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Organisationseinheit der BAM
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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (2)
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- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
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Distributed acoustic sensing (DAS) over tens of kilometers of fiber optic cables is well-suited for monitoring extended railway infrastructures. As DAS produces large, noisy datasets, it is important to optimize algorithms for precise tracking of train position, speed, and the number of train cars, The purpose of this study is to compare different data analysis strategies and the resulting parameter uncertainties. We present data of an ICE 4 train of the Deutsche Bahn AG, which was recorded with a commercial DAS system. We localize the train signal in the data either along the temporal or spatial direction, and a similar velocity standard deviation of less than 5 km/h for a train moving at 160 km/h is found for both analysis methods, The data can be further enhanced by peak finding as well as faster and more flexible neural network algorithms. Then, individual noise peaks due to bogie clusters become visible and individual train cars can be counted. From the time between bogie signals, the velocity can also be determined with a lower standard deviation of 0.8 km/h, The analysis methods presented here will help to establish routines for near real-time Train tracking and train integrity analysis.
Die verbesserte Signal- und Warnwirkung fluoreszierender Materialien gewinnt in vielen Bereichen zunehmend an Bedeutung, so z.B. für Warn- und Schutzkleidung, Schulranzen und Verkehrsschilder. Gleichzeitig führt der Trend zu LED-Beleuchtung in Innenräumen und auch im Straßenverkehr zu einer Diversifikation der spektralen Verteilung, welche die Fluoreszenz anregt.
Ein weiteres Beispiel hierfür ist die Verwendung fluoreszierender Farbstoffe in der zerstörungsfreien Prüfung von Werkstoffen. Sowohl bei der fluoreszierenden Eindringprüfung als auch der Magnetpulverprüfung werden Risse durch fluoreszierende Farbstoffe optisch angezeigt.
Beide Verfahren beruhen entsprechend der Stokesschen Regel auf der Energieverschiebung im Spektrum fluoreszierender Materialien gegenüber dem Anregungsspektrum hin zu größeren Wellenlängen, so dass das fluoreszierte Licht vom reflektierten Anregungslicht unterschieden werden kann. Auch hier kommt zunehmend LED-Technik zum Einsatz, wobei die Anregung im UV-, in letzter Zeit auch im blauen Spektralbereich erfolgt.
Um die Erfüllung sicherheitstechnischer Normen zu gewährleisten, muss die Charakterisierung der spektralen und integraloptischen Eigenschaften fluoreszierender Substanzen unter Berücksichtigung verschiedenster anregender Lichtarten erfolgen. Nur die bispektrale 2-Monochromatoren-Methode (2MM) liefert eine bestrahlungsunabhängige materialcharakteristische Größe, die sogenannte Donaldson-Matrix, aus welcher die Reflexions- und Fluoreszenzstrahldichtefaktoren sowie Anregungsspektren und Farbmaßzahlen für beliebige spektrale Verteilungen der Bestrahlung bzw. Normlichtarten und unterschiedliche Normalbeobachter hervorgehen.
Bei der 2MM wird die Probe mit monochromatischer Strahlung beleuchtet und das erzeugte Emissionsspektrum für jede Anregungswellenlänge gemessen. Der modernisierte bispektrale Messplatz in der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) erlaubt u.a. den Einsatz eines Arrayspektrometers anstelle des Detektionsmonochromators, so dass die Messzeit erheblich reduziert wird.
Zusätzlich steht in der BAM ein Spektroradiometer (OL 750, Optronic Laboratories, Inc.) zur Verfügung, mit dem die spektrale Bestrahlungsstärke verschiedener Leuchtmittel erfasst werden kann. Zusammen mit der durch die 2MM bestimmten Donaldson-Matrix kann so die Signalwirkung z.B. eines Fluoreszenzfarbstoffes für die Rissdetektion in Materialien unter diesen bestimmten Beleuchtungsbedingungen bewertet werden.
Im Beitrag wird dieses Zusammenspiel beispielhaft für verschiedene fluoreszierende Rissprüfmittel und Anregungslichtquellen diskutiert.
Die verbesserte Sichtbarkeit fluoreszierender Materialien erhöht die Sicherheit in vielen Bereichen. Mit der 2-Monochromatoren-Methode können diese bestrahlungsunabhängig charakterisiert werden. In Hinblick auf einen Einsatz im Prüflabor (DIN EN ISO/IEC 17025) werden Vergleichsmessungen mit dem modernisierten Messplatz der BAM unter Nutzung eines Arrayspektrometers präsentiert.
Industrial piping systems are particularly relevant to public safety and the continuous availability of infrastructure. However, condition monitoring systems based on many discrete sensors are generally not well-suited for widespread piping systems due to considerable installation effort, while use of distributed fibre-optic sensors would reduce this effort to a minimum. Specifically distributed acoustic sensing (DAS) is employed for detection of third-party threats and leaks in oil and gas pipelines in recent years and can in principle also be applied to industrial plants. Further possible detection routes amenable by DAS that could identify damage prior to emission of medium are subject of a current project at BAM, which aims at qualifying distributed fibre optic methods such as DAS as a means for spatially continuous monitoring of industrial piping systems. Here, first tests on a short pipe are presented, where optical fibres were applied directly to the surface. An artificial signal was used to define suitable parameters of the measurement system and compare different ways of applying the sensor.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Pipe integrity is a central concern regarding technical safety, availability, and environmental compliance of industrial plants and pipelines. A condition monitoring system that detects and localizes threats in pipes prior to occurrence of actual structural failure, e.g., leakages, especially needs to target transient events such as impacts on the pipe wall or pressure waves travelling through the medium. In the present work, it is shown that fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) in conjunction with a suitable application geometry of the optical fiber sensor allows to track propagating acoustic waves in the pipeline wall on a fast time-scale. Therefore, short impacts on the pipe may be localized with high fidelity. Moreover, different acoustic modes are identified, and their respective group velocities are in good agreement with theoretical predications. In another set of experiments modeling realistic damage scenarios, we demonstrate that pressure waves following explosions of different gas mixtures in pipes can be observed. Velocities are verified by local piezoelectric pressure transducers. Due to the fully distributed nature of the fiber-optic sensing system, it is possible to record accelerated motions in detail. Therefore, in addition to detection and localization of threatening events for infrastructure monitoring, DAS may provide a powerful tool to study the development of gas explosions in pipes, e.g., investigation of deflagration-to-detonation-transitions (DDT).