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Glass-fibre-reinforced plastics (GFRP) are commonly used for the construction of pressure vessels and tanks for example in automotive and aerospace industries. Especially for pressure vessels used for the storage of natural gas or hydrogen with operation pressures up to 700 bar, an early material fatigue detection is of great interest. Measuring the distributed strain profile of GFRP structures helps to understand and detect material fatigue. In this article, we demonstrate the great potential of swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of pressure vessels made from GFRP. A resin transfer molding (RTM) process was used to manufacture GFRP-tube specimens. Commercial optical fibres with polyimid coating were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. A cyclic load of up to 150 bar was applied to the samples using a servo-hydraulic test bench. Comparing the loaded and unloaded test conditions, we determined up to 2 % elongation in circumferential direction. We demonstrate reliable distributed strain measurements with sub-centimetre spatial resolution. By monitoring these high-resolution strain profiles, we were able to detect local material degradation that manifested itself as localized strain changes. Crucially, the material Degradation could be detected already after 75 % of dat the fatigue life before a crack appeared that led to leakage.
The mechanical stress-strain behaviour of polymer optical fibres (POFs) drawn from various materials was measured, both before and after temperature annealing of the POFs. The POFs were drawn from PMMA (GEHR), Zeonex (480R), PC (Makrolon LED2245) and two different grades of Topas (8007S-04 and 5013S-04). With fibre drawing stresses at or above the elastic (uniaxial extensional) plateau modulus, the polymer chains in the POFs have a high degree of alignment, which has a large impact on fibre mechanical behaviour. The testing was performed at straining rates ranging from 0.011%/s, to 1.1%/s for the un-annealed fibres and a straining rate of 1.1%/s for the annealed ones. The elastic modulus of the tested POFs showed no sensitivity toward variation of straining rate. In the case of Topas 5013S-04 and PMMA, the producer-reported values are the same as the one obtained here for the POFs both before and after annealing. The drawn POFs made of Zeonex, PC, and Topas 8007S-04 exhibit larger elastic modulus than the respective materials in the bulk form. The elastic modulus of these fibres is reduced upon annealing by 10-15%, but still remains above the producer-reported values for the bulk polymers. In the nonlinear elastic region, only the PC POF is statistically unaffected by the changes in the straining rate, while Topas 8007S-04 POF shows insensitivity to the straining rate until 3% strain. All other changes affect the stress-strain curves. The annealing flattens all stress-strain curves, making the fibres more sensitive to yield.
We present a temperature sensor based on a polymer exhibiting a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in aqueous solution encapsulated in a capillary. Parameters are chosen such that the solution exhibits a cloud point in a temperature range of 30° C to 39°C. The characteristic of thermoresponsive polymers with an LCST, is that above that temperature phase separation of the polymer takes place which leads to a temperature-dependent formation of a cloudy suspension. An optical intensity measurement over the desired temperature range is established by an increase of optical attenuation inside the polymer solution caused by a rising temperature. For our purpose, the polymer capillary is connected to transmitter and receiver via a Polymer Optical Fibre (POF). Our intensity measurement is, to the best of our knowledge, a novel method and can be considered simple when compared to existing fibre-based temperature measurement techniques. Due to the lack of electrical components at the probe, this sensor is suitable for measurements in strong electromagnetic fields and environments for which flying sparks are hazardous, i.e., inflammable fluids or gases. Furthermore, all manufactured sensors share the same temperature dependence and, therefore, are well-suited for comparative measurement, e.g., flow measurement systems. With the given temperature range, a body temperature measurement is also suitable.
We present a high-precision fiber-optic temperature sensor based on a polymer possessing a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in aqueous solution encapsulated in a capillary. For a temperature higher than the LCST the transparent homogenous polymer solution changes into a suspension which forms an opaque fluid. The resulting temperature-dependent turbidity influences the transmission characteristics measured using a simple fiber-optic system.
The presented development provides a small-sized, robust temperature sensor, patented by the BAM (patent nr.: EP 3 043 161 B1), easy to integrate in many application fields, especially for process monitoring.
While hydrogen is one of the most promising energy carriers, the safety of hydrogen storage technology remains one of the most important factors for technological and societal approval. While the engineering safety factors of the pressure vessels are kept high, the periodic inspection and the limited lifetime are making the application very costly considering manpower, time, money, and material waste. The development of an integrated structural health monitoring system can allow an easy transition from the current situation to cost-effective predictive maintenance. Hence, we propose to integrate three different SHM systems into hydrogen pressure vessels, namely guided wave ultrasonics, acoustic emission, and fibre optic sensing, to continuously monitor the condition and integrity.
In this work, we evaluated the condition of a Type IV composite overwrapped pressure vessel using ultrasonic guided wave propagation. We mounted fifteen piezo-electric wafers on the composite cylinder by shaping three rings containing five sensors each. We acquired data from the sensor network following different boundary conditions with artificial damages on the selected locations. The data were evaluated with guided wave tomography techniques using ultrasonic features (amplitude, frequency, etc.) as well as artificial intelligence (AI). The results suggest that both traditional guided wave fusion techniques and AI-based characterization methods can detect artificial damages. In future work, it is planned to integrate acoustic emission and fibre optic sensing. Moreover, the measurement and the test results will be implemented into a digital twin to derive trends and make predictions on the damage propagation as well as the remaining useful lifetime.
This work has received funding from German Ministry of Economic Affairs and Climate Actions within the QI-Digital initiative (www.qi-digital.de).
Distributed fiber optic sensors for structural health monitoring of composite pressure vessels
(2024)
In diesem Beitrag geben wir einen umfassenden Überblick über unsere Forschung auf dem Gebiet der verteilten faseroptischen Sensorik für die strukturelle Zustandsüberwachung von Wasserstoffdruckbehältern aus Verbundwerkstoffen. Insbesondere zeigen wir, wie die Integration von faseroptischen Sensoren in Druckbehälter aus Verbundwerkstoffen die Sicherheit erhöht und gleichzeitig die Wartungskosten senkt. Die geringe Größe von Lichtwellenleitern ermöglicht ihre Integration in Verbundwerkstoffstrukturen während des Herstellungsprozesses, wodurch eine kontinuierliche Überwachung sowie eine präzise Erkennung und Lokalisierung von Strukturschäden während des Betriebs der Druckbehälter ermöglicht wird. Wir erörtern auch das Potenzial modernster Signalverarbeitungsmethoden und des maschinellen Lernens für die Weiterentwicklung der vorausschauenden Instandhaltung. Die von uns vorgestellten Anwendungen von faseroptischen Sensoren zeigen, dass sie einen wichtigen Beitrag zur Energiewende hin zu erneuerbaren Energien leisten können.
Intelligent sensor systems, certified reference materials and instrumental analytical-chemical methods contribute to safety and functionality in hydrogen technologies.
This article gives a brief overview of SensRef activities in the Competence Centre H2Safety@BAM on the issues: Analytical methods for the determination of hydrogen purity, certified reference materials as measurement standards with regard to gas quality (primary calibrators) of BAM, test methods for gas sensor systems to detect hydrogen in air as well as the application of fibre-optic sensor systems to monitor the expansion and ageing behaviour of composite containers in hydrogen technologies.
Kurzfassung. Die meisten Faserverbundbehälter, die in Europa für den Transport gefährlicher Stoffe oder als Speicherbehälter für Wasserstoff oder Erdgas in Fahrzeugen Verwendung finden, werden für eine nicht begrenzte Lebensdauer ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sind für diese Druckbehälter wiederkehrende Prüfungen vorgeschrieben, die in der Regel aus visuellen Inspektionen und hydraulischen Innendruckprüfungen bestehen. Die wiederkehrenden Prüfungen sind jedoch weder geeignet, die sichere Betriebsdauer festzulegen noch den Alterungszustand der Druckbehälter zu beurteilen. Aufgrund des weiter steigenden Drucks zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Faserverbundbehältern und der damit einhergehenden Ausnutzung der existierenden Sicherheitsmargen gewinnen Methoden zur Beurteilung des Alterungsverhaltens dieser Druckbehälter immer mehr an Bedeutung.
Vor diesem Hintergrund wurde in der BAM das Vorhaben „Alterungsverhalten von Composite-Druckgefäßen mit Carbonfaser-Compositen unter gekoppelten Beanspruchungen (COD-AGE)“ gestartet, um die Alterung von Faserverbundbehältern mittels verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren zu untersuchen. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden an einem Typ 4 Hybridbehälter mit Kunststoffliner gewonnen, in den im Rahmen des Herstellungsprozesses optische Glasfasern in verschiedenen Schichten integriert wurden. Der Behälter wurde mittels hydraulischem Innendruck und erhöhter Umgebungstemperatur zyklisch bis zum Lebensende belastet. Zwischen den einzelnen Lastsequenzen erfolgte eine an die wiederkehrende Prüfung im Betrieb angelehnte hydraulische Druckbelastung.
Sowohl die hydraulische Alterung als auch die Druckrampen wurden mittels Schallemissionsprüfung (SEP) und verteilter faseroptischer Sensorik mit dem Ziel einer frühzeitigen Versagensvorhersage überwacht. Durch die Schallemissionsanalyse sollte untersucht werden, ob zum Lebensende hin ein signifikanter Anstieg der Schallemissionsaktivität und -intensität, unterteilt in verschiedene Lastbereiche, beobachtet werden kann. Zusätzlich zum kontinuierlichen Monitoring der Zyklierung sollten die Druckrampen separat untersucht werden, um hier Potenziale für die wiederkehrende Prüfung zu erkennen.
Die Nutzung von Sensortechnologien, insbesondere im Bereich der Gasdetektion mit einem Schwerpunkt auf Wasserstoff, spielt eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungsbereichen der Wasserstofftechnologie. Sicherheitsüberwachung, Leckdetektion und Prozesskontrolle gehören zu den prominenten Anwendungsgebieten dieser Sensortechnologien. Ein zentrales Ziel ist die Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die genaue Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, um potenzielle Gefahren frühzeitig zu erkennen und angemessene Maßnahmen zu ergreifen.
Ein weiterer Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Analytik und der Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien in Verbindung mit Metrologie für die Wasserstoffspeicherung. Dies gewährleistet eine präzise und zuverlässige Charakterisierung von Wasserstoff und unterstützt die Entwicklung sicherer Speichertechnologien. Im Rahmen des Euramet-Vorhabens Metrology for Advanced Hydrogen Storage Solutions (MefHySto) wird eine Kurzvorstellung präsentiert.
Der Vortrag stellt zwei zerstörungsfreie Prüfverfahren zum strukturellen Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für Wasserstofftechnologien vor. Insbesondere die Fehlstellenerkennung mittels geführter Ultraschallwellen spielt eine bedeutende Rolle bei der Lebensdauerüberwachung von Wasserstoffspeichern. Ein weiterer Aspekt ist die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadensfrüherkennung von Wasserstoffspeichern. Diese zerstörungsfreien Prüfverfahren ermöglichen eine präzise und frühzeitige Identifizierung von Schäden, was die Sicherheit und Effizienz von Wasserstoffspeichersystemen entscheidend verbessert.
We present the results of distributed fiber optic strain sensing for condition monitoring of a hybrid type IV composite fully wrapped pressure vessel using multilayer integrated optical fibers. Distributed strain sensing was performed for a total number of 252,000 load cycles until burst of the vessel. During this ageing test material fatigue could be monitored and spatially localized. Critical material changes were detected 17,000 cycles before material failure. Results have been validated by acoustic emission analysis.