Mesure structurale avec jauges de contrainte optiques

Les Condition Monitoring Systems (CMS) sont conçus pour assurer une efficacité longue durée des éoliennes. Désormais, ils surveillent également les différents composants importants d’une éolienne comme le rotor, les pales, le mât et les fondations. La tendance recherchée se porte maintenant sur la technologie des jauges optiques comme alternative à la technologie des jauges électriques.

La surveillance des structures et de l’état des édifices tels que les ponts et les constructions est  un axe de recherche et de développement et cela depuis longtemps déjà. Pendant plus de 6 décennies, HBM a été un spécialiste en analyse expérimentale des contraintes, proposant à ses clients des solutions techniques et des chaines de mesure précises et adaptées à leurs besoins.  De nombreux résultats d’essais ont déjà été publiés dans les chapitres [1], [2], [3]

CMS pour assurer une maintenance infaillible

Le but des systèmes de surveillance de l’état des éoliennes est d'assurer une efficacité longue durée de l’éolienne. Ils permettent aussi aux opérateurs de pratiquer  une « maintenance infaillible » construite principalement sur l'historique des chargements qui se sont réellement produits. Ce type de surveillance (CMS) est obligatoire depuis 2005 pour les éoliennes installées en mer selon la directive offshore GL [4], mais elle est initialement requise uniquement pour les éléments de transmission. Les diverses entités de certification (par exemple la DNV GL Renawables Certification) et autres groupes d'experts appropriés attendent avec intérêt de pouvoir étendre dans le futur la CMS pour surveiller les autres composants importants constituant les éoliennes. Ces éléments sont par exemple les pales, les mâts et les rotors. [5] ; [6]

Comme alternative à la technologie des jauges électriques, se présente la nouvelle technologie des jauges optiques. Ces jauges optiques présentent beaucoup d'avantages qui ont déjà permis d’établir en grande partie cette approche :

  • Grande stabilité des jauges optiques lorsqu’elles subissent des charges alternatives garantit une plus longue durée de vie (cela touche les contraintes élevées). [7]
  • Aucun problème en cas de coupure de courant et ainsi aucun risque sur la mesure et possibilité d’endommagement de l'électronique.
  • Compatibilité CEM parfaite, insensibilité aux parasites électriques et champs électromagnétiques (boucles de courant).
  • Avantage du câble en fibre optique en comparaison avec les câbles de cuivre pour des coûts inférieurs et des frais matériels moindres avec également une réduction sensible du poids.

Croissance significative dans le contenu de l'information

En raison de ces avantages, l'utilisation de la fibre optique permet d’installer facilement de nombreuses jauges le long d’une pale, ce qui multiplie de manière significative l’information et la connaissance du produit. C'est est rendu possible principalement du fait de pouvoir utiliser les possibilités de multiplexage offertes par le système d’acquisition et le cheminement du signal dans les lignes de fibre optique. Des solutions hybrides peuvent également être réalisées en combinant les jauges optiques et électriques sur un même essai. Ces systèmes peuvent enregistrer des changements très rapidement. [8]

Les jauges de contrainte sont employées dans la plupart des cas pour surveiller des zones cruciales de la structure comme le mât et les fondations (paramètres dynamiques de la structure et surveillance de la rigidité). Cependant, pour les éoliennes offshores, les jauges  doivent résister aux effets d’un large panel de parasites extérieurs dus à l'environnement maritime, qui exige donc soin particulier lorsqu’on conçoit l'application et on étudie la complexité technique qui en découle. [9]

Résistance à l'humidité

Contrairement à la technologie des jauges résistives (électriques), l’ensemble des effets parasites dus à l’humidité ont peu d’influence. HBM propose le produit OptiMet, des capteurs intrinsèques à fibre optique avec une version en fibre enduite : OptiMet PKF . [10]

Les coûts par voie de mesure dans un système de mesure utilisant la technologie optique se réduisent à mesure que le nombre de jauges raccordées augmente. En effet il est possible d’assembler un certain nombre de grilles de mesure (réseau de Bragg) les unes derrière les autres pour constituer une ligne de fibre optique (typiquement de 8 à 13). En même temps,  cela permet de réduit les frais de câblage par rapport à une solution avec jauges électriques  autant du côté jauges que système de mesure, dans ce cas l’utilisation d’un interrogateur est efficace.

Le potentiel des jauges optiques offre un maximum de possibilité vers perspective d’approche holistique. Les solutions optiques offrent une approche attrayante pour un futur prometteur et vers des possibilités d’extension future.

Références :

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

[2] Liebig, J. P.; Menze, O.: "Keeping an eye on the effects of heavy goods traffic: long-term monitoring of a prestressed concrete bridge," HBM application report 10/2009, Darmstadt, 2009

[3] Gommola, G.; "Are our bridges safe? bridge monitoring with measurement technology from HBM," pp. 22-23; HBM customer magazine "hotline" issue 1/2012

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

[5] Steingröver, K.; et 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.; et al. "CMS für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierer" [CMS for wind energy systems from the point of view of the certifier] "ECONOMIC ENGINEERING" Journal, 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), No. 7, p. 143-148

[8] Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: "Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen" [Early detection of damage on rotor blades of wind power plants], Lightweight Design issue 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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