8.6 Faseroptische Sensorik
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- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (9)
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- 2.1 Sicherheit von Energieträgern (8)
- 6 Materialchemie (8)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (8)
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Eingeladener Vortrag
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We propose a method based on artificial neural networks to extract strain information from wavelength-scanning coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR) data. Our neural network algorithm performs more than two orders of magnitude faster than the conventional approach.
This is due to the highly parallel evaluation of the neural networks on a GPU accelerated computer and the fact that conventional correlation and interpolation analysis needs many Iteration steps. This opens the way for real-time C-OTDR strain sensing because the neural Network strain predictions require less time than the measurements themselves. Real-time data Analysis enables long-term sensing e.g. in structural health monitoring, because the large amount of raw data does not have to be stored but can immediately be reduced to the strain data of interest.
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
Im Vortrag wird das im Themenfeldprojekt AGIFAMOR eingesetzte verteilte faseroptische Messverfahren DAS (distributed acoustic sensing) vorgestellt, und die im Projekt erzielten Ergebnisse am unbeschädigten Rohr werden vorgestellt. Dazu gehören die Optimierung der Sensorapplikation sowie die Beobachtung von Schallwellen im Rohrmantel und von sich im Rohr ausbreitenden Druckwellen.
Es wird ein Überblick über die Technik der faseroptischen Sensorik zur Zustandsüberwachung von Rohrleitungen gegeben. Im ersten Teil des Vortrages werden einige Verfahren der verteilten faseroptischen Sensorik, insbesondere die akustische verteilte faseroptische Sensorik, sowie der Stand der Technik in Bezug auf die Rohrleitungsüberwachung vorgestellt. Anschließend werden im zweiten Teil die Hauptergebnisse des Themenfeldprojektes AGIFAMOR zusammengefasst und in Hinblick auf weiterführende Untersuchungen diskutiert.
Darstellung des Verbundvorhabens "Monalisa" und der im Rahmen des Projekts erzielten F&E-Fortschritte auf dem 2. Statusseminar "Zukunftsfähige Stromnetze" des PTJ zur gleichnamigen Forschungsinitative der Bundesregierung. Präsentiert werden Fortschungsergebnisse zum Thema Zustandsüberwachung von verschiedenen elektrischen Betriebsmitteln (Kabel, Garnituren, Schaltanlagen, Schalter) mittels faseroptischer Sensorik. Das Monitoring bezieht sich dabei auf Temperatur, Vibrationen, eindringende Feuchte, Dehnung, und die Detektion von Teilentladungen
Selbstdarstellung des Verbundvorhabens "Monalisa" auf der Konferenz "VDE Hochspannungstechnik" 2018 der entsprechenden Forschungsinitiative der Bundesregierung Kurzzusammenfassung der Teilprojekte und F&E-Ziele aller beteiligten Partnerinstitutionen (BAM,TU Berlin, HTW Berlin, BeuthHS Berlin, IPH GmbH) zum Bereich Monitoring von elektrischen Betriebsmitteln mit Hilfe von faseroptischer Sensorik.
Verteilte faseroptische Sensorik eignet sich sehr gut für eine Zustands- und Gefährdungsüberwachung von ausgedehnten Hochspannungskabelinstallationen. Basierend auf der Messung von verschiedenen faseroptischen Rückstreueffekten in der Sensorfaser lassen sich ortsaufgelöste Profile von Messgrößen wie Temperatur, Dehnung oder Vibrationen erzielen.
Hier demonstrieren wir die Leistungsfähigkeit verschiedener faseroptischer Sensorikansätze bezüglich dieser Größen anhand von Experimenten u.a. an einem Mittelspannungskabel. Des Weiteren zeigen wir, wie die Verwendung von verschiedenen Sensorkabeltypen mit unterschiedlicher Applikation auf der Kabeloberfläche die Messergebnisse bei einem Biegeversuch beeinflussen und schlussfolgern damit auf die für die Einbettung in Kabeln geeigneten Sensoren.
Es wurde ein Messaufbau realisiert, der die Betriebsedingungen von hydraulisch- pneumatischen Gasdruckkabelsystemen nachbildet und in dieser Veröffentlichung vorgestellt. Mit seiner Hilfe können im Labor diagnostische Messungen und beschleunigte Alterung der Isolierung bei variablen Temperaturen, Druckstufen, Spannungen und Frequenzen durchgeführt werden. Zur Temperatureinstellung wurde im Messaufbau eine Kurzschlussschleife verwendet, die stabile Heizströme über 700 A bei 50 Hz ermöglicht. Der Prüfspannungsbereich während der Verlustfaktor- und Teilentladungsmessungen lag zwischen 1 kV bis 25 kV mit einem Frequenzbereich zwischen 0,1 Hz bis 60 Hz. Um die örtliche und zeitlich lastabhängige Temperatur entlang des Messbelags bestimmen zu können, wurde eine optische Faser (Loose tube) um den Prüfling gewickelt, so dass eine ortsaufgelöste Temperaturermittlung über den Prüflingsmantel erreicht wurde. Aus den erhaltenen Temperaturmessdaten wurde ein einphasiges, planares thermisches Modell erzeugt, das das thermische Verhalten des Prüflings in Abhängigkeit von Laststrom, Raumtemperatur und Materialdaten nachbildet. Dieses wurde mit den aufgenommenen Messdaten verglichen. Aus den Erkenntnissen des einphasigen thermischen Modells soll ein dreiphasiges Modell entstehen, mit dessen Hilfe die Diagnosetemperatur und das Abkühlverhalten von erdverlegten Gasdruckkabeln abgeschätzt werden können. Dadurch kann zukünftig der Temperatureinflusses bei der Interpretation von Vor-Ort-Messungen hinzugezogen werden.
Verteilte faseroptische Sensorik eignet sich sehr gut für eine Zustands- und Gefährdungsüberwachung von ausgedehnten Hochspannungskabelinstallationen. Basierend auf der Messung von verschiedenen faseroptischen Rückstreueffekten in der Sensorfaser lassen sich ortsaufgelöste Profile von Messgrößen wie Temperatur, Dehnung oder Vibrationen erzielen.
Hier demonstrieren wir die Leistungsfähigkeit verschiedener faseroptischer Sensorikansätze bezüglich dieser Größen anhand von Experimenten u.a. an einem Mittelspannungskabel. Des Weiteren zeigen wir, wie die Verwendung von verschiedenen Sensorkabeltypen mit unterschiedlicher Applikation auf der Kabeloberfläche die Messergebnisse bei einem Biegeversuch beeinflussen und schlussfolgern damit auf die für die Einbettung in Kabeln geeigneten Sensoren.