Sandia-Forscher entwickeln Sender für Hochfrequenz

Forscher der Sandia National Laboratories haben einen Sender entwickelt, der zuverlässig bei 170 °C funktioniert und möglicherweise Bohrlochmessungen in Geothermiebrunnen ermöglicht.

Eine Forschungsgruppe des Geothermie-Forschungsprogramms der Sandia National Laboratories hat einen Sender entwickelt, der Messungen in der Hochtemperaturumgebung von Geothermiebrunnen durchführen und diese Daten über eine 5000 Fuß lange Leitung übertragen kann.

Das Sammeln von Daten vor Ort in Geothermiebrunnen ist für die schnelle und genaue Charakterisierung einer Ressource von unschätzbarem Wert. Dies ist jedoch leichter gesagt als getan. Sensoren müssen spezialisiert werden, um unter den Temperatur- und Chemiebedingungen geothermischer Bohrlöcher zu funktionieren. Auch die Länge dieser Bohrlöcher kann eine Herausforderung darstellen, da dies bedeutet, dass die Daten über eine Kabelleitung von mehreren Tausend Fuß Länge übertragen werden müssen.

Diese Studie wurde bereits während der Geothermal Rising Conference 2022 vorgestellt.

Das Forscherteam stellte fest, dass die für Geothermiebrunnen verwendeten Sensoren relativ schwache Signale erzeugen, die nicht zuverlässig über Tausende Meter Kabel übertragen werden können. Die Lösung, die sie fanden, bestand darin, einen Mikrocontroller zu verwenden, der Signale von mehreren Sensoren sammeln und digitale Daten mithilfe von Kommunikationstechniken über lange Kabel übertragen kann.

Für das Projekt wurde ein 32-Bit-Hochtemperatur-Mikrocontroller aus der C2000-Familie von Texas Instruments ausgewählt. Auf Basis dieses Mikrocontrollers wurde auch eine kundenspezifische Leiterplatte (PCB) konstruiert.

Vor diesem Projekt hatte die Geothermie-Abteilung bereits in MATLAB ein Kommunikationsprotokoll entwickelt, um Signale auf langen Kabeln zu erzeugen, mit hervorragenden Ergebnissen über 5000 Fuß Leitung. Allerdings war dies bisher noch nicht auf einem Hochtemperatur-Mikrocontroller umgesetzt. Anschließend wurde der Sendercode von MathWorks aktualisiert und verfeinert, um eine maximale Effizienz des für das Projekt verwendeten Protokolls und der Hardware zu erreichen.

Implementierung und Test

Mit der kundenspezifischen Leiterplatte wurden Testläufe in einem Ofen durchgeführt, wobei der Mikrocontroller Signale über ein 5000 Fuß langes Kabel übertrug. Erste Tests wurden bei 170 °C und höher durchgeführt. Die Daten wurden mit MATLAB nachbearbeitet und als Konstellation visualisiert.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Datenverbindung bei einer Übertragungsrate von 30 Kbit/s bis zu einer Temperatur von 170 °C über 5000 Fuß hochfeste Hochtemperatur-Koaxialkabel erfolgreich funktionierte. Bei höheren Temperaturen verlor der Verstärker an Bedeutung, was zu einem verzerrten Signal führte.

Es wurden auch Tests mit Daten unter Umgehung des Verstärkers und der Kabelleitung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass der Mikrocontroller die Daten bis zu 210 °C noch zuverlässig maß und übermittelte.

Die nächste Phase der Forschung zielt darauf ab, das Design mit einem neuen Mikrocontroller mit einer Nenntemperatur von 300 °C für höhere Temperaturen zu aktualisieren, die Konstellationsgröße zu erhöhen, um die Datenraten zu erhöhen, QAM mit dynamischer Konstellationsgrößenänderung neu zu implementieren, Verstärker/Leitungsverzerrungskorrektur neu zu implementieren, und Fehlerkorrekturen durchführen.

Quelle: MathWorks