DE3900942C2 - Mehrfachsensorik - Google Patents

Description

Die Messung von strömenden Mehrphasengemischen und die Überwachung der entsprechenden Transportsy­ steme ist eine insbesondere mit der Einführung neuer Technologien wie z. B. der Unterwasserförderung bei der Öl- und Gasgewinnung oder auch der Rauchgasent­ giftung eine wichtige Aufgabe mit erheblichen Anforde­ rungen an die Sensorik geworden. So werden in Rohr­ leitungen, Maschinen und Apparaturen oftmals Mehr­ phasengemische transportiert, die die Belastungen der Wandmaterialien stark erhöhen können. Hierzu gehö­ ren besonders Förderanlagen für Flüssigkeiten mit Feststoffteilchen und Gasblasen, Suspensionen, Aeroso­ le, feststoffhaltige Gasströme und mehrphasige Flüssig­ keiten. Dabei erzeugen hohe Strömungsgeschwindig­ keiten, Druck- und Temperaturänderungen kritische Zustände, die oftmals die Funktionsfähigkeit der Anlage einschränken.

Darüber hinaus bewirken harte Partikel und Gasbla­ senbildung an spezifischen Rohrstellen wie Biegungen, Verteilern und Verbindungen erhöhte Korrosion und Erosion. Spezifische korrosive Komponenten, Salze, Hydroxylionen und Protonen, beschleunigen den Auflö­ sungsvorgang des Wandmaterials.

Eine weitere Problematik besteht in der Ablagerung von Feststoffen, die verstärkt in Pipelines zu Engstellen bzw. Pfropfenbildung führen.

Diese unterschiedlichen Angriffe und Störungen wir­ ken sich auf den Betrieb aus und erfordern Vorsichts­ maßnahmen, die sich bis dato in Sekundärpreventionen wie hohen Wandstärken, Einsatz teuerer Werkstoffe, Reinigung, Anwendung des kathodischen Schutzes er­ schöpften.

Die in den Ansprüchen dargestellte und erfinderisch fortentwickelte Sensorik erlaubt nun eine weitgehende Überwachung der Systeme und ein gezieltes Eingreifen in den Transportprozeß. Dadurch wird nicht nur die Lebensdauer von Anlagen erhöht sondern bestimmte neue Technologien erst realisierbar gemacht.

Zum Stand der Technik ist festzustellen, daß in dem US-Patent US 31 55 898 zwar eine Reihe von Signalen auf der Basis von elektromagnetischen Strah­ lungseffekten ausgewertet werden, elektrochemische Verfahren, der Kern des vorliegenden Patentes, jedoch nicht angesprochen werden kann.

Gesamtsensorik

Die eingesetzte Sensorik muß in Elektroden, die als Antennen wirken, Versorgungselektronik, Signalaufbe­ reitung, Plausibilitätsprüfung, Kalibrierung und Daten­ übertragung differenziert werden. Die nachfolgende Aktorik ist notwendig für die Umsetzung der Sensor­ aussagen und nicht mehr Teil der Anmeldung.

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 Detektionsbereich genügen. Vom Typ her sind diese Elektroden fünf Aufbauarten zuordenbar:

• - Inaktive Flächen, zumeist aus Edelmetall, zur Bestimmung der Potentiale, Ströme (Stromdich­ ten), Leitfähigkeiten, Impedanzen, differentiellen Widerstände, des elektrochemischen Rauschens (Partikelraten) und der Dielektrizitätskonstanten.
• - Funktionsaktive Keramikelektroden als NTC- oder Piezomaterialien zur schnellen Druck- und Temperaturbestimmung bzw. Detektion der Prall­ raten.
• - Schichtstrukturen mit Metall-, Keramik- Cer­ metlagen zur Festlegung von Gasanteilen, beson­ ders Sauerstoff, und zur Detektion von Ionen.
• - aktivierbare Elektroden zur Bestimmung der Korrosivität bzw. Schichtbildung und zur Erzeu­ gung von Ionenströmen (Bestimmung des Durch­ flusses).
• - enge Kombinationen der obengenannten Struk­ turen, z. B. aktivierbare und inaktive Elektroden mit Zwischenisolation zur Durchflußmessung.

Elektronik

Eine erste Aufgabe der Elektronik besteht in der Ver­ sorgung der Elektroden mit konstanten Potentialdiffe­ renzen oder verschiedenen Wechselspannungen. Poten­ tiostat- und Impedanzwandlerschaltungen werden in der Nähe der Elektroden außerhalb oder innerhalb des Rohres integriert. Die hohen Anforderungen der An­ wendung erfordern größtmöglichste Integration der Bauelemente und besondere Vorkehrungen zu ihrem Schutz.

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

Die dritte Ebene beinhaltet einen Wertevergleich und Plausibilitätsalgorithmus, der entsprechend der Anwen­ dung einprogrammiert sein muß (Siehe Beispiele bzw. Abb. 5). Hierzu ist die Prozessor- und Speichertechno­ logie und deren Einsatz, ebenfalls unter extremen Be­ dingungen notwendig.

Datenübertragung

Die Datenübertragung ist in der Abb. 6 schematisch dargestellt. Sie wird im Falle der Unterwassertechnolo­ gie vorzugsweise über erprobte LWL oder Tiefseekabel, im Falle der Prozeßtechnologie konventionell durchgeführt.

Beispiel 1 Leitfähigkeits-, Schichtwiderstandsbestimmung und Potentialmessung

Auf Keramikunterlage werden drei Elektrodenbän­ der eingesetzt (Länge etwa 1-5 cm, Breite etwa 1 cm). Als Materialien werden Tantal, Platin massiv oder Platin aktiviert mit Cermetschutzschicht verwendet. Je nach Elektrolyt, Gas-, besonders Sauerstoff- und Wasser­ stoffanteil stellen sich zwischen diesen Elektroden un­ terschiedliche Potentiale ein. Bei einer von außen aufge­ zwungenen Potentialänderung fließen Ströme, die einer zumeist katalysierten Umsetzung bzw. dem Auf- und Abbau von Deckschichten zuordenbar sind.

Die Kalibrierung der Zusammenhänge in Mehrpha­ senströmungen geschieht durch Zugabe von Mischun­ gen, die einen definierten Wasser-, Elektrolyt-, Sauer­ stoff-, Wasserstoff-, Kohlendioxidanteil besitzen. Man erhält damit ein Sensorpaket aus der Verknüpfung der Elektrodenbänder 1/2, 2/3, 1/3, wobei Potentiale sta­ tisch, Ströme statisch und dynamisch abgefragt werden.

Unter den Realbedingungen einer Mehrphasenströ­ mungen in Pipelines oder sonstigen Rohren und Anla­ gen zeigt diese Multisensorik sowohl die wechselnden Mengen an Elektrolyt in hydrophiler Umgebung als auch die Anteile korrosiver Gase auf. Bei einer Dämp­ fung der Meßwerte möglichst mit der Detektion des Druckanstieges vor dem genannten Sensorpaket kann auf Pfropfen- oder Schichtbildung geschlossen werden.

Beispiel 2 Impedanzmessungen, DK-Bestimmungen

Zwei Tantal- und zwei Cermet-Pt-Elektroden werden nebeneinander oder gegenüber in Größen 1mal 5 cm, 5 mal 5 cm oder 5 mal 10 cm, je nach Anlagengröße oder Rohrdurchmesser, isoliert eingebracht. Mit diesen Elek­ troden ist die Bestimmung der elektrolytischen Leitfä­ higkeiten mit Hilfe einer Wechselstromaufprägung machbar. Dieses Verfahren ist insbesondere in der Elek­ trochemie für analytische und kinetische Untersuchun­ gen eingesetzt. Die Messungen werden im vorliegenden Fall bei zwei verschiedenen Frequenzen durchgeführt, damit die Unterscheidung einer Polarisationsimpedanz vom einfachen Elektrolytwiderstand durchgeführt wer­ den kann.

Die wichtigsten Methoden zur Festlegung der Di­ elektrizitätskonstanten beruhen auf Kapazitätsverglei­ chen. Bei hohen Frequenzen wird die Impedanz zuneh­ mend durch die kapazitive Komponente bestimmt, und dies erlaubt wechselnde DK-Werte zu bestimmen, wo­ bei ebenfalls Vorkalibrierungen durchgeführt und kenn­ feldartig abgespeichert werden.

Zur Beurteilung der Mehrphasenströmungen beson­ ders in der Pipelineanwendung ergänzen sich die ge­ nannten beiden Methoden ganz außerordentlich. Die DK-Messung stellt geringe Mengen an Wasser in Ölen außerordentlich genau fest. Der Wechsel der Elektrolyt­ substanzen einerseits und die Schichtbildung bzw. Re­ aktionen an den Elektroden andererseits sind mit der Impedanzbestimmung erfaßbar. Dies erlaubt die Unter­ scheidung zwischen Wasseranteilen, weniger korrosi­ ven Elektrolyten und aggressiven Bestandteilen.

Beispiel 3 Bestimmung des Druckes der Temperatur und der Aufprallraten

Elektroden aus Piezokeramik und NTC-Keramikma­ terial 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 fa­ serverstärkten Trägerschicht Elektrodenfelder aufge­ baut, die sowohl integrale Druck- und Temperatur­ schwankungen als auch nach Art des Mikrofoneffektes Aufprallereignisse erfassen lassen.

Als Materialien werden stabile Oxidkeramiken heran­ gezogen, die schnelle Temperaturänderungen aufgrund ihrer Widerstandsvariation anzeigen können (Siehe ei­ genes DP 29 19 273). Herkömmliche Piezokeramiken oder bei geringerer Temperaturbelastung auch Piezofo­ lien aus PVDF sind ebenfalls geeignet, schnelle Vorgän­ ge punktförmig oder als Gesamtdruckschwankungen aufzunehmen.

Druck und Temperaturänderungen sind entschei­ dend, um Übergänge von stabilen in metastabile und instabile Phasen voraussagen zu können. Kavitation und Korrosion hängen von diesen Bedingungen wesentlich ab, während sich die Erosion vom Aufschlag der Fest­ körperteilchen ableitet.

Für Mehrphasenströmungen, ihre Entmischung, das Ausfallen von festen Teer- und Wachsbestandteilen gibt die kombinierte Temperatur- und Druckanalyse Auf­ schlüsse. Die schnelle Erfassung über eine Serie von Sensorelementen entlang der Rohrleitung lassen dieses Paket ebenfalls als Basis zur Bestimmung der Strö­ mungsverhältnisse und zur Regelung der Kompresso­ ren und Mischventile zu.

Beispiel 4 Bestimmung gelöster und freier Gasanteile

Mehrschichtkeramiken mit Cermetzwischenlagen sind optimal geeignet, wichtige Gasanteile wie Wasser­ stoff, Sauerstoff und Kohlendioxid oder auch Schwefel­ wasserstoff 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 Ausga­ sung bei Änderung der Bedingungen sind in Rohrleitun­ gen durch die genannte Schichtelektrodenanordnung si­ cher erfaßbar. So können Korrosion, Oxidbildung, Was­ serstoffversprödung bei Summierung der Meßwerte bzw. der Belastung und Vergleich mit Modellkennfel­ dern vorausgesagt werden. Dies ist für die Beurteilung der Langzeithaltbarkeit besonders wichtig.

Dieses Sensorpaket erhält seinen Sinn bei Mehrpha­ sengemischen mit erheblichen Gasanteilen, wobei die Kombination mit dem Grundpaket zur Detektion der Druck- und Temperaturschwankungen vorteilhaft ist. Auf diese Weise können schnelle Änderungen größten­ teils einem spezifischen Gasanteil zugeordnet werden.

Beispiel 5 Bestimmung der Korrosivität vorgegebener Systeme Werkstoff/Medium

Elektroden aus den vorgegebenen Rohrleitungs- und Apparatebauwerkstoffen werden plan in eine Oberflä­ che eingebaut und mit einer Polarisationsmeßvorrich­ tung verbunden. Die Elektroden sprechen auf das umge­ bende Medium und die wechselnden Bedingungen des Betriebes an.

Der aus diesen Messungen abgeleitete Polarisations­ widerstand ist ein Maß für die Korrosionsrate, wobei Redoxsysteme stören. Zu deren Elimination müssen die vorhergenannten Messungen an Edelmetallelektroden herangezogen werden. Vorteilhaft für dieses Sensorpa­ ket ist die weitere Kombination mit der Protonen- und Sauerstoffdetektion.

Der multifunktionelle Aufbau erlaubt die Vorhersage der Korrosion des eingesetzten Werkstoffes und ist so­ mit ein wichtiges Element zur Langzeitplanung.

Beispiel 6 Bestimmung der wandnahen Flüssigkeits- und Partikeldurchflußraten

Mit einer anodisch geschalteten Kupferelektrode wird ein Cu-Ionenstrom erzeugt, der von einer zweiten, inerten Edelmetallelektrode als Grenzstrom bestimm­ bar ist. Dieser Grenzstrom stellt ein Maß für die Strö­ mungsgeschwindigkeit dar (Abb. 7a).

Leitfähigkeits- bzw. Strombestimmung an zwei hin­ tereinandergeschalteten Edelmetallelektroden ergeben bei der Vorüberbewegung von Partikeln Signale, aus deren Laufzeit Rückschlüsse auf die Partikeldurchfluß­ raten und damit auf eine Erosionsbelastung gezogen werden (Abb. 7b).

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

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung der Innenbelastung von Rohrleitungen und Anlagen durch strömende Medien mit Hilfe von in der Strömung befindlichen Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei elektrochemische Sensoren sich auf der Innenoberfläche des zu überwachenden Objektes befinden, welche zur Messung von Parametern zur Bestimmung der Korrosion über Strom-Spannungs-Messungen, zur Messung der Durch­ flußgeschwindigkeit über Grenzstrommessungen und zur Messung der Partikelrate in Wandnähe über Amperometrie benutzt werden, wobei diese Parameter gleichzei­ tig erfaßt und ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strom-Spannungs-Messungen Polarisationsmessungen durchgeführt und Polarisationswiderstände aufgenommen sowie Impedanzmessungen und Messungen des Strom-, Spannungs- und Widerstandsrauschens durchgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Korrosions-, Ruhe- und Redoxpotentiale gemessen und zur Bestimmung der Korrosionswahrscheinlichkeit herangezogen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über Grenzstrommessungen und amperometrische Partikelratenmessungen die Wandbelastung durch Mehrphasenströmungen bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter erfaßt und mit einem Plausibilitätsalgorithmus ausgewertet und verknüpft werden, so daß sie zur Korrosionsüberwachung verwendet werden können.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens drei elektrochemische Sensoren aufweist, die, bei der Be­ stimmung der Innenbelastung von Rohrleitungen in einem Rohrsegment oder bei der Bestimmung der Innenbelastung von Anlagen auf einem der Innenoberfläche angepaßten Basiselement angeordnet sind.