Die Technologie der Faser-Bragg-Gitter, also Lichtwellenleiter mit eingeschriebenen optischen Interferenzfiltern, ist bekannt, wird aber noch immer selten genutzt. Aktuelle Entwicklungen könnten dies jetzt ändern; als interessanter Anwendungsbereich ist die Vibrationsmessung hinzugekommen. Die faseroptischen Systeme von fos4X wurden jetzt offiziell vom Germanischer Lloyd zugelassen und eignen sich damit für den Einsatz in Windenergieanlagen.
Stefan Eichhorn ist Leiter Vertrieb und Marketing bei der fos4X GmbH in München
Faser-Bragg-Gitter (FBG) sind vielseitig anwendbar. Über die sich ändernden reflektierten Wellenlängen können Messgrößen wie Dehnung, Temperatur oder Kraft abgeleitet werden. Im Gegensatz zu elektrischen und metallischen Sensoren sind FBG-Sensoren und das Messgerät galvanisch voneinander getrennt. Weil Glasfasern und Sensoren keinen Strom leiten, ist EMV kein Thema. Die Sensoren können beispielsweise problemlos hohen Spannungen oder gar Blitzschlag ausgesetzt werden. Glasfasern halten auch chemisch aggressive Umgebungen aus. Faseroptische Messsysteme können elektrische Dehnungsmessstreifen in vielen Bereichen ersetzen, weil sie im direkten Vergleich eine etwa zehnmal höhere Messamplitude haben und mehr als 100 000 000 Lastzyklen erfassen können – das sind etwa tausendmal mehr Zyklen als bei konventionellen elektrischen Sensoren. Faseroptische Sensoren zeichnen sich darüber hinaus durch eine geringe Baugröße und minimales Gewicht aus – es gibt Sensoren mit nur 3 mm Länge – und sie ermöglichen lange Übertragungsstrecken von bis zu 15 km. Einer der wichtigsten Vorteile ist dabei das Multiplexing: In eine Glasfaser können mehrere Messstellen integriert werden. So ist beispielsweise mit fünf Glasfasern und je 20 Messpunkten eine verteilte Dehnungs- oder Temperaturmessung an 100 Messstellen realisierbar.
Paradigmenwechsel
Vor kurzem wurden faseroptische Systeme des Herstellers fos4X GmbH von der weltgrößten für Windenergieanlagen zuständigen Klassifikationsgesellschaft Germanischer Lloyd (DNV GL SE) für die Lastmessung an den Rotorblättern von Windkraftanlagen zugelassen. Es geht dabei um die kritische Anforderung der Eiserkennung. Über die Messung sich ändernder Vibrationen an den Rotorblättern kann eine Eisbildung festgestellt und eine Windenergieanlage abgeschaltet werden, bevor es zur Gefahr des Eiswurfs kommt. Durch einen modularen Ansatz und die robuste Bauweise der parallelisierten Messkanäle kann der Hersteller kosteneffizientere Lösungen für die industrielle Messtechnik anbieten. Eine faseroptische Vibrationsmessung zum Beispiel zur Vorbeugung von Lagerschäden an Rotations- und Kolbenmaschinen könnte dann besonders interessant sein, wenn die elektromagnetischen Bedingungen für elektrische Messsysteme ungünstig sind.
Hohe Abtastrate erforderlich
In einem FBG-Messgerät werden Messgrößen durch Peaks im nahinfraroten Spektrum repräsentiert und üblicherweise über eine Art Spektrometer erfasst. Bei vertretbarem Aufwand lassen sich mit der Messung der Wellenlänge des vom FBG reflektierten Lichts nur geringe Abtastfrequenzen um etwa 100 Hz erreichen. Außerdem ist ein Tiefpassfilter zum Anti-Aliasing vor der Digitalisierung mit einem klassischen, rein optischen FBG-Messverfahren nicht machbar. Das patentierte Verfahren von fos4X hebt diese Einschränkungen durch die Wandlung optischer in elektrische Signale auf. Dazu wird das vom FBG kommende Lichtsignal in einem vom Unternehmen entwickelten optoelektronischen Chip verarbeitet und zweigeteilt. Die Intensität des einen Signals wird direkt bestimmt und stellt einen Vergleichswert zur Verfügung. Das andere geht durch einen speziellen optischen Filter. Indem die Intensität des vom Filter durchgelassenen Lichts gemessen wird, kann indirekt auf die vom FBG reflektierte Wellenlänge geschlossen werden. Die durch die Intensitätsmessung erzeugten analogen elektrischen Signale werden tiefpassgefiltert und das so Aliasing-freie Schwingungsmuster kann digital ausgewertet werden. Die Sampling-Rate der Messgeräte mit diesem Verfahren reicht von 500 Hz bis 50 kHz.
Ideal für Monitoring-Aufgaben
Beim genannten Eiserkennungssystem bilden zwei parallele Glasfasern mit in 90° zueinander stehenden FBG-Sensoren einen 2D-Beschleunigungsmesser. Über ein streichholzschachtelgroßes Feder-Masse-System werden dazu Beschleunigungen in eine Dehnung umgewandelt, die über die an der abgelenkten Masse befestigte Glasfaser gemessen wird. Genauso gut lassen sich 1D- und 3D-Sensoren realisieren. Bis 15 km lange Glasfasern und kein Energiebedarf am Sensor machen solche Messreinrichtung ideal für das Monitoring an schwer zugänglichen Orten. Glasfasern lassen sich hervorragend in Verbundwerkstoffe einarbeiten – es wären also Anwendungen denkbar, in denen eine fertig verkabelte Sensorik zur Überwachung von Strukturen ab Werk mitgeliefert wird. ge
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