光ファイバ式ひずみゲージ(光学式ひずみゲージ)による構造計測

状態監視システム(CMS: コンディションモニタリングシステム) は、長期間にわたり設備の損傷を早期に検出するシステムで、早期発見による損傷拡大の防止や、交換部品の先行手配などによる風力発電所の利用率の向上を目的としています。また将来は、ブレード、タワー、基礎部分などの重要部分も監視する計画です。 そこで、電気技術に代わる手段として光ファイバセンサ技術が注目されています。

長い間、橘梁やビルなどの建造物の構造や状態の監視は研究開発の対象になってきました。  HBMは60年以上にわたり、応力分析の専門家として計測チェーン対応するソリューションを提供してきました。 この分野に関しては多数の試験結果が既に発表されています。 [1], [2], [3]

CMSによるフェールセーフ・メンテナンス

風力発電所(WPP)における状態監視システム(CMS)の目的は、長期的な設備稼働率の向上です。主に実際の荷重履歴に基づいて、「フェールセーフ・メンテナンス」を実施します。 このタイプのCMSは、2005年以降GL Offshore Guideline(4) により、海上の風エネルギシステムには装備することが義務となりましたが、まだ駆動系だけが対象です。様々な公認団体(例:DNV GL Renewables Certification)や他の関連専門グループは、将来、風力エネルギシステム他の重要コンポーネントに対しても、CMSが広がることを期待しています。例えばブレード、タワー、基礎などです。[5]; [6]

そこで、電気技術に代わる手段として光センサ技術が注目されています。 光センサ技術は多くの利点を持っており、既にこの方式が大きく役立っています:

  • 動的負荷に対する高い安定性、結果としての長い製品寿命(問題点:強度なひずみ) [7]
  • 非導電性材料の為落雷の影響を受けない、よって計測機構や電子回路が破壊されない
  • EMC干渉がない(電磁信号干渉とグラウンドループなど)
  • 銅線ケーブル配線と比較して、コストや重量を低減できる

データ品質を大幅に改善

こうした利点のため、光ファイバはブレードの上にセンサを分散させて配置でき、データ品質を大幅に改善できます。 光ファイバでは、信号の送受信において多重送信機能ができるからです。 また、電気式センサと光ファイバセンサを組み合わせたハイブリッドソリューションを利用することもできます。 これらのシステムは急激な変化を記録できます。[8]

多くの場合ひずみゲージは、タワーや基礎などの重要な箇所を監視(構造上の動的パラメータと剛性マトリクスを監視)するのに使用されます。 しかしながら、海上の風力エネルギーシステムでは、センサは海洋環境による様々な影響に耐えなければなりません(海洋環境に対応した設計と関連技術上の複雑な諸問題に対して特別な注意が必要です)。[9]

湿度にも強い

光学技術は、電気抵抗式の技術と比較した場合、湿気による複合的な問題がありません。 HBMのOpttiMet(HBMのファイバグリッド技術)は、コーティングされたファイバ(チェーン状の複数ブラッグ格子がある OptiMet PKF )です。 [10]

接続センサの数が増加すれば、光ファイバ式センサによる計測システムのチャネルあたりのコストは減少します。 光ファイバ式計測チェーン(通常8~13)として、多数のブラッグ格子を連続して繋げることができます。 同時に、同格の電気式ひずみゲージと比べて、配線コストが小さいだけでなく、分析装置をさらに効果的に使用できます。

光ファイバ式ひずみゲージの可能性は、総合的な観点から判断すると、計測業務の効率が大きく改善できることが分かります。 この光学式ソリューションは、将来の拡張性が期待できる魅力的な計測パッケージです。

References:

[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

HBMへのお問合せ HBMやHBMの製品について「もっと詳しく知りたい」、「わからないことがある」、「こんな製品を探している」などございましたら、お気軽に下記お問合せフォームでご連絡ください。