Optischer Sensor misst den Druck in einem Bohrloch

| Autor / Redakteur: Mit Material von FBGS Technologies / Hendrik Härter

Im rauen Umfeld einer Ölplattform kommen die faseroptischen Sensoren von FBGS zum Einsatz. Im Vergleich zu elektrischen Sensoren bieten sie einen wesentlichen Vorteil: Sie sind vollständig passiv.
Im rauen Umfeld einer Ölplattform kommen die faseroptischen Sensoren von FBGS zum Einsatz. Im Vergleich zu elektrischen Sensoren bieten sie einen wesentlichen Vorteil: Sie sind vollständig passiv. (Bild: gemeinfrei / CC0)

Auf Basis des Faser-Bragg-Gitters (FBG) haben Entwickler einen speziellen optischen Sensor entwickelt, der sehr präzise Drücke in der Öl- und Gasindustrie messen soll.

Auf Basis des Faser-Bragg-Gitters (FBG) hat das Unternehmen FBGS Technologies aus Jena einen faseroptischen Sensor entwickelt, der in eine besondere mikrostrukturierte Faser eingeschrieben ist. Mit dem Sensor lassen sich gleichzeitig die Parameter Druck und Temperatur erfassen. Zudem ist der Sensor in einem speziell konstruierten Gehäuse untergebracht, damit er auch in rauen Umgebungen eingesetzt werden kann. Beispielsweise in der Öl- und Gasindustrie.

Hintergrund: Aktuell werden Drücke in einem Bohrloch noch von quarzbasierten elektrischen Sensoren dominiert. Diese Sensoren brauchen elektrische Komponenten, die in der Lage sein müssen, den Bohrloch-Temperaturen zu widerstehen. Gleichzeitig wird die Lebensdauer der Komponenten deutlich begrenzt, wenn die Bohrloch-Temperatur ansteigt. Außerdem sind solche Sensoren ungenau, wenn es um Druckmessungen bei Temperaturschwankungen geht. Beispielsweise kann es bei einem plötzlichen Temperaturanstieg zwischen 25 und 140 °C etwa zehn Minuten dauern, bis der Sensor die erforderliche Genauigkeit erreicht. Weitere bekanntere Nachteile von elektrischen Sensoren im Allgemeinen sind EM-Störungen, Zündquellen in explosiven Umgebungen und geringe Multiplexfähigkeit.

Optische versus elektrische Sensorik

Die Hauptvorteile der optischen Sensorik im Vergleich zur elektrischen Sensorik liegen auf der Hand: Sie ist vollständig passiv, es fließt keine elektrische Energie auf der Sensorseite, und Anwender müssen keine Einschränkungen bei der Lebensdauer hinnehmen. Als Beispiele für mögliche Einschränkungen seien genannt: Verschleiß der elektrischen Komponenten, Immunität gegen EM-Interferenz, Explosionssicherheit, kleine Abmessungen und hohe Multiplexfähigkeit.

Faser-Bragg-Gitter (FBG) sind Reflektoren, die in optische Glasfasern eingeschrieben sind. Wellenlängen innerhalb der Resonanz um die Bragg-Wellenlänge λB werden reflektiert. Solche FBGs werden durch interferometrische Laserbelichtung in den Faserkern geschrieben und sind hauptsächlich empfindlich gegenüber Temperatur und Längsdehnung. Wenn beispielsweise die Faser gestreckt oder komprimiert wird, ändert sich die Wellenlänge des FBGs. Das liegt im Wesentlichen daran, dass eine Verformung des optischen Wellenleiters eine Änderung der Gitterperiode und daher der Bragg-Wellenlänge verursacht. Zusätzlich ändert sich aufgrund des thermo-optischen Effektes der Brechungsindex des Quarzglases als Funktion der Temperatur. Das ist der Hauptfaktor für die Änderung der Bragg-Wellenlänge bei Temperaturschwankungen.

Ein weiterer Beitrag ist die thermische Ausdehnung, welche die Gitterperiode verändert. Dieser Effekt ist jedoch vernachlässigbar, da Quarzglas nur einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Standard-FBGs sind auch etwas empfindlich gegenüber hydrostatischem Druck, aber dieser Effekt ist typischerweise sehr klein und wird oft ignoriert. Die Empfindlichkeit von FBG-Sensoren gegenüber Zug und Temperatur verursacht eine Querempfindlichkeit, die in den meisten Fällen nicht erwünscht ist. Die Temperatur muss bei Dehnungsmessungen kompensiert werden und umgekehrt. FBGs können auch verwendet werden, um andere physikalische Parameter wie Druck zu messen. Im Allgemeinen benötigt das FBG einen dedizierten Transduktionsmechanismus, um den zu messenden Parameter in Dehnung umzuwandeln.

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Druck in Spannung umwandeln

Eine Besonderheit des entwickelten Sensors ist die interne Mikrostruktur in der Lichtleitfaser, die das FBG druckempfindlich macht, praktisch ohne Temperatur-Druck-Querempfindlichkeit. Somit kann der Sensor in gewisser Weise angesehen werden, als ob er einen intrinsischen Transduktionsmechanismus aufweist, um Druck in Spannung umzuwandeln, ohne durch Temperaturänderungen beeinflusst zu werden. Mikrostrukturierte Fasern sind Fasern, die eine innere Struktur von Luftkanälen aufweisen. Durch Einsatz eines asymmetrischen Musters von Luftlöchern ist es möglich, die Faser doppelbrechend zu gestalten und zusätzlich sicherzustellen, dass sich die Doppelbrechung ändert, wenn die Faser unter hydrostatischen Druck gesetzt wird. Die verwendete Faser enthält eine Mikrostruktur, die in ihrem Querschnitt einem Schmetterling ähnelt. Das Design der Faser wurde von der Universität Brüssel (Vrije Universiteit Brussel) entwickelt und patentiert.

Aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaft des Sensor mit der Bezeichnung Mikrostruktur-FBG oder kurz MS-FBG reflektiert das FBG zwei Bragg-Wellenlängen, die den orthogonal polarisierten, geführten Moden entsprechen. Die spektrale Trennung der Peaks hängt von der Doppelbrechung ab. Durch Ändern des Drucks ändert sich die Doppelbrechung und damit die Peak-Trennung. Eine Änderung der Temperatur andererseits verschiebt beide Peaks um einem ähnlichen Betrag zu höheren oder niedrigeren Wellenlängen.

Auf diese Weise kann verstanden werden, dass die Peaktrennung Δλ praktisch unempfindlich gegenüber Temperatur und Längsdehnung ist. Eine typische Empfindlichkeit von 3,3 pm/bar können für die Peaktrennung bei Drücken bis 700 bar erreicht werden. Die Temperaturempfindlichkeit der absoluten Peakpositionen ist ähnlich wie für reguläre FBGs und liegt typischerweise im Bereich von 10 pm/ °C. Die verbleibende Temperatur-Druck-Querempfindlichkeit der Peaktrennung ist typischerweise kleiner als 0,01 bar/ °C. In der Bildergalerie sind zwei Bilder, die typische Daten von Druckkalibrierungen zwischen 0 und 700 bar für drei verschiedene Temperaturen sowie die Rohwellenlängen für beide Polarisationsrichtungen zeigen.

Monolithisches Design des Sensors

Aufgrund des monolithischen MS-FBG Sensordesigns eignet sich der Sensor in rauen Umgebungen. Nötig ist ein Gehäuse, das die optische Faser mechanisch und vor korrosiven Fluiden in dem Bohrloch schützt. Das für den Sensor verantwortliche Unternehmen FBGS hat ein zum Patent angemeldetes Gehäuse zum Schutz der Faser entwickelt, bei der die Faser in Kontakt mit dem externen Bohrlochdruck gehalten wird.

Die Faser wird spannungsfrei in ein Metallgehäuse eingeführt, das mit einem inneren Fluid (Silikonöl) gefüllt ist und mit einem gesinterten porösen Metallfilter verschlossen wird. Die Funktion des Metallfilters besteht darin, den Bohrlochdruck auf das innere Fluid zu übertragen, während die aggressiven Flüssigkeiten aus dem Bohrlochfluid außerhalb des Sensorgehäuses gehalten werden. Gesintertes Metall, das in Bohrlochanwendungen verwendet wird, ist meistens Inconel. Bei der optischen Verbindung schließt der Sensor an eine Hochtemperatur- und Hochdruckdichtung an, die Leckagen von dem Sensorgehäuse zu der Oberfläche über das Leitungskabel vermeidet.

Die Faser mit Druckdichtung wird zuerst in einer Stahlkapillare montiert. Dieser Teil wird als MS-FBG-Element bezeichnet. Dieses wird wiederum in eine massivere Stahlkammer eingefügt, die Außengehäuse genannt wird. Die Kammer ist mit der inneren Flüssigkeit gefüllt und enthält den Metallfilter zur Druckübertragung. Seine einzigen Funktionen sind

  • das MS-FBG-Element zu halten und zu schützen und
  • den Bohrlochdruck in sein Inneres zu übertragen.

Seine besondere Form und Größe sind nicht wichtig und können daher leicht auf die Bedürfnisse der Anwendung abgestimmt werden. Der eingehäuste MS-FBG-Sensor wurde bereits in einer Testbohrung validiert und die erste echte Bohrloch-Anwendung ist derzeit in Vorbereitung. Darüber hinaus werden weitere Anwendungen beim Transport von Öl und Gas umfasst. So soll der Sensor Pipelines und Öltanker überwachen. Aber auch bei der Raffininierung von Erdöl sowie der Verarbeitung und Reinigung von Rohöl und Erdgas soll der Sensor eingesetzt werden können. Ein weiteres Einsatzgebiet für die Sensor-Technik ist es, chemische Reaktoren oder Gasturbinen zu überwachen.

Niedrige Drücke mit einem optischen Sensor messen

Die von FBGS entwickelten faseroptischen Sensoren für Drücke bieten ganz unterschiedliche Vorteile gegenüber elektronisch basierten Sensoren. Gerade mit Blick auf niedrige Drücke kann die Technik übertragen werden. Dazu will FBGS die interne Mikrostruktur weiter verfeinern und optimieren, um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Denkbar wären dann auch medizinische Anwendungen wie in der invasiven Chirurgie.

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