Erschienen am: 03.03.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 3 2017

Faseroptische Messtechnik auf Basis von WLPI

"Vorteile in rauen Umgebungen"

Peter Rohrmann, Managing Director bei Althen Sensors & Controls und Eric Préfontaine, als Business Development Manager bei Opsens Solutions, zuständig für den Energiemarkt, erklären im Gespräch mit dem SPS-MAGAZIN, warum sich faseroptische Sensoren mit moderner Technik gut für die Branche der erneuerbaren Energien eignen.


Die Offshore-Industrie als Teil der regenerativen Energien kommt ohne moderne Automatisierungstechnik längst nicht mehr aus. Wie bedienen Sie diesen Bereich?

Peter Rohrmann: Althen bietet Sensoren, Messsysteme und Joysticks für OEM, Test und Messungen sowie Automatisierungsanwendungen. Darauf aufbauend verwandeln wir Messherausforderungen in Sensor-Lösungen und beraten und unterstützen Kunden bei jedem Schritt der Umsetzung. Dafür hat Althen eine Partnerschaft mit Opsens aufgebaut, einem kanadischen Hersteller, der sich auf faseroptische Sensoren spezialisiert hat.

Faseroptik ist nicht gerade eine neue Technologie. Was hat steckt dahinter ?

Eric Préfontaine: Messlösungen basierend auf Faseroptik gibt es tatsächlich schon eine Weile. Daher klingen faseroptische Sensoren erstmal nicht sonderlich innovativ. Allerdings kam vor einigen Jahren die sogenannte WLPI-Technologie auf den Markt, die auf Weißlicht-Polarisations-Interferometrie basiert. Sie bietet deutliche Vorteile gegenüber den älteren Lösungen, die beispielsweise Faser Bragg Gitter, kurz FBG, nutzen.

Was ist der Unterschied zwischen den verschiedenen optischen Verfahren?

Préfontaine: Bei anderen Technologien wie FBG ist die Glasfaser Teil des Sensors. Wenn die Faser dann unter Belastung gesetzt wird, ändert sich der Wert, der erfasst werden soll und das ist eines der Hauptprobleme. Außerdem wird FBG auch durch Temperatur beeinträchtigt. Die faseroptischen Sensoren von Althen werden nicht durch Verformung der Faser beeinflusst. Das liegt daran, dass die Faser nur zur Übermittlung des Signals genutzt wird. Der Sensor sitzt am Ende der Glasfaser und ist auch unempfindlich gegenüber Temperatur. Unsere Dehnungssensoren messen ohne Verfälschung der Ergebnisse, weil Querdehnung sie nicht beeinflusst. Das bedeutet, dass präzise Messung in der Richtung möglich ist, in der die Dehnung auftritt.

Was unterscheidet faseroptische WLPI-Lösungen von konventionellen Sensoren und wie können sie in Windräder integriert werden?

Rohrmann: WLPI macht Sensoren immun gegenüber elektromagnetischen Störungen, Blitzeinschlag, Temperatur und Funk. Die Technologie kann über Distanzen bis 3km angewendet werden. Die faseroptischen Sensoren sind zudem geeignet für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen wie bei kryogenen Anwendungen oder unter Wasser. Unsere Sensoren sind kompakt und lassen sich leicht in die vorhandene Umgebung zu integrieren. Man kann sie beispielsweise in die Rotorblätter eines Windrades einbetten und sie widerstehen problemlos der Aushärtung in den Autoklaven. In Anwendungen, in denen ein besonders starker mechanischer Schutz der Faser notwendig ist, kann eine Edelstahlummantelung verwendet werden. Diese Eigenschaften prädestinieren die Sensoren für den Einsatz bei Windrädern.

Warum ist es sinnvoll, die optischen Sensoren direkt in das Komposit einzubringen?

Rohrmann: Es gibt viele Anwendungen, bei denen die Integration des Sensors in die Rotorblätter vorteilhaft ist. Die Einbettung gleich bei der Herstellung der Form erlaubt eine Messung ohne die Aerodynamik des Rotorblattes zu beeinflussen. Wir haben Kunden, die Dehnungssensoren in die Blätter integriert haben, um den Anstellwinkel zu verbessern. Andere wollen die Materialermüdung überwachen. Das ist sehr sinnvoll, wenn man den Schaden bedenkt, der beim Bruch eines Blattes entsteht. Wenn Ermüdung oder Verformung auftritt, kann der Kunde das Windrad anhalten, bevor es zu weiterem Schaden kommt. Die Dehnungssensoren können zudem auch Eis auf den Rotorblättern feststellen.

Wer bestimmt den genauen Standort der Sensoren?

Préfontaine: Abhängig von den Messanforderungen des Kunden geben wir Ratschläge, wo der Sensor platziert werden sollte, um die besten Ergebnisse zu erhalten. Ein Beispiel: Einer unserer Kunden wollte den Einfluss von Eis auf den Rotorblättern bestimmen und die Sensoren wurden entsprechend angebracht. Basierend auf den Ergebnissen dieser Schlüsselpositionen weiß der Kunde, wann und wo Eis auftritt und ob dadurch eine Unwucht entsteht.

Kann man auch optische Sensoren bei Windrädern einsetzen, die bereits installiert sind?

Préfontaine: Ja, dafür haben wir sehr kleine Sensoren, die auf die Rotorblätter geklebt werden. Wir bieten Belastungssensoren bereits ab einer Größe von 230µm.

Gibt es weitere Gründe, aus denen Kunden optische Sensoren bei Windkrafträdern einsetzen sollten?

Préfontaine: Gerade bei Offshore-Windfarmen sind Verlässlichkeit und möglichst wenig Wartungsbedarf entscheidend. Unsere patentierte WLPI-Lösung liefert eine 'Plug&Forget'-Lösung, was bedeutet, dass auch keine Rekalibrierung notwendig ist. Einer unserer Kunden wollte verschiedene Parameter überwachen. Die Voraussetzung war ein 15 Jahre wartungsfreies Messsystem. Er entschied sich für unsere Lösung, weil nur wir diese Anforderung erfüllen können. Andere optische Messsysteme, selbst solche, die mit Laser messen, können da nicht mithalten. Diese Eigenschaft ist aber sehr wichtig für Offshore-Windfarmen. Ein weiterer Grund: WLPI ermöglicht die Messung in bis zu 3km Entfernung von der Auswerteeinheit ohne an Messgenauigkeit zu verlieren. Wenn ein Windrad von einem Blitz getroffen wird, werden die Sensoren nicht beeinflusst, denn schließlich leitet die Glasfaser die Elektrizität nicht. Unsere Sensoren sind auch gut für den Einsatz bei kryogenen Anwendungen, weil die Dehnungssensoren nicht von den Minustemperaturen beeinträchtigt werden.

Sind außer den Belastungssensoren noch andere Sensoren für Windfarmen geeignet?

Rohrmann: Ja, die optischen Sensoren messen eine Reihe von Parametern wie Druck, Weg, Temperatur oder Dehnung. Damit können wir eine Lösung für die meisten Messaufgaben anbieten. Eine häufige Anwendung bei Windfarmen ist die Überwachung von Belastung der Strukturen unter Wasser. Das kann über einen speziellen Dehnungssensor gelöst werden, der durch Punktschweißung oberhalb und unter Wasser angebracht wird. Um die Faser vor den Einflüssen der Elemente zu schützen, wird sie mit einer Ummantelung aus Edelstahl ausgeführt. Drucksensoren lassen sich nutzen, um die Wasserstandhöhe im Mast zu erfassen. Wir können die Level der notwendigen Schmiermittel messen oder auch einfach die Temperatur. Extensometer sind spezielle Wegaufnehmer und können eingesetzt werden, um die strukturelle Integrität der Strukturen zu überwachen. Die Einsatzszenarien sind also zahlreich.

Neben dem Sektor erneuerbarer Energien, wo werden die faseroptischen Lösungen von Althen noch eingesetzt?

Rohrmann: Wie gesagt, die faseroptische Technologie hat viele Vorteile und ist besonders für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet. Die Sensoren werden in unterschiedlichen Branchen genutzt - von der Luft- und Raumfahrt bis hin zu Bereichen mit radioaktiver Strahlung. Wir haben auch einen Differenzdrucksensor entwickelt, der für Umgebungen mit großen magnetischen Feldern geeignet ist. Es gibt auch Verwendungsmöglichkeiten in völlig anderen Umgebungen wie beispielsweise Labore und Forschungszentren oder für die Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring) bei öffentlichen Bauwerken sowie Infrastruktur.

Entwickelt Althen auch kundenspezifische faseroptische Lösungen?

Rohrmann: Ja, wir passen die meisten Lösungen für unsere Kunden an und entwickeln spezifische Sensoren.

Vielen Dank für das Gespräch.