8.6 Faseroptische Sensorik
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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (20)
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- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (16)
- 7.4 Baustofftechnologie (14)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (13)
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.
We compare four different sensing solutions suitable for distributed fiber optic humidity sensing in per uorinated graded-index polymer optical fibers (PFGI-POFs). Compared to silica fbers, polymer optical fibers over advantageous beneffits including signifficantly higher break down strain, fracture toughness and humidity sensitivity. Various humidity-related effects in PFGI-POFs have been reported in the last years including measured attenuation and length changes as well as Brillouin frequency and Bragg wavelength shifts. The four aforementioned methods could serve as a basis for distributed and quasi-distributed humidity sensing and are described here closely with an emphasis on plausible cross effects to temperature and strain. The main focus of this paper lies on the comparison of four approaches with regard to method complexity, sensitivity to humidity, spatial resolution, real-time capability and effort to compensate for cross effects.
The application of composite pressure vessels is of great interest due to tremendous weight saving. Nevertheless, ageing of CFRP (carbon fiber reinforced plastic) composites pressure vessels underlies complex interactions between metallic liner and composite and is not fully understood yet. One main challenge is the application of appropriate testing methods for detecting the influences of pressure cycles and creep behavior on the material. This contribution presents results achieved by using conventional eddy current testing (ET) and high frequency ET. Here, we could show that also conventional ET with low frequencies are useable to investigate pressure vessels of different material combinations like aluminum-CFRP and synthetics-CFRP.
Fibreoptic sensors (FOS) represent sensing technology with small footprint, low invasiveness, electromagnetic passivity and immunity, plus potential for remote and real-time monitoring. Modern FOS techniques allow truly temporally- and spatially-continuous monitoring over extended distances; a feature not attainable with any other sensing technology. Moreover, depending on their particular material composition and design, optical fibres can be made resistant to high temperatures, chemicals and ionizing radiation. Due to this unique combination of advantageous properties, ever since their emergence, FOS have been attracting considerable attention for monitoring tasks in harsh, hazardous and difficult-to-access locations. The potential of FOS has been recognized also in the field of radioactive waste management and fibreoptic sensors belong to the most promising technologies for nuclear waste repositories (NWR) monitoring.
Vast majority of distributed fibreoptic sensor applications rely on use of silica-based optical fibres as sensing elements. At the same time, distributed measurement of local temperature and strain along the fibre are the most common monitoring tasks addressed by fibreoptic sensors. Nevertheless, FOS offer much larger flexibility both in terms of utilized sensing fibre as well as targeted measurand. In this contribution, we will review some of more alternative implementations of FOS that are being explored at “Fibre Optic Sensors” division of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM), in Berlin. The main focus will be twofold. On one side, we will address FOS applications with polymer optical fibres (POF), that may enable monitoring of large strains (>100%) and high-sensitivity radiation detection. On the other side, we will present our activities in the area of distributed acoustic sensing (DAS); one of the most recent developments in the fibreoptic sensing field enabling highly-dynamic vibration sensing with nanostrain sensitivity. We will introduce the principles of the addressed FOS technologies, present application examples from our case studies, discuss advantages and limitations of the techniques and highlight their potential for NWR monitoring.
The proposed BAM project SealWasteSafe will advance the state of the art for the construction and monitoring of safe sealing systems for underground repositories of radioactive or toxic waste. During this project, a novel salt concrete exhibiting neither significant cracking nor shrinkage will be optimized for use in the sealing systems. The composition of this material will be based on alkali-activated materials, which are characterized by particularly small thermal deformations during the hardening reaction. Quality assurance and continuous monitoring systems developed during this project will be demonstrated not only for high reliability, but also for resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. A variety of sensors will be used in combination with wireless Radio Frequency Identification (RFID) technology to record moisture, temperature, and, if necessary, corrosion activity within the sealing system. Distributed Fibre Optic Sensor (FOS) technology will also be used for strain, temperature, and moisture content measurement. Ultrasound-based measuring methods will be utilized for the detection of cracks and delaminations. Additionally, digital image correlation and acoustic emission analysis will be used for deformation measurements and crack detection. A novel borehole probe and advanced ultrasound imaging techniques will be further developed to track cracks and delaminations within the host rock in 3D. The surface-based Large Aperture Ultrasound System (LAUS) will also be utilized to detect cracks and delaminations deep below the exterior surface of the sealing system. Although the focus of this project will be on the host rock salt, the resulting technologies will be intentionally developed in a way that facilitates their adaptation to other host rocks.
We compare four different sensing solutions suitable for distributed fiber optic humidity sensing in per uorinated graded-index polymer optical fibers (PFGI-POFs). Compared to silica fbers, polymer optical fibers over advantageous beneffits including signifficantly higher break down strain, fracture toughness and humidity sensitivity. Various humidity-related effects in PFGI-POFs have been reported in the last years including measured attenuation and length changes as well as Brillouin frequency and Bragg wavelength shifts. The four aforementioned methods could serve as a basis for distributed and quasi-distributed humidity sensing and are described here closely with an emphasis on plausible cross effects to temperature and strain. The main focus of this paper lies on the comparison of four approaches with regard to method complexity, sensitivity to humidity, spatial resolution, real-time capability and effort to compensate for cross effects.
The in-situ monitoring of electrochemical deposition (ECD) processes is still a challenge regarding the measurement of the effective temperature of the substrate and the formation of mechanical stress in the layer under given plating conditions. Monitoring problems can be solved by applying a pre-coated fiber Bragg grating (FBG) to the electrolytic process as the shift of the Bragg wavelength is affected by both the temperature of the electrolyte near the substrate and the stress formation in the growing layer. The experimental FBG set-up and the quantitative determination of temperature- and stress-related strain is described for a nickel-iron electrolyte.
We present, to our knowledge for the first time, a 100-km Brillouin Optical Frequency-Domain Analysis (BOFDA) employing a 200-km fiber loop. Compared to our previous publication, enhanced sensor length, sensor accuracy and spatial resolution are presented. The performance improvements are achieved by applying distributed Raman amplification (DRA) and a digital high-pass filter. We report on temperature measurements over sensing distances of 75 km and 100 km both with a 12.5-m spatial resolution. Temperature changes of 5 °C have been measured along 75 km sensing fiber. A temperature change of 30 °C has been detected at 99.5 km.
We propose to use artificial neural networks (ANNs) for raw measurement data interpolation and signal shift computation and to demonstrate advantages for wavelength-scanning coherent optical time domain reflectometry (WS-COTDR) and dynamic strain distribution measurement along optical fibers. The ANNs are trained with synthetic data to predict signal shifts from wavelength scans. Domain adaptation to measurement data is achieved, and standard correlation algorithms are outperformed. First and foremost, the ANN reduces the data analysis time by more than two orders of magnitude, making it possible for the first time to predict strain in real-time applications using the WS-COTDR approach. Further, strain noise and linearity of the sensor response are improved, resulting in more accurate measurements. ANNs also perform better for low signal-to-noise measurement data, for a reduced length of correlation input (i.e., extended distance range), and for coarser sampling settings (i.e., extended strain scanning range). The general applicability is demonstrated for distributed measurement of ground movement along a dark fiber in a telecom cable. The presented ANN-based techniques can be employed to improve the performance of a wide range of correlation or interpolation problems in fiber sensing data analysis and beyond.
Die Erforschung des Potenzials faseroptischer Sensorsysteme (FOS) für qualitäts- und verfügbarkeitssteigernde Anwendungen im Bahnbereich führt seit einigen Jahren international zu vielversprechenden Erkenntnissen und einer zunehmenden Dynamik im Herstellermarkt. Die Verfügbarkeit quasi wartungsfreier Lichtwellenleiter (LWL) bieten ökonomisch günstige Rahmenbedingungen.
Daneben bestehen herausfordernde Entwicklungsaufgaben aus den Bereichen FOS, Akustik und Signalverarbeitung. Potenzial und Entwicklungsschwerpunkte werden im Folgenden diskutiert.
Fiber reinforced polymers (FRPs) are a well established material in lightweight applications, e.g. in automotive, aerospace or wind energy. The FRP components are subjected to multiaxial mechanical as well as hygrothermal loads. Common operation temperatures are in the range of 213 K and 373 K (-60 °C and 100 °C) at a relative humidity of 10% to 90%. In spacecraft applications, the environmental conditions are even more extreme. However, the correlation between multiaxial mechanical loading and harsh environment conditions have to-date not been investigated in detail. The project aims to investigate the fatigue behavior of FRPs dependent on multiaxial mechanical loading, temperature, and humidity. Extensive experimental testing is performed on flat plate and cylindrical tube specimens, accompanied by numerical and analytical calculations.
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.