Einsatz von faseroptischen Sensoren zur Messung von Temperatur, Dehnung und Schwingung

Hintergrund

Optische Fasern, auch Glasfaser oder Lichtwellenleiter genannt, sind leicht, flexibel, blitzschlaggeschützt, langlebig und explosionssicher. Sie kommen vorwiegend im Bereich der optischen Nachrichtentechnik zum Einsatz. Wenn sie jedoch als Sensor genutzt werden, kann die Temperatur-, Dehnungs- und Schwingungsverteilung über die gesamte Länge einer langen optischen Faser hinweg gemessen werden.
Yokogawa verfolgt das Ziel, diese besonderen Eigenschaften von faseroptischen Sensoren in die Entwicklung eines Hilfsmittels einfließen zu lassen, mit dem der Zustand von Objekten der öffentlichen Infrastruktur, darunter Brücken, Tunnel und andere große Bauwerke, diagnostiziert werden kann. Darüber hinaus sieht Yokogawa noch einen weiteren Einsatzbereich vor: Das System soll außerdem eine Früherkennung von Anlagenausfällen und sonstigen Störungen von petrochemischen und chemischen Anlagen gewährleisten.

Technologie

• Optische Korrelationsbereichsreflektometrie für das Brillouin-Spektrum (BOCDR)

  Mittels BOCDR-Verfahren können Temperatur, Dehnung und Schwingung mit einer räumlichen Auflösung im Zentimeterbereich gemessen werden (Auflösung in Längsrichtung einer optischen Faser). Diese Technologie fußt auf der Annahme, dass die Frequenz des in einer optischen Faser erzeugten Brillouin-Streulichts von diesen Parametern abhängt. Temperatur, Dehnung und Schwingung können über die gesamte Länge einer optischen Faser hinweg mit hoher Raumauflösung gemessen werden, indem lediglich ein Ende der optischen Faser mit einem Messgerät verbunden wird.

  

• Vorteile von Messungsverteilung und Raumauflösung

  Da die optische Faser selbst als verteilter Sensor fungiert, sind Messungen über eine Strecke von 1 km oder mehr möglich, und zwar ohne jegliche unmessbaren Intervalle (Totzonen). Wenn eine verdächtige Stelle erfasst wird, kann diese unter Anwendung einer hohen Raumauflösung eingehend analysiert werden.

  

Vision für die Zukunft

• Einsatzmöglichkeiten für die öffentliche Infrastruktur

  Yokogawa strebt den Einsatz von optischen Fasern in Objekten der öffentlichen Infrastruktur wie Brücken und Tunneln an. In diesem Zusammenhang sollen sie als verteilte Dehnungs-/Schwingungssensoren genutzt werden, um Folgendes zu ermöglichen:

  1. Eine Steigerung der Sicherheit, indem Schäden oder Mängel bereits im Frühstadium erkannt oder indem Problemstellen regelmäßig geprüft und überwacht werden. Das System kann auch zur Frühdiagnose des Bauwerkszustands nach einem Erdbeben verwendet werden.
  2. Geschmälerte Wartungskosten durch eine Eingrenzung der erforderlichen Prüfstellen und einen Entfall von zusätzlichen Arbeiten, z. B. Ausbau/Wiedereinbau und Aufbau/Abbau von Gerüsten.

• Einsatzmöglichkeiten für Anlagen

  Der Aufbau von Prozessanlagen ist insofern recht komplex, als dass eine Vielzahl von kleineren Anlagen an nur einem weitläufigen Standort miteinander verbunden sind. Sofern die Anlagen nicht sachgemäß instand gehalten und verwaltet werden, kann es zu Produktivitätseinbußen oder Unfällen kommen. Diese Lösung zielt darauf ab, die Produktivität des Kunden zu steigern, indem Temperatur-, Dehnungs- und Schwingungsdaten mithilfe von in den Anlagen verbauten faseroptischen Sensoren gesammelt und anschließend analysiert werden. Die Analyseergebnisse können daraufhin dazu genutzt werden, Zustand, Sicherheit, Umweltfreundlichkeit und Wartungsfreundlichkeit der Anlagen zu verbessern.

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* Das BOCDR-Verfahren wurde vom Hotate-Labor der Universität Tokio erfunden. Mit einem Teil dieser Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten wurde das Adaptable and Seamless Technology Transfer Program through Target-driven R&D (A-STEP) der Japan Science and Technology Agency (JST) betraut.