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Organisationseinheit der BAM
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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.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Länge hinsichtlich der Sicherheit, Verfügbarkeit und Instandhaltung in Anlagen besonders relevant. Große Fördermengen führen dazu, dass auch kleinste Leckagen hohe Umweltbelastungen verursachen können. Die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen am Rohr (z.B. Risse, Pittings, Ablagerungen) ist daher erforderlich. In vielen Fällen ist jedoch die Ausstattung einer Rohrleitung mit einer großen Zahl diskreter Sensoren nicht möglich oder sinnvoll.
Die Verfahren der verteilten faseroptischen Sensorik ermöglichen den Einsatz einer einzigen optischen Faser, die gleichzeitig als örtlich kontinuierlicher Sensor sowie zur Signalübertragung genutzt wird, so dass mit vergleichsweise geringem Installationsaufwand sehr ausgedehnte Strukturen mit Sensoren ausgestattet werden können. Im Monitoring von Öl- und Gaspipelines befindet sich daher die verteilte faseroptische Sensorik derzeit im Aufwind. Neben den Verfahren zur Messung von Temperatur und Dehnung ist zuletzt speziell die verteilte faseroptische akustische Sensorik (distributed acoustic sensing, DAS) in den Vordergrund gerückt, da sie u.a. mechanische Einwirkungen Dritter auf die Pipeline (Annäherung, Graben, Manipulation) erfassen kann.
Das Potential von DAS zur kontinuierlichen Zustandsüberwachung einer Rohrleitung durch die Erkennung und Ortung von Schallereignissen, die auf eine Schädigung schließen lassen, wird derzeit im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsprojektes an der BAM untersucht. Zur Qualifizierung der Methode in diesem Anwendungsbereich werden insbesondere Fragestellungen zur Sensorapplikation in Hinblick auf optimale Signalübertragung und Praktikabilität sowie zur Sensitivität des Messsystems und auch der Erfassung und Erkennung der relevanten Schallsignaturen bearbeitet.
In Hinblick auf die Detektion von akustischen Signalen und Vibrationen an und in Rohrleitungen mittels verteilter faseroptischer Sensorik steht die Entwicklung einer Applikationsmethode im Fokus, die eine optimale Signalübertragung auf die faseroptischen Sensoren unter realen Bedingungen gewährleistet. Ein weiterer Schwerpunkt ist auch die Datenerfassung und Analyse. Hierzu gehören eine Sensitivitätsanalyse des gesamten Messsystems und die Ermittlung und Klassifizierung der Schallsignaturen spezifischer Schadensbilder. Aufgebaut wird dabei auf Erfahrungen aus Schallemissionsmessungen an Werkstoffproben und Bauteilen zum Nachweis von aktiven Schädigungsprozessen (z.B. Risswachstum) oder passiven Schädigungen (z.B. Muldenkorrosion in durchströmten Leitungen).
Im Vortrag wird eine kurze Einführung in die verteilte faseroptische Sensorik, speziell die verteilte akustische Sensorik (Distributed Acoustic Sensing, DAS) und in den Stand der Technik beim faseroptischen Pipeline-Monitoring gegeben. Anhand erster Laborversuche im Themenfeldprojekt AGIFAMOR werden die Sensorapplikation sowie die gemessenen Signale erläutert. Abschließend wird ein Ausblick auf weitere im Projekt geplante Untersuchungen gegeben.