Analyse der Wirtschaftlichkeit optischer Messsysteme von HBM

Optische Technologien werden in vielen Anwendungen immer beliebter, da sie zahlreiche Vorteile bieten und kontinuierlich weiterentwickelt werden.

FBG (Faser-Bragg-Gitter)-Sensoren und optische Interrogatoren liefern hochgenaue Messungen:

Bei großen Entfernungen (in der Größenordnung von km) oder sehr speziellen Anwendungsszenarien (z. B. starke Magnetfelder, starke EMI/RFI, Explosionsgefahr usw.).
Bei einer großen Anzahl verschiedener, an eine einzige Glasfaser angeschlossener Sensortypen zur Verminderung der Komplexität von Netzwerk und Installation.
An schwer zugänglichen Einsatzorten und Messstellen, aufgrund der geringen Größe und des geringen Gewichts der Faser.

Beim Vergleich optischer Sensoren und Datenerfassungssysteme mit elektrischen Technologien, werden wir im Einzelnen höhere Preise finden. Betrachtet man jedoch die Gesamtlösung, wird man feststellen, dass die optische Messtechnik tatsächlich kostengünstig sein kann.

Die optische Messkette: vom Sensor bis zur Software

Optische Sensoren und Interrogatoren von HBM sind während ihres gesamten Lebenszyklus stabil und zuverlässig.

Die hohe Kanaldichte der Interrogatoren ermöglicht den Einsatz mehrerer Sensoren in derselben Faser. Dies reduziert Kabellänge und Komplexität und vereinfacht so die Installation.

Durch das Angebot aller Komponenten der optische Messkette, von den Sensoren, über die Datenerfassungssysteme, bis hin zu Software und Zubehör, kann HBM Ihnen einen vollständigen Überblick über alle anfallenden Kosten geben. Sehen wir uns die Kosten der einzelnen Bereiche, aber auch die des Gesamtsystems an.

1. Optische Sensoren

Was den Preis des Sensors angeht, sind optische Systeme in der Regel etwas teurer als herkömmliche Sensoren. Betrachtet man die Sensoranzahl, wird das optische System mit einer zunehmenden Anzahl von Sensoren also teurer.

Aber warum sind die optischen Sensoren teurer? Zu ihren Vorteilen zählen:

Unempfindlich gegen elektromagnetische Störeinflüsse (EMI)
Geeignet für hochgradig explosionsgefährdete Bereiche und andere raue Bedingungen
Langzeit-Signalstabilität (keine Drift) mit absoluter Null-Referenz
Multiplexing von vielen und sogar unterschiedlichen Sensoren in einer Faser
Im Vergleich zu Kupferkabeln dünner und leicht

2. Datenerfassungssystem

Für ein optisches Messsystem werden jedoch nicht nur Sensoren, sondern auch ein Datenerfassungssystem benötigt.

Auch hier scheint es, dass die Stückkosten des optischen DAQ-Systems von HBM höher sind als beim elektrischen System.

Tatsache ist jedoch, dass ein einziges optisches Gerät eine größere Anzahl von Sensoren messen kann als andere, elektrische Geräte. Bei der optischen Technologie brauchen wir nur ein neues Gerät, wenn die Anzahl der Sensoren größer wird, was bedeutet, dass die optische Lösung ab einem bestimmten Punkt, bzw. einer bestimmten Anzahl an Sensoren, hinsichtlich der Kosten interessant wird.

Anstatt also mehrere Datenerfassungsgeräte zu kaufen, um eine große Anzahl von Sensoren anzuschließen, steht Ihnen bei einem optischen Interrogator bereits eine hohe Kanaldichte für den Anschluss mehrerer Sensoren zur Verfügung. Das erspart Ihnen eine teure Investition in mehrere DAQ-Geräte.

3. Zubehör

Das Zubehör eines optischen Messsystems umfasst Kabel, Schutzvorrichtungen usw. Es ist erforderlich, um alle Elemente miteinander zu verbinden und das System in Betrieb zu halten.

Da die Glasfaser günstiger ist als Kupferleitungen, liegt der Kostenvorteil auf der Hand. Durch den Multiplexing-Charakter von Glasfasersensoren werden auch die benötigten Kabellängen optimiert.

4. Systeminstallation

Die Installation spielt ebenfalls eine wichtige Rolle im Hinblick auf die Gesamtkosten. Die Installationszeit steigt mit der Anzahl der Messstellen und Zeit ist Geld. Es werden Techniker, Transport, Unterkunft, etc. benötigt. Beim Vergleich der Installation von optischen mit der von elektrischen Sensoren, mag es sein, dass optische Sensoren eine höhere Anfangsinvestition bedeuten, wenn jedoch die Anzahl der Sensoren zunimmt, wird – da die Installation einzelner Sensoren schneller und die Verkabelung einfacher ist – die optische Lösung attraktiver.

Betrachtet man den Break-even-Punkt, so wird die optische Messlösung im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen schnell zur kostengünstigeren Wahl.

Nur in Systemen mit einer geringen Anzahl von Sensoren wird das optische System etwas teurer. Nimmt die Anzahl an Sensoren allerdings zu ändert sich das schnell.

5. Spezielle Anwendungsfälle

Die Wettbewerbsfähigkeit eines optischen Messsystems wird auch deutlich, wenn man zu „speziellen“ Anwendungen übergeht, die zusätzlichen Schutz oder eine besondere Sorgfalt erfordern. Beispiele hierfür sind Anlagen, die in ATEX-Bereichen oder Offshore installiert sind. Es gibt Lösungen für den Einsatz jeder Technologie unter diesen Bedingungen, aufgrund der Eigenschaften der verwendeten Materialien, ist der erforderliche Aufwand bei konventionellen Systemen jedoch höher.

Unter Berücksichtigung des Aufwands rückt der Break-even-Punkt also näher an den Ursprung des Graphen heran. Wir sehen, dass die optische Technologie für spezielle Anwendungen selbst bei einer kleinen Sensoranzahl kostengünstig sein kann.

MXFS Hybridkonzept - das Beste aus beiden Welten

Das Hybridkonzept - das Beste aus beiden Welten

Keine Technologie löst alle Probleme und Herausforderungen gleichermaßen perfekt. Daher ist ein Hybridkonzept, das optische und elektrische Messtechnologien kombiniert, die beste Lösung. HBM ist einer der wenigen Anbieter auf dem Markt, der ein solches anbietet.

Dem neuen optischen Interrogator QuantumX MXFS BraggMETER kommt eine Schlüsselfunktion bei hybriden Messungen zu. Als Teil der QuantumX-Familie bringt er optische und elektrische Technologien unter dieselbe Plattform: gleiche Software, gleichzeitiges Erfassen aller Daten, synchronisierte Geräte. So können Ingenieure für jede Messung die beste verfügbare Lösung auswählen.

Da MXFS ein Modul der QuantumX-Familie ist, lässt es sich sehr einfach in die elektrische Messkette integrieren. Für die Signalübertragung stehen Verbindungen über Ethernet, FireWire oder Modulträger zur Verfügung. Daten können analog oder als CAN-Signale gewandelt werden.

Alle QuantumX-Module, auch MXFS, sind mit der Software catman oder jeder anderen Software von modernen API- und LabVIEW-Treibern kompatibel. So ist eine einfache Datenauswertung möglich und es sind keine tiefer gehenden Kenntnisse der optischen Technologie notwendig.

Ein Beispiel aus der Praxis: Wirtschaftlichkeit eines optischen Messsystems

Aufgabe:

Installation eines Systems für die Strukturüberwachung auf einer 150 m langen Betonbrücke unter Einbeziehung von 35 Dehnungsmessstellen, 12 triaxialen Beschleunigungsmessern, 10 Wegaufnehmern und 4 Temperaturmessungen.

Für das optische System müssen zusätzliche 35 Sensoren für die Temperaturkompensation berücksichtigt werden, um den Temperatureinfluss auf die Dehnungsmessungen zu eliminieren.

Verteilung der verschiedenen Pakete auf das Gesamtbudget (zum Vergrößern anklicken):

Kostenverhalten:

Beim Vergleich der Kosten für jedes Paket sehen wir eindeutig höhere Kosten für optische Sensoren, da durch die Temperaturkompensation mehr Sensoren benötigt werden.

Berücksichtigt man jedoch die Signalanzahl, ist das Datenerfassungssystem deutlich günstiger, wenn optische Technologie eingesetzt wird. Das gleiche gilt für die Installationskosten. Auch die Kosten für das Zubehör, vor allem für die Kabel aufgrund der Entfernungen, werden bei der Entscheidung für optische Technologie stark reduziert.

Kostenvorteil: Optisch vs. herkömmlich

Für eine so einfache Struktur würden die Kosten eines auf optischer Technologie basierenden Systems für die Strukturüberwachung etwa 95% der Kosten eines herkömmlichen Systems betragen.

1. Sensorik	371%
2. Datenerfassung	60%
3. Zubehör	40%
4. Systeminstallation	75%
TOTAL	95%

Fazit: Lohnt es sich, ein optisches Messsystem in Betracht zu ziehen?

Auf den ersten Blick könnte die optische Technologie teurer erscheinen als herkömmliche Technologien.

Betrachtet man jedoch jedes Element, das sich zu einem kompletten System zusammenfügt, und seine Gesamtbetriebskosten, erweist sich diese Vorstellung für Systeme mit mittlerer bis hoher Sensoranzahl als nicht haltbar.

Insbesondere in extremen Umgebungen, in denen aufgrund der besonderen Eigenschaften der optischen Technologie weniger Messprobleme entstehen und weniger Schutz erforderlich ist, erweist sich die optische Messtechnologie auch für Anwendungen mit geringer Sensoranzahl als attraktiv.