Wissens-Zwinker: Sole Wasser Konzentrationsmessung – DLO Dichtesensor

Jahrgang 2 | Nummer 2

Warum dieser Test?

Bei Messungen in Bohrlöcher zur Salzgewinnung, stellt die Konzentrationsmessung ein grösseres Problem dar. Bei gesättigter Sole kommt es schon bei geringen Veränderungen im Prozess zu Salzablagerungen, welche über Kurz oder Lang zu einem Ausfall von jedem Messgerät führt. Mit diesem Test wollten wir zeigen, dass es möglich ist, die Konzentration von Sole mit unserem DLO zu messen

Was ist ein Wissens-Zwinker?

Kennen Sie das Bedürfnis manchmal schnell etwas zu messen, zu zeichnen oder zu basteln? Dabei zählt die Geschwindigkeit bis zum Resultat mehr als die perfekte (wissenschaftliche) Herangehensweise. Aus diesem Grund haben wir bei uns einen Wissens-Zwinker eingeführt. Sozusagen Wissenschaft mit einem Augenzwinkern. Dabei wollen wir nicht wissenschaftlich etwas beweisen, sondern schnell etwas pragmatisch aufzeigen Bei Interesse vertiefen wir diese Ergebnisse gerne mit Ihnen und Ihrem Projekt.

Welche Flüssigkeiten wurden verwendet?

Sole-Wasser mit verschiedenen Konzentrationen:

  • 26% Sole
  • 15% Sole

Dichtemessung

Die Messung der Dichte wurde mit dem DLO-M1 Dichtesensor für Flüssigkeiten durchgeführt. Dazu wurde der Sensor jeweils mit den aufgeführten Konzentrationen bei konstantem Durchfluss durchströmt. Mittels Protokollfunktion wurde pro Sekunde ein Messwert für Dichte und Temperatur geloggt.

Sole (26.1%)

1197.109 kg/m³

bei 20 °C, 1.01325 bar abs

Sole (15%)

1108.9 kg/m³

bei 20 °C, 1.01325 bar abs

Der TrueDyne-Sensor

Der DLO-M1 Dichtesensor misst die Dichte eines Fluides in einem mikroelektromechanischen System (MEMS-System). Der Messstoff wird im Sensor über ein Druckgefälle zum sogenannten Omega-Chip geleitet, der einen omegaförmigen Mikrokanal enthält. Dieses vibronische Messsystem generiert die Messwerte, indem ein Siliziumrohr im Chip in resonante Schwingung versetzt und diese analysiert wird. Denn die Schwingungsgüte hängt von der Viskosität der Flüssigkeit im Mikrokanal ab. Gleichzeitig – und unabhängig von der Viskosität – lässt sich über die Frequenz des Mikrokanals die Dichte des Messstoffes bestimmen. Da die Temperatur sowohl Viskosität als auch Dichte beeinflusst, wird im Chip auch die Temperatur des Messstoffes in Echtzeit erfasst. So kann der Temperatureffekt ausgeglichen werden.

TrueDyne_DLO-M1_VLO-M1_rechts
DLO Dichtesensor für Flüssigkeiten

Das Messsystem in Submillimetergrösse ermöglicht den kompakten Bau des Sensors. Er ist lediglich 80 x 30 x 15 mm³ klein und findet so auch bei engen Verhältnissen Platz.  Die Messwerte gelangen über eine RS232-Schnittstelle und im ASCII-Befehlsprotokoll im TrueDyne Sensors-Standard an das übergeordnete System.

Prüfaufbau

  • Bestimmung der Dichte bei 20°C mit Labor-Dichtemessgerät DSA 5000 M (Anton Paar)
  • Einsetzen des Dichtesensors in den Messaufbau gemäss Bild
  • Rundlaufsystem mit Pumpe aufgebaut zur Messung von Sole Konzentration

Messaufbau

  1. Ausgangsstoffe: NaCi und Wasser
  2. Flasche: NaCi-Wasser mit unterschiedlichen Konzentrationen
  3. Schlauchpumpe (Ismatec, ISM930C)
  4. DLO Dichtesensor
  5. Datenauswertung
  6. Rückführung des Mediums
Messaufbau: VLO-Sensor | Ethlenglycol-Wasser
Abbildung 1 – Messaufbau

Ergebnisse

Nach kurzer Zeit hat auch bei unserem Sensor die gesättigte Sole zu Drifts geführt (Abbildung 2). Dies ist für eine kontinuierliche Messung natürlich keine befriedigende Lösung. Aufgrund des geringen Messvolumens in unserem unseren Sensor kam uns die passende Idee: Wir verdünnen die Sole mit reinem Wasser und rechnen danach zurück auf das Gesamtvolumen. Der Durchfluss wird dabei mit unseren eigenen Coriolis Sensoren für kleinste Durchflüsse gemessen bzw. geregelt. Bei einer Reduktion des Salzgehalts <15% konnten die anfänglichen Drifts eliminiert werden, was eine kontinuierliche Messung ermöglicht (Abbildung 3).

Grafik_Sole_NaCI 26 %_Wissenszwinker
Abbildung 2 – Messergebnis NaCi 26%, gemessen während 3 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)
Grafik_Sole_NaCi-15 %_Wissenszwinker
Abbildung 3 – Messergebnis NaCi 15%, gemessen während 3 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)

Wie kann dies nun in der Praxis umgesetzt werden. Wird der Durchfluss der Zufuhr vom Frischwasser, sowie das Gesamtvolumen am Ausgang gemessen, kann anhand einer linearen Funktion die Konzentration sehr genau bestimmt werden (Abbildung 4). Aufgrund des geringeren Salzgehaltes kommt es auch nicht mehr zu Drifts, was eine Langzeitmessung im Feld ermöglicht. Die leichte Abweichung in Abbildung 4 ist auf den Messaufbau zurückzuführen. Dadurch konnte über den langen Messzeitraum Wasser verdampfen, (weshalb der Anteil an NaCl in der Konzentration zunimmt).

Grafik_Sole_NaCi-15-Langzeit_Wissenszwinker
Abbildung 4 – Messergebnis NaCi 15%, gemessen während 158 Stunden (Achsen: Y = Konzentration / X = Zeit)

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