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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.
Bispektrales Messverfahren zur lichtartunabhängigen Charakterisierung fluoreszierender Materialien
(2014)
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.
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).
Here we present the BAM-project AGIFAMOR - Application of distributed acoustic and fibre optic sensors for continuous monitoring of pipes. Special attention is paid to the optimal application of the fibre optic sensor for achieving high sensitivity towards acoustic signals. First results of real scale bending tests are presented, where cracks developing in the pipe material were initialized and analyzed with respect to their acoustic characteristics.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
In der Prozessindustrie werden häufig gefährliche Stoffe eingesetzt, so dass auch kleinste Leckagen der medienführenden Anlagenteile zu Gefährdungen der Arbeitnehmer sowie zur Belastung der Umwelt führen können. Für die Gewährleistung einer dauerhaften Verfügbarkeit der Infrastruktur ist die frühzeitige Erkennung und Ortung von potentiell gefährlichen Veränderungen an den Wandungen von Rohrleitungen und Behältern (in Form von Rissen, Pittings und Ablagerungen) erforderlich. Am Beispiel von Rohrleitungen, sollen im Rahmen des Projekts AGIFAMOR an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), im Sinne einer Machbarkeitsstudie die Verfahren der verteilten akustischen und faseroptischen Sensorik zur kontinuierlichen Überwachung und Detektion potentiell gefährlicher Veränderungen in Industrieanlagen erprobt und qualifiziert werden. Dabei sollen die Applikation der optischen Sensorfasern hinsichtlich der Signalübertragung auf den Sensor optimiert und die Erkennung der für dieses Anwendungsgebiet relevanten Schallsignaturen entwickelt werden. Mithilfe eines solchen Messsystems können mit geringem Aufwand ausgedehnte Strukturen, auch unter erschwerten Bedingungen (z.B. hohe Temperatur, Einfluss von Chemikalien) kontinuierlich überwacht werden.
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.