Strukturmessung mit optischen Dehnungsmessstreifen

Condition Monitoring Systeme (CMS) sollen die Effizienz von Windkraftanlagen langfristig sicherstellen und künftig auch wichtige Komponenten wie beispielsweise Rotorblätter, Türme und Gründungen überwachen. Hier rückt die optische Sensortechnologie als Alternative zur elektrischen Technologie ins Blickfeld.

Strukturmonitoring und Zustandsüberwachung an Bauwerken wie Brücken oder Gebäuden sind schon länger im Fokus von Forschung und Entwicklung. HBM ist seit mehr als 6 Jahrzehnten Spezialist für die experimentelle Spannungsanalyse und liefert über die gesamte Messkette hinweg aufeinander abgestimmte Lösungen für diese Aufgabe. Zahlreiche Untersuchungsergebnisse wurden hierzu bereits veröffentlicht. [1], [2], [3]

CMS ermöglichen Fail-Safe-Instandhaltung

Condition Monitoring Systeme (CMS) an Windenergieanlagen (WEA) haben die langfristige Sicherstellung der Anlageneffizienz zum Ziel. Sie bieten den Betreibern aber auch Gelegenheit zur Praktizierung einer sogenannten Fail-Safe-Instandhaltung, die maßgeblich auf der real erfahrenen Belastungshistorie basiert. Derartige CMS sind seit 2005 zumindest für Offshore-Windenergieanlagen gemäß der GL-Offshore Richtlinie [4] zwingend vorgeschrieben, vorerst wird dies jedoch nur für den Antriebsstrang gefordert. Aus der Sicht zertifizierender Instanzen (zum Beispiel dem DNV GL Renewables Certification) und weiteren einschlägigen Fachkreisen sollten CMS perspektivisch um die Überwachung weiterer wichtiger Komponenten von Windenergieanlagen erweitert werden. Dazu zählen beispielsweise Rotorblätter, Türme und Gründungen. [5]; [6]

Hier rückt die optische Sensortechnologie als Alternative zur elektrischen Technologie ins Blickfeld und ist wegen einer Vielzahl an Vorteilen zum Teil bereits recht gut etabliert:

  • Die hohe Lastwechselfestigkeit der faseroptischen Sensorik führt zu einer langen Lebensdauer (Aspekt: Hochdehnung) [7],
  • es besteht kein Problem mit Blitzeinschlägen, somit keine Gefahr der Zerstörung von Messtechnik und Elektronik,
  • EMV-Störungen tauchen nicht auf (z.B. elektromagnetische Signalstörungen und Erdschleifen),
  • Vorteil einer Glasfaserverkabelung gegenüber Anschlussleitungen aus Kupfer führt zur Senkung von Kosten und Materialaufwand und zur Gewichtsersparnis.

Informationsgehalt signifikant erhöhen

Wegen dieser Vorteile bietet der Einsatz von Faseroptik die Möglichkeit, Sensorik im Windblatt verteilt zu installieren und den Informationsgehalt signifikant zu erhöhen. Möglich wird dies hauptsächlich durch die Multiplexfähigkeit der Signalerfassung und -weiterleitung in Faserstrecken. Durch geeignete Kombination mit elektrischen Sensoren können darüber hinaus Hybridlösungen geschaffen werden, die Veränderungen extrem schnell registrieren. [8]

Zur Überwachung ausschlaggebender Bezirke von Turm und Gründung (strukturdynamischer Parameter bzw. Kontrolle der Steifigkeitsmatrix) werden meist Dehnungsmessstreifen verwendet. In Offshore-Windenergieanlagen muss die Sensorik jedoch mannigfaltigen Störeinflüssen des maritimen Milieus standhalten, was besonderer Sorgfalt bei der Ausführung der Applikation und entsprechendem technischem Aufwand bedarf. [9]

Resistent gegen Feuchtigkeit

Bei der optischen Technologie ist ferner der gesamte Komplex des Störeinflusses infolge Feuchte im Gegensatz zur widerstandsbasierten Technik nicht relevant. Die von HBM angebotene Fasergittertechnik OptiMet by HBM, bietet sich etwa in Form einer sogenannten Coated Fibre an (beschichteten Faser, OptiMet-PKF mit mehreren Bragg-Gittern in einer Kette). [10]

Die Kosten pro Messkanal im Messsytem für faseroptische Sensorik reduzieren sich mit steigender Anzahl angeschlossener Sensoren. Es ist möglich, viele Bragg-Gitter in eine Glasfaserkette hintereinander einzubringen (typischerweise 8 bis 13). Dadurch reduziert sich gleichzeitig der Verschaltungsaufwand gegenüber elektrischen Dehnungsmessstreifen um den entsprechenden Faktor, das Auswertegerät (Interrogator) wird noch effektiver genutzt.

Gerade unter dem Blickwinkel eines ganzheitlichen Ansatzes kommt das Potenzial der faseroptischen Sensorik optimal zum Tragen. Optische Lösungen sind in dieser Weise reizvoll, zukunftsträchtig und perspektivisch erweiterbar.

Literatur:

[1] Henke, V. „Monitoring the Reichenbach and Albrechtsgraben viaducts“; RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; Seite 10-20, Darmstadt, 2007

[2] Liebig, J. P.; Menze, O.: „Auswirkungen des Schwerverkehrs im Blick: Langzeitmonitoring einer Spannbetonbrücke“, HBM Anwendungsbericht 10/2009, Darmstadt, 2009

[3] Gommola, G.; “Sind unsere Brücken sicher? Brückenmonitoring mit Messtechnik von HBM“, S. 22-23; HBM Kundenmagazin „hotline“ Ausgabe 1/2012

[4] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, 2005

[5] Steingröver, K.; at al. “Condition Monitoring Systems for Wind Turbines: Current status and outlook on future developments from the perspective of certification”; VDI report on “Vibrations in wind turbines”, Bremen, 2010

[6] Steingröver, K.; at al. “CMS für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierer” Journal „ECONOMIC ENGINEERING“, issue 5/2012, Göller Publishing house, Baden-Baden

[7] Frieling, G.; Walther, F.: Tensile and fatigue properties of Fiber-Bragg-Grating (FBG) Sensors. In: Sensors & Transducers Journal 154 (2013), Nr._7, S. 143-148

[8] Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: “Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen“, Lightweight Design Ausgabe 2010-04, Vieweg +Teubner, Wiesbaden

[9] Haase, K.-H.: Underwater application of strain gauges, UK Environmental, 2004.

[10] HBM [online]. www.hbm.com, 2014. OptiMet by HBM

(jv)

* Dr. Karl-Heinz Haase, Product and Application Manager Optical Technology & Asset Monitoring; Dr. André Schäfer, Product- and Application Manager Calibration/Wind Energy; Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

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