8.6 Faseroptische Sensorik
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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.
In this paper perfluorinated graded-index polymer optical fibers are characterized with respect to the influence of relative humidity changes on spectral transmission absorption and Rayleigh backscattering. The hygroscopic and thermal expansion coefficient of the fiber are determined to be CHE = (7.4 +/- 0.1) 10^-6 %r.h.^-1 and CTE = (22.7 +/- 0.3) 10^-6 K^-1, respectively. The influence of humidity on the Brillouin backscattering power and linewidth are presented for the first time to our knowledge. The Brillouin backscattering power at a pump wavelength of 1319 nm is affected by temperature and humidity. The Brillouin linewidth is observed to be a function of temperature but not of humidity. The strain coefficient of the BFS is determined to be CS = (146.5 +/- 0.9) MHz/% for a wavelength of 1319 nm within a strain range from 0.1 % to 1.5 %. The obtained results demonstrate that the humidity-induced Brillouin frequency shift is predominantly caused by the swelling of the fiber over-cladding that leads to fiber straining.
The feasibility study „AGIFAMOR. Ageing infrastructures – distributed acoustic monitoring of pipes” is an interdisciplinary research project at BAM internally financed from 2015 to 2018. Therefore, the quite young fibre optic sensing technology of distributed acoustic sensing (DAS) was investigated to possibly be extended towards a global condition monitoring system for pipelines operating in real time.
DAS is a highly dynamic fibre optic sensing technology based on the method of coherent optical time domain reflectometry (C-OTDR). DAS allows capturing strain changes in the range of kHz. For the experimental work, the most suitable application yielding an optimum sensitivity was proven by wrapping a standard single-mode silica fibre around the pipe.
The DAS sensitivity was investigated regarding the detection of 1) incidents that initiate propagation of acoustic waves in the pipe wall, 2) changes inside the pipeline causing altered flow and 3) damage development in the pipe wall. Therefore, several testing setups in laboratory as well as in real scale were realized. For comparison purposes, experiments were accompanied by acoustic emission analyses and by measurements with accelerometers.
DAS was found to be very sensitive to gas ignition and its propagation across the pipe. Furthermore, the ability of DAS to detect and localize acoustic signals associated with pipeline leakage was demonstrated. The detection of crack formation and propagation within the pipe wall by means of DAS was studied during bending tests on several pipe segments, but was not proven so far with certainty. As expected, these studies turned out as the most difficult challenge due to the random occurrence and transient nature of microscopic damage phenomena.
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.