MONITOROWANIE DNA MORSKIEGO - SUBTELNE ROZRÓŻNIENIE
Monitorowanie dna morskiego odgrywa kluczową rolę w lepszym zrozumieniu zmian geologicznych, oceanograficznych i klimatycznych. Nowe podejście zastosowane przez Uniwersytet w Bremie umożliwia precyzyjny długoterminowy pomiar ciśnienia na dnie morskim. Centralnym elementem jest tutaj przetwornik ciśnienia opracowany specjalnie do tego celu przez KELLER Pressure.
Wewnątrz naszej planety działają gwałtowne siły, które kształtują góry i całe kontynenty. Przez większość czasu pozostajemy ich nieświadomi. Ale od czasu do czasu stłumione napięcia są nagle uwalniane, powodując trzęsienia ziemi i erupcje wulkanów. Monitorowanie aktywności magmowej i hydrotermalnej w skorupie ziemskiej pomaga naukowcom lepiej zrozumieć te podziemne procesy. Zdobyta w ten sposób wiedza może wyjaśnić szeroki zakres pytań. Zrozumienie ruchów płyt tektonicznych pomaga naukowcom oszacować ryzyko trzęsień ziemi i tsunami oraz analizować cykle życia ekosystemów głębinowych w pobliżu grzbietów śródoceanicznych i wulkanów wyspowych. Dane są również wykorzystywane do oceny skutków zmian klimatycznych, takich jak zmiany poziomu mórz i prądów oceanicznych, a także do monitorowania podmorskich operacji wydobycia surowców.
An earthquake with a subsequent tsunami brings death and devastation (Palu, Indonesia, September 2018)
Kompleksowe monitorowanie wymaga ogromnej ilości danych zebranych przez niezliczone stacje pomiarowe - a nawet danych zebranych z kosmosu. Na lądzie istnieją dobrze przetestowane procesy i gęsta sieć czujników. Jednak większość powierzchni Ziemi pokrywają oceany, co znacznie utrudnia konfigurację i obsługę sprzętu pomiarowego. Z tego powodu dane z głębin morskich są rzadsze i często mniej dokładne. Istnieją jednak inne metody, które mogą być stosowane w oceanach. Na przykład pomiar ciśnienia wody na dnie morskim umożliwia precyzyjne obliczenie odległości do powierzchni oceanu. To z kolei umożliwia określenie niezależnie od pozycji odniesienia, czy dno morskie podniosło się, czy zatonęło w tym konkretnym punkcie.
Dr Hans-Hermann Gennerich jest dobrze zaznajomiony ze zmianami ciśnienia na dnie morskim. Pracuje na Wydziale Nauk Geologicznych Uniwersytetu w Bremie, gdzie jest odpowiedzialny za technologię morską i systemy czujników. Opracował już i przetestował prototypy dwóch urządzeń do pomiaru zmian ciśnienia na dnie morskim. Urządzenia te znane są jako OBP (ocean bottom pressure meters).
DR. HANS-HERMANN GENNERICH
Wydział Nauk Geologicznych
Uniwersytet w Bremie«Dzięki firmie KELLER Pressure znalazłem partnera dysponującego technologią i wiedzą specjalistyczną niezbędną do wdrożenia moich konkretnych wymagań dotyczących czujnika ciśnienia, który może być wykorzystany w moim projekcie.»
W trakcie tych projektów zebrano cenne dane. Istniało jednak również wiele źródeł zakłóceń, takich jak pływy i ogólne falowanie. Niemniej jednak większość z nich można wyeliminować poprzez dokładne dostosowanie powiązanych danych do innych danych pomiarowych z boi i satelitów.
Obserwowalne różnice ciśnienia spowodowane ruchem dna morskiego są miliony razy mniejsze niż panujące ciśnienie otoczenia na głębokości kilku kilometrów pod wodą. Oznacza to, że urządzenie pomiarowe do pomiaru ciśnienia bezwzględnego wymagałoby nierealistycznie doskonałego stopnia stabilności długoterminowej, aby móc odróżnić poszukiwany długoterminowy sygnał pomiarowy od dryfu zerowego. W związku z tym dr Gennerich przyjął inne podejście do następnej generacji urządzeń pomiarowych OBP, rejestrując jedynie zmiany ciśnienia w czasie zamiast pomiaru całego słupa wody nad dnem morskim. Ponieważ dryft zera jest proporcjonalny do całkowitego zakresu pomiarowego czujnika, zakłócenia spowodowane tym czynnikiem można zmniejszyć ponad tysiąckrotnie, stosując tę metodę z niskim zakresem pomiarowym. Dzięki temu długoterminowy sygnał jest jednoznacznie wykrywalny.
Structure of the OBP measuring device with reference tank, differential pressure transmitter and data logger
Nowy prototyp przyrządu pomiarowego został skonstruowany w następujący sposób (patrz rysunek 2): Jedno z przyłączy ciśnieniowych czujnika różnicowego jest połączone bezpośrednio z otaczającym go morzem, podczas gdy drugie prowadzi do zbiornika referencyjnego. Zbiornik może być również otwarty na środowisko zewnętrzne za pomocą zaworu. Podczas zanurzania lub wyciągania OBP zawór pozostaje otwarty, dzięki czemu ciśnienie jest zawsze takie samo po obu stronach, a czuły czujnik nie jest uszkodzony. Gdy sprzęt pomiarowy dotrze do dna morskiego, zawór jest zamykany. Zawartość zbiornika jest teraz utrzymywana pod dokładnie takim samym ciśnieniem jak na początku pomiaru (P1). Jeśli ciśnienie otoczenia (P2) ulegnie zmianie, przetwornik zarejestruje różnicę. Odchylenia ciśnienia w zbiorniku referencyjnym spowodowane rozszerzalnością materiału pod wpływem temperatury są wewnętrznie kompensowane przy użyciu precyzyjnie obliczonej objętości szkła kwarcowego. Dodatkowo mierzona jest temperatura w celu późniejszego matematycznego obliczenia pozostałego odchylenia. Wszystkie dane pomiarowe są rejestrowane za pomocą rejestratora danych. Podczas wykonywania pomiarów, system może zostać ponownie skalibrowany w dowolnym momencie poprzez otwarcie zaworu i ponowny pomiar punktu zerowego. W ten sposób każde przesunięcie sygnału może zostać wykryte i skompensowane później podczas oceny danych. Taka konstrukcja umożliwia pomiar zmian ciśnienia wody na poziomie dna morskiego z najwyższą dokładnością i praktycznie bez niepewności pomiarowych w długich okresach czasu.
Piezorezystancyjne ogniwa pomiarowe, do których ciśnienie jest przykładane po obu stronach, są idealne do tego celu. Przyłożenie ciśnienia do obu stron tej samej membrany kompensuje większość efektu ciśnienia i pozostaje tylko różnica. Dotyczy to zarówno wartości mierzonej, jak i (jednostronnego) odkształcenia membrany krzemowej. Struktura sieci krystalicznej krzemu jest niezwykle odporna na nacisk wywierany równomiernie z obu stron, nawet w przypadku bardzo cienkich ścianek, co jest wymagane w przypadku bardzo czułych komórek pomiarowych.
The inner workings of the differential pressure transmitter
Zaawansowany system pomiarowy prototypu OBP wymaga niezawodnych i precyzyjnych czujników. Przetworniki różnicy ciśnień PD-23 firmy KELLER Pressure spełniają wszystkie wymagania tego zastosowania i dlatego doskonale się do niego nadają. Mierzą one różnicę ciśnień na pojedynczej membranie krzemowej, która jest oddzielona od medium pomiarowego z każdej strony metalową membraną, i przesyłają wynik w postaci skompensowanej temperaturowo i znormalizowanej do rejestratora danych. Na potrzeby tego projektu opracowano projekt dostosowany do potrzeb klienta: Przetwornik został zaprojektowany dla ciśnienia liniowego do 600 barów, co odpowiada głębokości morza 6000 m. Jednocześnie można mierzyć różnice ciśnień z odchyleniem dokładności mniejszym niż jedna tysięczna bara. Specjalnie zaprojektowane do użytku na dnie morskim, wszystkie części mające kontakt z medium są wykonane z Hastelloy C-276, aby zapobiec uszkodzeniom korozyjnym przez słoną wodę morską. Ponadto przyłącza ciśnieniowe można na życzenie rozszerzyć o dwie rurki, dzięki czemu przetwornik idealnie wpasowuje się w całą konstrukcję.
3D CAD illustration of the custom-made differential pressure transmitter
Nowe instrumenty do geologii morskiej zapowiadają się na pełny sukces, w dużej mierze dzięki solidnej współpracy między twórcami czujników a zespołem dr Gennericha z Uniwersytetu w Bremie. My w KELLER Pressure również jesteśmy dumni, że mogliśmy wnieść swój wkład w rozwój nauki. Życzymy dr Gennerichowi i wszystkim innym zaangażowanym badaczom wielu sukcesów w ich przyszłej pracy. Dzięki ich ciężkiej pracy z pewnością wkrótce lepiej zrozumiemy siły elementarne pod nami, a także będziemy w stanie nieco dokładniej przewidzieć ich zachowanie.
