Alles muss fließen

Exklusiv in KEM Der Autor ist Norbert Matthes, Produktmanager Sensorik bei der Contrinex Sensor GmbH, Nettetal

Gashydrate, ein eiskristallähnliches Gemisch aus Methan oder Kohlendioxid und Wasser, bilden sich in der Tiefsee bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen. Für die Ölförderung bedeuten sie ein ernsthaftes Problem, da sie die Förderleitungen verstopfen können. Um eine Pfropfbildung zu verhindern, werden Chemikalien – in der Regel Frostschutzmittel oder Polymere – in die Pipeline injiziert.

Sollte früher dabei die Bildung von Gashydraten komplett verhindert werden, geht man heute dazu über, lediglich die Fließfähigkeit des Gashydrat-Wasser-Ölgemisches durch Zugabe von Anti-Agglomeraten zu gewährleisten. Welche Chemikalien in welchen Mengen dabei zugesetzt werden müssen, wird in Laborversuchen ermittelt.

Ein entscheidendes Hilfsmittel sind hier Messgeräte, mit denen sich überprüfen lässt, ob die Chemikalien tatsächlich unter den Förderbedingungen funktionieren, also das Gashydrat-Wasser-Ölgemisch fließfähig bleibt und damit die Ölförderung abgesichert ist.

Ein Hersteller solcher Geräte ist die PSL Systemtechnik GmbH. Das Harzer Unternehmen mit Sitz in der Universitätsstadt Clausthal-Zellerfeld ist spezialisiert auf die Herstellung von Messtechnik zur Überwachung des Fließverhaltens von Gemischen aus Öl, Gas und Wasser beziehungsweise zur Erkennung von Flockenbildung in Flüssigkeiten wie Rohöl oder Erdölfeldchemikalien. Abnehmer der Prüfgeräte sind sowohl Zulieferer und Dienstleiser der Erdölindustrie als auch die petrochemische Branche direkt.

Speziell zur Viskositätsmessung von Gashydraten dient die Saphirglas-Rocking Cell RCS mit wahlweise zwei, sechs oder 20 Messzellen. Mit diesem Messgerät wird unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen die Laufzeit einer Kugel durch das zu untersuchende Flüssigkeitsgemisch gemessen, wenn die Druckzelle – hier ausgeführt als transparentes Rohr aus Saphirglas – gekippt wird.

Zwei induktive Näherungsschalter pro Zelle stoppen die Zeit, die die Kugel benötigt, um durch die Flüssigkeit eine definierte Strecke zurückzulegen. Diese Messgröße ist ein Maß für die Viskosität der Mischung aus Gashydraten und zugesetzten Chemikalien. Darüber hinaus liefert das Gerät Informationen zu Druck und Temperatur. Da alle Messzellen ganzflächig frei einsehbar sind, liefern genaue Beobachtungen der Vorgänge zusätzliche Informationen darüber, ob sich Stoffe absetzen, anbacken oder ob alles fließt.

PSL Systemtechnik setzt in seiner Saphirglas-Rocking Cell RCS bereits seit zweieinhalb Jahren induktive Schalter der Contrinex GmbH ein. Dabei stellte PSL eine Reihe von Anforderungen an den verwendeten Sensortyp: Der Schalter musste sehr klein, gleichzeitig jedoch in der Lage sein, die kleine Kugel durch die Zellwand aus Saphirglas zu erfassen und genaue, reproduzierbare Schaltzeitpunkte zu liefern.

Hier kam also nur ein Schalter mit einem großen Schaltabstand infrage. Überdies sollte er wasserfest sein und funktionsfähig in einem Temperaturbereich von – 20 bis + 60 °C. „Dieser Temperaturbereich liegt zwar eigentlich außerhalb der Sensorspezifikation, und er liefert bei +60 °C auch keine verlässlichen Signale mehr. Aber sobald der Schalter abkühlt, kommen auch die Signale wieder“, erklärt Dr. Jens Pfeiffer, Geschäftsführer der PSL Systemtechnik GmbH. Eine besondere Druckbeständigkeit des Sensors ist nicht erforderlich, da die Saphirglaszelle den Druck von max. 350 bar aufnimmt.

Die Wahl fiel auf Sensoren vom Typ DW-AS-513-M18-002 mit einem extra großen Schaltabstand von 20 mm und einem zylindrischen Gehäuse vom Durchmesser M18. Zunächst wurden Schalter mit Kabelausgang verwendet. Da dieser sich jedoch unter dauerhafter Schwenkbewegung als nicht wasserdicht erwies, setzt PSL heute den gleichen Sensortyp in der Steckervariante ein. Dank des induktiven Verfahrens erfasst der Schalter die Kugel auch in den für die Ölförderung typischen trüben Flüssigkeitsgemischen problemlos. Alternativen wie Lichtschranken versagten unter diesen Bedingungen und wurden daher verworfen.

Da trotz der Steckerversion des Sensors ab und an Ausfälle durch Wassereintritt auftreten, zählt PSL die Schalter zum Verbrauchsmaterial der Messeinrichtungen. Dennoch ist Dr. Pfeiffer mit den Contrinex-Sensoren sehr zufrieden: „Wir haben viele Sensoren verschiedener Hersteller getestet. Der Contrinex-Sensor lieferte als einziger die gewünschte Empfindlichkeit und Genauigkeit. Er liefert das beste Signal und löst zuverlässig aus.“

Für den großen Schaltabstand auf ferromagnetische Metalle – bei den Sensoren der Serie 500 beträgt er das bis zu Vierfache der Norm – sorgt ein spezielles, von Contrinex entwickeltes und patentiertes Oszillatorkonzept – der Condist-Oszillator. Dieser erzeugt wie bei einem Standardsensor ein hochfrequentes Wechselfeld, das an der aktiven Fläche austritt. Dringt ein metallischer Gegenstand in das magnetische Feld ein, entzieht er diesem Energie. Diese Information leitet der Sensor weiter.

Damit arbeiten mit der Condist-Technologie ausgestattete Sensoren zwar nach dem gleichen physikalischen Prinzip wie marktübliche induktive Näherungsschalter, verfügen jedoch über eine völlig andere Ausführung von Oszillator und nachgeschalteter Signalauswertung. Dadurch erreicht Contrinex eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse – vor allem gegenüber der Temperatur. Diese größere Stabilität ermöglicht eine Verlegung des Schaltpunktes hin zu größeren Schaltabständen.

Aus diesem Grund sind Sensoren mit Condist-Oszillator prädestiniert für Anwendungen, bei denen schlanke Bolzen, dünne Drähte oder elektrische Kabel erkannt werden müssen oder Anwendungen wie bei PSL, wo durch eine Glaswand hindurch eine Kugel erfasst werden soll. Im Gegensatz zu gängigen induktiven Näherungsschaltern dürfen sie allerdings nur nicht- oder quasi-bündig eingebaut werden.

Die EMV-Festigkeit sowie die Abdichtung gegen das Eindringen von Flüssigkeiten sind sehr gut. Alle übrigen Eigenschaften wie Betriebsspannung, Stromverbrauch, Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse etc. stimmen jedoch im Wesentlichen mit herkömmlichen Induktivsensoren überein. Da Contrinex auf die Einhaltung der einschlägigen Normen achtete, ist der einfache Austausch mit konventionellen Geräten gewährleistet.

Contrinex bietet die induktiven Sensoren der Serie 500 in den genormten Baugrößen von Durchmesser 4 mm bis M30 in bündigen sowie nicht bündig einbaubaren Ausführungen an. Die Geräte sind in Gleichspannungsausführung in 3-Leitertechnik, sowohl in NPN- als auch in PNP-Schaltung, sowie als Schließer oder Öffner erhältlich. Eine LED zur Anzeige des Schaltzustands ist standardmäßig vorhanden.

Des Weiteren sind alle wichtigen Schutzfunktionen eingebaut, beispielsweise Kurzschluss- und Überlastschutz, Rundum-Verpolungsschutz, Induktionsschutz, EMV-Schutz, Einschaltnormierung etc. Zusätzlich umfasst die Baureihe Geräte mit Analogausgang. Bei den meisten Modellen stehen gleichzeitig ein Spannungsausgang (0 bis 5 V bzw. 0 bis 10 V) und ein Stromausgang (1 bis 5 mA bzw. 4 bis 20 mA) zur Verfügung. Zurzeit sind die Geräte in den Baugrößen C8, M8, M12, M18 und M30 lieferbar.

Contrinex, Tel.: 02153 7374-0,

E-Mail: info@contrinex.de

Physikalisches Prinzip

Hinter der Sensorfläche befindet sich eine Schwingkreis-Spule, die im Raum über der Sensorfläche ein magnetisches HF-Feld erzeugt. Leitfähige Gegenstände im Ausbreitungsbereich dieses Feldes bewirken infolge induzierter Wirbelströme Verluste, welche die Arbeitsbedingungen des Oszillators verändern. Die nachgeschaltete Elektronik stellt diese Veränderung fest und wertet sie aus.

Technische Daten