektroden mit konstanten Potentialdifferenzen oder ver­ schiedenen Wechselspannungen. Potentiostat- und Impedanzwand­ lerschaltungen werden in der Nähe der Elektroden außerhalb oder innerhalb des Rohres integriert. Die hohen Anforderungen der Anwendung erfordern größtmöglichste Integration der Bau­ elemente und besondere Vorkehrungen zu ihrem Schutz.

Die Auswertung der entstehenden Meßströme, die Zuordnung von weiteren Potentialen, Auftreffereignissen und Meßergebnissen stellen die zweite Ebene der Elektronikaufgaben dar.

Die dritte Ebene beinhaltet einen Wertevergleich und Plausi­ bilitätsalgorithmus, der entsprechend der Anwendung einpro­ grammiert sein muß (Siehe Beispiele bzw. Abb. 5). Hierzu ist die Prozessor- und Speichertechnologie und deren Einsatz, ebenfalls unter extremen Bedingungen notwendig.

Datenübertragung

Die Datenübertragung ist in der Abb. 6 schematisch darge­ stellt. Sie wird im Falle der Unterwassertechnologie vorzugs­ weise über erprobte LWL oder Tiefseekabel, im Falle der Pro­ zeßtechnologie konventionell durchgeführt.

Beispiel 1 Leitfähigkeits-, Schichtwiderstandsbestimmung und Potential­ messung

Auf Keramikunterlage werden drei Elektrodenbänder eingesetzt (Länge etwa 1-5 cm, Breite etwa 1 cm). Als Materialien werden Tantal, Platin massiv oder Platin aktiviert mit Cer­ metschutzschicht verwendet. Je nach Elektrolyt, Gas-, beson­ ders Sauerstoff- und Wasserstoffanteil stellen sich zwischen diesen Elektroden unterschiedliche Potentiale ein. Bei einer von außen aufgezwungenen Potentialänderung fließen Ströme, die einer zumeist katalysierten Umsetzung bzw. dem Auf- und Abbau von Deckschichten zuordenbar sind.

Die Kalibrierung der Zusammenhänge in Mehrphasenströmungen geschieht durch Zugabe von Mischungen, die einen defi­ nierten Wasser-, Elektrolyt-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Koh­ lendioxidanteil besitzen. Man erhält damit ein Sensorpaket aus der Verknüpfung der Elektrodenbänder 1/2, 2/3, 1/3, wobei Potentiale statisch, Ströme statisch und dynamisch abgefragt werden.

Unter den Realbedingungen einer Mehrphasenströmungen in Pipe­ lines oder sonstigen Rohren und Anlagen zeigt diese Multisen­ sorik sowohl die wechselnden Mengen an Elektrolyt in hydro­ philer Umgebung als auch die Anteile korrosiver Gase auf. Bei einer Dämpfung der Meßwerte möglichst mit der Detektion des Druckanstieges vor dem genannten Sensorpaket kann auf Pfrop­ fen- oder Schichtbildung geschlossen werden.

Beispiel 2 Impedanzmessungen, DK-Bestimmungen

Zwei Tantal- und zwei Cermet-Pt-Elektroden werden nebenein­ ander oder gegenüber in Größen 1 mal 5 cm, 5 mal 5 cm oder 5 mal 10 cm, je nach Anlagengröße oder Rohrdurchmesser, iso­ liert eingebracht. Mit diesen Elektroden ist die Bestimmung der elektrolytischen Leitfähigkeiten mit Hilfe einer Wechsel­ stromaufprägung machbar. Dieses Verfahren ist insbesondere in der Elektrochemie für analytische und kinetische Unter­ suchungen eingesetzt. Die Messungen werden im vorliegenden Fall bei zwei verschiedenen Frequenzen durchgeführt, damit die Unterscheidung einer Polarisationsimpedanz vom einfachen Elektrolytwiderstand durchgeführt werden kann.

Die wichtigsten Methoden zur Festlegung der Dielektrizitäts­ konstanten beruhen auf Kapazitätsvergleichen. Bei hohen Fre­ quenzen wird die Impedanz zunehmend durch die kapazitive Kom­ ponente bestimmt, und dies erlaubt wechselnde DK-Werte zu be­ stimmen, wobei ebenfalls Vorkalibrierungen durchgeführt und kennfeldartig abgespeichert werden.

Zur Beurteilung der Mehrphasenströmungen besonders in der Pipelineanwendung ergänzen sich die genannten beiden Methoden ganz außerordentlich. Die DK-Messung stellt geringe Mengen an Wasser in Ölen außerordentlich genau fest. Der Wechsel der Elektrolytsubstanzen einerseits und die Schichtbildung bzw. Reaktionen an den Elektroden andererseits sind mit der Impe­ danzbestimmung erfaßbar. Dies erlaubt die Unterscheidung zwi­ schen Wasseranteilen, weniger korrosiven Elektrolyten und aggressiven Bestandteilen.

Beispiel 3 Bestimmung des Druckes der Temperatur und der Aufprallraten

Elektroden aus Piezokeramik und NTC-Keramikmaterial werden auf Keramikfaserträger aufgebracht und in Größen von 1 mal 1, bzw. 2 mal 2 cm in die Rohre eingbracht. Es werden über die Ableitungen in der faserverstärkten Trägerschicht Elektroden­ felder aufgebaut, die sowohl integrale Druck- und Temperatur­ schwankungen als auch nach Art des Mikrofoneffektes Aufprall­ ereignisse erfassen lassen.

Als Materialien werden stabile Oxidkeramiken herangezogen, die schnelle Temperaturänderungen aufgrund ihrer Widerstands­ variation anzeigen können (Siehe eigenes DP 29 19 273). Her­ kömmliche Piezokeramiken oder bei geringerer Temperaturbelas­ tung auch Piezofolien aus PVDF sind ebenfalls geeignet, schnelle Vorgänge punktförmig oder als Gesamtdruckschwankun­ gen aufzunehmen.

Druck und Temperaturänderungen sind entscheidend, um Über­ gänge von stabilen in metastabile und instabile Phasen vor­ aussagen zu können. Kavitation und Korrosion hängen von die­ sen Bedingungen wesentlich ab, während sich die Erosion vom Aufschlag der Festkörperteilchen ableitet.

Für Mehrphasenströmungen, ihre Entmischung, das Ausfallen von festen Teer- und Wachsbestandteilen gibt die kombinierte Tem­ peratur- und Druckanalyse Aufschlüsse. Die schnelle Erfassung über eine Serie von Sensorelementen entlang der Rohrleitung lassen dieses Paket ebenfalls als Basis zur Bestimmung der Strömungsverhältnisse und zur Regelung der Kompressoren und Mischventile zu.

Beispiel 4 Bestimmung gelöster und freier Gasanteile

Mehrschichtkeramiken mit Cermetzwischenlagen sind optimal ge­ eignet, wichtige Gasanteile wie Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid oder auch Schwefelwasserstoff zu identifizieren. Eine modifizierte Struktur: Poröse Keramik/Cermet/Platin/ Zirkondioxid/Metall-Metalloxid/Keramikschicht (Eigenes DP 35 29 290) steht für die Sauerstoffmessung, ein ähnlicher Aufbau mit Anpassung an die Sulfid-, Protonen- und Karbonat­ festkörperionenleitung für die Wasserstoffdetektion usw. zur Verfügung (Abb. 3).

Die Lösung dieser Gase unter Druck und ihre Ausgasung bei Än­ derung der Bedingungen sind in Rohrleitungen durch die genannte Schichtelektrodenanordnung sicher erfaßbar. So können Kor­ rosion, Oxidbildung, Wasserstoffversprödung bei Summierung der Meßwerte bzw. der Belastung und Vergleich mit Modellkenn­ feldern vorausgesagt werden. Dies ist für die Beurteilung der Langzeithaltbarkeit besonders wichtig.

Dieses Sensorpaket erhält seinen Sinn bei Mehrphasengemischen mit erheblichen Gasanteilen, wobei die Kombination mit dem Grundpaket zur Detektion der Druck- und Temperaturschwankun­ gen vorteilhaft ist. Auf diese Weise können schnelle Änderun­ gen größtenteils einem spezifischen Gasanteil zugeordnet wer­ den.

Beispiel 5 Bestimmung der Korrosivität vorgegebener Systeme Werkstoff/ Medium

Elektroden aus den vorgegebenen Rohrleitungs- und Apparate­ bauwerkstoffen werden plan in eine Oberfläche eingebaut und mit einer Polarisationsmeßvorrichtung verbunden. Die Elektro­ den sprechen auf das umgebende Medium und die wechselnden Bedingungen des Betriebes an.

Der aus diesen Messungen abgeleitete Polarisationswiderstand ist ein Maß für die Korrosionsrate, wobei Redoxsysteme stö­ ren. Zu deren Elimination müssen die vorhergenannten Messun­ gen an Edelmetallelektroden herangezogen werden. Vorteilhaft für dieses Sensorpaket ist die weitere Kombination mit der Protonen- und Sauerstoffdetektion.

Der multifunktionelle Aufbau erlaubt die Vorhersage der Kor­ rosion des eingesetzten Werkstoffes und ist somit ein wich­ tiges Element zur Langzeitplanung.

Beispiel 6 Bestimmung der wandnahen Flüssigkeits- und Partikeldurchfluß­ raten

Mit einer anodisch geschalteten Kupferelektrode wird ein Cu-Ionen­ strom erzeugt, der von einer zweiten, inerten Edelme­ tallelektrode als Grenzstrom bestimmbar ist. Dieser Grenz­ strom stellt ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit dar (Abb. 7a) .

Leitfähigkeits- bzw. Strombestimmung an zwei hintereinander­ geschalteten Edelmetallelektroden ergeben bei der Vorüberbe­ wegung von Partikeln Signale, aus deren Laufzeit Rückschlüsse auf die Partikeldurchflußraten und damit auf eine Erosions­ belastung gezogen werden (Abb. 7b).

Diese Kombination von vier Elektroden sollte in besonderer Weise dort eingesetzt sein, wo kritische Durchflußraten und Partikelangriff verstärkt berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grunde ist dieses Sensorpaket sowohl zur Steuerung von Pumpen als auch zur Vorhersage des Abriebes heranziehbar.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung der Innenbelastung von Rohr­ leitungen, Bauteilen und Anlagen, die durch strömende, ein­ und mehrphasige Medien einer chemischen und mechanischen Belastung unterworfen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens drei (maximal zehn) Elektroden auf einer Basis­ fläche befinden und jeweils immer drei Elektrodenmaterialien derart ausgewählt und zusammengefaßt werden, daß die Phasen­ eigenschaften bezogen auf Durchfluß, Korrosivität, Erosion, Kavitation, Schicht- oder Pfropfenbildung in unterschied­ lichen Abhängigkeiten erfaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über drei inerte Elektrodenflächen mit Hilfe der Impedanz­ und Leitfähigkeitsbestimmung ionale Anteile bzw. Einflüsse von Adsorbatschichten auf die Doppelschichtkapazität bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Dielektrizitätskonstanten, Korrosions-, Ruhe- bzw. Redox­ potentiale bestimmt werden und die Polarisationsmessungen zur Korrosionsratendefinition herangezogen werden.

4. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Potentialbestimmungen zwischen Inert-, Aktivelektroden und/oder Rohrwandmaterial erfolgen.

5. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Grenzstrommessungen für Durchflußbestimmun­ gen herangezogen werden.

6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß elektrochemisch über Potential- oder Strom­ rauschen Partikelkonzentrationen in Wandnähe bestimmt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über entsprechende Keramikelektroden (Piezo, NTC) Druck und Temperatur mitbestimmt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über entsprechende Keramik- oder Cermetelektroden Prallraten elektroakustisch bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Schichtkeramik mit internem Standard der Gehalt an Sauerstoff im Phasengemisch erfaßt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über eine wasserstoffionenleitende Dickschichtkeramik die Wasserstoffionenkonzentration bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß über eine karbonationleitende Schicht die Konzentration des Kohlendioxides bestimmte werden kann.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß über eine sulfidionenleitende Schicht die Konzentration des Schwefelwasserstoffes bestimmt wird.