Multi-Sensor Core Logging System

Das Mul­ti-Sen­sor Core Log­ging Sys­tem (MS­CLS) ist ein Ge­rät zur au­to­ma­ti­sier­ten und qua­li­täts­ge­si­cher­ten Er­fas­sung phy­si­ka­li­scher Ei­gen­schaf­ten von Kern­pro­ben.

Das MSCLS wurde am Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM) entwickelt und eignet sich besonders gut zur Messung und Analyse von Sedimentproben und Bohrmaterial, welches sich in Vollkernen, Halbschalen oder auf individuellem Trägermaterial positionieren lässt. Im Gegensatz zu allen anderen auf dem Markt verfügbaren Logger-Systemen, wird beim MSCLS das Probenmaterial nicht im Push-Betrieb hintereinander an einer Reihe von Sensoren vorbeigeführt, sondern jedes Messobjekt wird einzeln und ganz individuell in bidirektionaler Richtung transportiert (Single-Objekt-Measurement-System). Alle verbauten Sensoren erfassen dabei gleichzeitig ihre Daten und zeigen diese in Echtzeit an. Zwei Lasermesssysteme sorgen für eine kontinuierlich und präzise Positionierung der Kernproben und überwachen zusätzlich den reibungslosen Bewegungsablauf. Verschiedene Sensordurchmesser erlauben die Vermessung von Bohr- und Sedimentkernen mit einem Durchmesser von 50 bis 150 mm, die in Abschnitte von bis zu 1.800 mm Länge geschnitten wurden. Durch die V-förmig und flach angeordneten Antriebsriemen, zentriert sich das Probenmaterial automatisch. Ein größerer Umbau beim Wechsel verschiedener Kerndurchmesser ist somit nicht notwendig, was das System noch effizienter macht. 4 synchronisierte Servomotoren können Sedimentkerne bis zu einem Gewicht von 30 Kg und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 cm/s sicher und präzise transportieren. Dadurch ist das System wesentlich schneller, als alle bisherigen sich auf dem Markt befindlichen Systeme dieser Art.

Das MSCLS ist für den mobilen Einsatz auf See oder zum Einsatz im Labor optimiert (keine radioaktive Quelle, korrosionsfrei, lagestabil, steif, an unebenen Boden adaptierbar, einfach und schnell zu installieren und zu zerlegen). Bei einem Paralleleinsatz von Schwere-, Kolben- und Vibroloten, ist kein Umbau der Transportsysteme für variable Kernquerschnitte erforderlich. Eine für die Messabläufe optimierte LabVIEW-Steuersoftware garantiert schnellen und sicheren Messfortschritt (Vorab-Eingabe von Kern-Metadaten, einfaches Kern-Handling durch Vor- und Rücklauf, permanente Laser-Positionskontrolle, Anzeigen für Mess- und Datenstatus, flexibler, auf Einzelsegmenten basierender Messablauf). Das Daten-Processing generiert Exportformate in ASCII-Format.

Das MSCLS wird seit 2016 auf Expeditionen und bei Landarbeiten zur hochauflösenden zerstörungsfreien Messung sedimentphysikalischer Eigenschaften an geschlossenen oder geöffneten Kernen eingesetzt. Die Sensoren für magnetische Suszeptibilität und elektrische Leitfähigkeit liefern aussagekräftige und komplementäre Lithologs für Kernsprache und Stratigraphie, die häufig schon wenige Stunden nach Kernnahme fertig vorliegen. Diese Loggingdaten sind für viele Wissenschaftler und Anwender von großem Nutzen, da sie schnell eine Einschätzung von Alter und Qualität der gewonnenen Kerne gestatten. Kernlogs und -scans werden vollständig reproduziert und beschrieben. Sie sind ein maßgebliches Auswahlkriterium für spätere detaillierte Kernstudien. Suszeptibilitätslogs geben klimabedingte Lithologiewechsel besonders prägnant wieder und werden daher für die Kernansprache und zur zyklostratigraphischen Korrelation von Kernen genutzt. Die elektrische Leitfähigkeit bietet unabhängige, auch bei diagenetisch alterierten Kernen stratigraphisch nutzbare Signale und liefert über Archie’s Formel Näherungswerte für die Porosität (für die Geochemie und Sedimentologie) und Dichte. Diese nutzt u.a. die Seismik zur Bestimmung der akustischen Impedanz für synthetische Seismogramme. Das System stellt einheitliche Kalibrierungen und ein aufwendiges Postprocessing sicher, sodass sämtliche Daten quantitativ vergleichbar sind und bis nahe an die Segmentgrenzen fast keine Artefakte und Datenlücken aufweisen, was beim Standardverfahren anderer Logger-Hersteller nicht möglich ist.

Sensorik (berührungslos und zerstörungsfrei):

• Messung des elektrischen Widerstands:
  • Sensor: Non-contact resistivity (NCR) V2 - 2015
    • Hersteller: Geotek Limited UK (Dieser Sensor wurde in Zusammenarbeit mit dem British Geological Survey und der Universität von Leicester entwickelt)
    • Auflösung: 0,1 bis 10 Ohm-Meter
  • Steuer- und Messelektronik:
    • Hersteller: National Instruments / MARUM
    • Auflösung: 16 bit DAQ 250.000 S/s

• Messung der magnetische Suszeptibilität:
  • Sensoren: MS2C Kernlogging Sensor
    
    • Hersteller: Bartington Instruments Ltd.
    • Innendurchmesser der Sensoren: 140 mm und 85 mm
    • Arbeitsfrequenz: 0.565 kHz
    • Drift bei Raumtemperatur: <2 x 10-5 SI (vol) in 10 minutes
  • Steuereinheit: MS3
    • Hersteller: Bartington Instruments Ltd.
    • Maximale Auflösung: 2x10^-6 SI (2 x10^-7 CGS)
    • Range: 26 SI (volumenspezifisch)
    • Messzeit: frei wählbar - 0,1 s minimum

• Messung der Probentemperatur
  • Sensor: Kontaktloser IR-Temperatursensor
    
    • Auflösung 16 bit
    • Messbereich -18 – 200°C
    • Aktualisierungsrate: 10 S/s
    • Gehäuse: Edelstahl IP65-geschützt

Grundmaße:

• Die Grundfläche des Systems beträgt in der Länge 4,2 Meter, in der Breite 0,6 Meter

Messgeschwindigkeit:

• Die Messgeschwindigkeit bei einer typischen Messauslösung von 1 cm beträgt 15 Minuten pro Kernmeter

Software:

• Vollautomatische Erfassung und Steuerung aller Sensoren und Antriebe
• Überwachung des Messablaufs
• Ausgabe aller erfassten Mess- und prozessierten Messwerte incl. der Rohdaten
• Protokollierung aller Messschritte und Speicherung
• 1-Klick Auswertung erfasster Messwerte
• Konfigurierbar dank editierbarer Initialisierungsdatei in Klartext
• Erweiterbar, dank quelloffener LabVIEW Software

Erweiterbarkeit:

• Beliebige Aktoren und Sensoren mit folgenden Schnittstellen:
  • RS 232/485
  • Analog Signale bis ± 10 V
  • Echtzeit EtherCat (Ethernet for Control Automation Technology)
  • Ethernet