Misurazioni strutturali con gli estensimetri ottici

I Sistemi di Monitoraggio della Condizione (CMS) sono progettati per garantire l'efficienza a lungo termine degli impianti di energia eolica. In futuro essi monitoreranno anche componenti importanti quali le pale dei rotori, le torri e le fondamenta. Quale alternativa alla tecnologia elettrica, l'obiettivo si sta spostando verso la tecnologia dei sensori ottici.

Il monitoraggio della struttura e della condizione sui manufatti quali i ponti e gli edifici è già stato da lungo tempo l'oggetto di ricerche e sviluppi. Da oltre 6 decenni la HBM è specializzata nell'analisi sperimentale delle sollecitazioni, fornendo soluzioni perfettamente centrate per tali compiti lungo l'intera catena di misura. In questo settore sono già stati pubblicati numerosi risultati delle indagini effettuate. [1], [2], [3]

Il CMS consente una manutenzione a prova di guasti

Lo scopo dei Sistemi di Monitoraggio della Condizione (CMS) negli Impianti di Energia Eolica (WPP) è quello di garantire la loro efficienza a lungo termine. Tali sistemi offrono agli operatori la possibilità di praticare anche la "manutenzione a prova di guasti", basata principalmente sulla storia dei carichi realmente accaduti. Fin dal 2005, questo tipo di CMS è diventato obbligatorio per i sistemi di energia eolica offshore (in mare aperto) secondo la Linea guida GL Offshore [4], ma inizialmente richiesto solo per il gruppo di trasmissione. I vari Enti di Certificazione (ad esempio il DNV GL Renewables Certification) ed altri importanti gruppi di esperti, stanno cercando di espandere in futuro il CMS per monitorare altri importanti componenti dei sistemi di energia eolica. Per esempio, includendo le pale del rotore, le torri  le fondamenta. [5]; [6]

Quale alternativa alla tecnologia elettrica, la tecnologia dei sensori ottici è caratterizzata da numerosi vantaggi, che hanno  contribuito a renderla già largamente diffusa:

  • L'elevata stabilità dei sensori a fibra ottica ai carichi alternati comporta una lunga vita operativa (argomento rilevante: alte deformazioni). [7]
  • Non esistono problemi causati dalla caduta fulmini e perciò non vi è alcun pericolo che vengano distrutte la tecnologia e l'elettronica di misura.
  • Non si verificano disturbi EMC (interferenze elettromagnetiche, loop di massa. ecc.).
  • cavi a fibra ottica, rispetto a quelli di collegamento di rame, comportano la riduzione dei costi, il minor impegno di cablaggio e a riduzione del loro peso.

Incremento significativo del contenuto di informazioni

Grazie a questi vantaggi, l'uso di fibre ottiche consente di installare in modo distribuito i sensori sulle pale, aumentando così significativamente il contenuto di informazioni. Ciò è reso possibile principalmente dalla capacità multiplexing dell'acquisizione dei segnali e della posa delle linee ottiche. Si possono creare anche soluzioni ibride, con l'idonea combinazione di sensori in fibra ottica ed elettrici. Questi sistemi sono in grado di rilevare molto rapidamente i cambiamenti. [8]

In molti casi vengono utilizzati gli estensimetri per monitorare le zone cruciali come le torri e le fondamenta (parametri strutturali dinamici e monitoraggio della matrice di rigidità). Tuttavia, nei sistemi di energia eolica offshore, i sensori devono resistere ad un'ampia gamma di svariati effetti di interferenze dovuti all'ambiente marino, richiedendo una particolare attenzione nella progettazione della loro installazione e nella corrispondente complessità tecnica. [9]

Resistenza all'umidità

Per la tecnologia ottica, contrariamente a quella basata sulla resistenza elettrica, l'intero complesso di effetti delle interferenze causati dall'umidità, non ha alcuna rilevanza. La OptiMet by HBM, tecnologia a griglia ottica offerta dalla HBM, è disponibile in forma di fibra rivestita (OptiMet PKF con fibre a griglia di Bragg multiple in una catena). [10]

Il costo per canale di misura nel sistema con sensori a fibre ottiche diminuisce all'aumentare del numero di sensori collegati. È possibile disporre numerose griglie di Bragg una dopo l'altra nella catena di fibre ottiche (tipicamente da 8 a 13). Nel contempo ciò riduce l'impegno del cablaggio in confronto agli estensimetri elettrici di un corrispondente fattore e lo strumento di analisi (interrogatore) viene utilizzato in modo ancor più conveniente.

Il potenziale dei sensori a fibra ottica ha il suo massimo effetto dalla prospettiva di un approccio olistico. Ciò rende le soluzioni ottiche un metodo accattivante, con un futuro promettente e notevoli possibilità di espansione. 

Bibliografia:

[1] Henke, V. "Monitoring the Reichenbach and Albrechtsgraben viaducts"; RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; pages 10-20, Darmstadt, 2007 ("Monitoraggio dei viadotti Reichenbach ed Albrechtsgraben";  RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; pagine 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 ("Tenendo conto degli effetti del traffico pesante di merci: monitoraggio a lungo termine di un ponte di cemento precompresso", rapporto applicazioni HBM 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 ("Sono sicuri i nostri ponti? Monitoraggio con la tecnologia di misura UBM", pagine 22-23; edizione 1/2012 dello HBM customer magazine "hotline")    

[4] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, 2005 (Lloyd Tedesco: Linea guida per la Certificazione delle Turbine Eoliche Offshore, 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 (Sistemi di Monitoraggio Condizione per le Turbine Eoliche: Stato corrente e sguardo sugli sviluppi futuri dalla prospettiva della certificazione"; rapporto VDI su "Vibrations in wind turbines," Brema, 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 ("CMS per gli Impianti di Energia Eolica dal Punto di Vista della Certificazione"; "ECONOMIC ENGINEERING" Journal, edizione 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 (Proprietà alla trazione ed alla fatica dei Sensori a Reticolo di Fibra di Bragg. Nel: Sensors & Transducers Journal 154 (2013), No. 7, pagine 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 ("Riconoscimento Precoce dei Danni sulle Pale del Rotore degli Impianti di Energia Eolica"; Lightweight Design edizione 2010-04, Vieweg +Teubner, Wiesbaden)  

[9] Haase, K.-H.: Underwater application of strain gauges, UK Environmental, 2004. (Applicazione subacquea degli estensimetri; 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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