Laagdrempelig diepzeeonderzoek

Mogelijk door een piëzo-resistive druktransducers

Op de campus van de TU in Delft werkt een groep enthousiastelingen bij Lobster Robotics aan de ontwikkeling van een diepzeerobot, een robot die het toegankelijk maken van de diepzee veel eenvoudiger en goedkoper moet maken. Een belangrijke taak daarbij is weggelegd voor een druksensor van KELLER Pressure Sensors.

Niet gehinderd door overdreven veel ervaring met onderwaterrobots startte het team van Lobster Robotics vanaf nul met de vragen wat moet de robot kunnen en wat is daar voor nodig. Hieruit volgde de vertaling naar componentenniveau. Voor de druksensor waren ze daar snel uit, dat moest een betaalbare sensor zijn waarmee je tot 600 bar kunt meten of ook wel geschikt moet zijn om tot 6 km diepte te gaan. Hiermee is de robot geschikt voor 99% van al het water op aarde.

Zo simpel mogelijk
Het uitgangspunt van de ontwikkelaars was om een zo simpel en goedkoop mogelijke robot te maken om zo diepzeeonderzoek enorm toegankelijk te maken. Het gebruikelijke principe van een onderwaterrobot is een torpedovorm aangedreven door propellers. Daarmee kun je de robot alleen sturen als hij beweegt. Wat het team voor ogen had, is meer een robot volgens het principe van een quadcopter, zodat je in alle richtingen kunt manoeuvreren, ongeacht de beweging. Voor het uiteindelijke concept hebben ze een mix gemaakt van een quadcopter en een torpedo.

Er werd gestart bij de basisbenodigdheden; een batterij, een computer, camera, licht, propellers en een druksensor om de diepte te kunnen meten. De camera bleek een flinke uitdaging, maar als je die zo klein mogelijk maakt, heb je minder volume binnen de drukbehuizing nodig. Bepaalde types batterijen zijn van zichzelf al drukbestendig en ook een computer kun je zonder luchtgevulde ruimtes construeren. Als behuizing gebruikten ze een stuk pvc-pijp gevuld met olie. Het resultaat is de Lobster die al relatief eenvoudig grootschalig onderzoek kan doen naar ecosystemen. Met de huidige onderwaterrobots is dat veel te kostbaar. De Lobster kan minder dan de huidige robots, maar is daardoor veel betaalbaarder. Het is als een Zwitsers zakmes versus en een aardappelschilmesje. Welke gebruik je liever om aardappels te schillen?

Diepzeeuitdagingen
Om heel diep te kunnen duiken, zijn er de nodige beperkingen. Zo moet de sensortechniek compressievrij zijn en omdat GPS niet werkt onder water is voor het navigeren complexe software nodig die als het ware zelf een onderwaterkaart maakt. De hardware is heel simpel terwijl daarentegen de software juist heel complex is. 
De toegepaste druksensor is een KELLER Serie 8HP. Hierbij staat HP voor High Pressure, een aanduiding voor sensoren met een verstevigde behuizing voor hoge drukken. De sensor is voorzien van een mathematisch model. Dat betekent dat Keller de sensor op diverse temperaturen een drukcyclus van 0 tot 100% laat ondergaan waarbij alle afwijkingen vastgelegd worden. Dit resulteert in een dataset die uniek is voor die specifieke sensor. Deze gegevens worden vervolgens in de software geïmplementeerd en verrekend met de meetwaarden. De software gebruikt deze data dus als een soort opzoektabel waardoor voor een bepaalde druk/temperatuurcombinatie de juiste waarden als meetresultaat wordt gebruikt. Hiermee wordt de nauwkeurigheid tot in het hoogst haalbare geoptimaliseerd. Keller is één van de weinige fabrikanten die dit soort maatwerk ook voor kleine oplages levert.
De Serie 8HP is ondertussen niet meer leverbaar en vervangen door de Serie 7LHP (afbeelding 1), een sensor die vergelijkbaar, maar minder hoog is. Dit resulteert in een kleiner volume in het sensorhuis, een volume dat gevuld is met olie. Door het kleinere olievolume is de offset kleiner, hetgeen de nauwkeurigheid ten goede komt.
Net als de Serie 8 is ook de Serie 7L een piëzo-resistieve sensor. Het piëzo-resistieve meetprincipe is gebaseerd op een brug van Wheatstone. In afbeelding 2 is deze brug te zien plus daar om heen een tweetal weerstanden die gebruikt worden om op een analoge manier afwijkingen in druk en temperatuur te compenseren. Welke weerstanden en wat daarvan de waarde moet zijn, levert Keller in het bij de sensor horende kalibratierapport dat standaard meegeleverd wordt (afbeelding 3). Wie een hogere nauwkeurigheid wenst, kan ook digitaal de meetafwijkingen compenseren. Keller levert dan het hier voor beschreven mathematische model waarbij de resolutie afhangt van dat wat de klant wenst. Een resolutie van 15 bits is daarbij niet ongebruikelijk.
Bij het Lobster-project is gebruik gemaakt van deze digitale compensatie om zo het onderste uit de kan te halen. Het bepalen van de diepte kan daarmee met een hele hoge nauwkeurigheid plaats vinden.

Tot slot
De gebruikte sensor voor de Lobster is niet alleen klein maar ook afgestemd op de wensen van de klant en voorzien van een kalibratierapport. Dit doet KELLER niet alleen voor klanten die grote aantallen willen, maar ook voor projecten waarvoor slechts één sensor noodzakelijk is. Hiermee is Keller redelijk uniek in de markt.