Grössere Sicherheit und Stabilität der Infrastruktur durch Faseroptische Sensoren

Brücken, Tunnel, Pipelines, Telekommunikationsnetze, Stromübertragungsleitungen und Bauwerke bilden das Rückgrat moderner Gesellschaften und ermöglichen die Bereitstellung kritischer Dienste und Verbindungen. Die Sicherheit und Stabilität dieser Infrastruktur muss ohne Abstriche gewährleistet sein. Glücklicherweise hat der technische Fortschritt wichtige innovative Lösungen zur Überwachung dieser Komponenten hervorgebracht. In diesem Zusammenhang setzen faseroptische Sensoren neue Maßstäbe.

Bei der faseroptischen Sensorik (FOS) werden Glasfasern in die Infrastruktur integriert, um verschiedene physikalische Parameter in Echtzeit zu überwachen. Diese Glasfasern erlauben, Änderungen in der Temperatur und Dehnung sowie mechanische Druckwellen, die durch eine Vielzahl von Ereignissen ausgelöst werden können, zu erkennen. Für diesen Einsatzzweck wird eine einzelne Standardfaser, die über große Entfernungen und mit einer hohen räumlichen Auflösung sehr große Infrastrukturbereiche abdecken kann, als verteilter linearer faseroptischer Sensor genutzt.

Die faseroptische Sensortechnologie basiert auf der optischen Rückstreuung, die auftritt, wenn das durch den Kern einer Glasfaser übertragene Licht mit seiner Umgebung reagiert.

Für faseroptische Sensoren genutzte Rückstreueffekte

Änderungen in den physikalischen Umgebungsparametern, wie Dehnung oder Temperatur, verursachen kleinste Schwankungen in den Eigenschaften der übertragenen Lichtsignale, die erkannt und ausgewertet werden können. Moderne Signalverarbeitungstechnologien versetzen die Techniker in die Lage, diese Schwankungen in aussagekräftige Daten umzuwandeln. Hieraus ergeben sich die folgenden Anwendungsmöglichkeiten:

• Überwachung der Bauwerkssicherheit: Faseroptische Sensoren erlauben, Bauwerke, wie Brücken, Gebäude und Staudämme, kontinuierlich in Echtzeit zu überwachen. Alle Abweichungen bei Temperatur oder Dehnung werden sofort erkannt, sodass die Besitzer und Konstrukteure über potenzielle Störungen informiert werden, lange bevor eine Gefährdung eintritt.
• Pipeline-Überwachung: An Öl- und Gas-Pipelines sowie an Wasserverteilsystemen können Leckagen und andere Schäden auftreten. Faseroptische Sensoren helfen, Leckstellen, Bodenbewegungen oder externe Einwirkungen Dritter zu erkennen und vor allem zu lokalisieren, was das Unfallrisiko vermindert und kostenintensive Reparaturen vermeidet.
• Überwachung geotechnischer Anlagen: Bei Tunneln und unterirdischen Anlagen vermitteln faseroptische Sensoren wertvolle Einblicke in Bodenbewegungen, Bodensenkungen und andere potenzielle Gefahren und unterstützen damit die Frühwarnung sowie vorbeugende Maßnahmen.
• Smart-Grid-Überwachung: Faseroptische Sensoren werden immer häufiger in intelligenten Stromnetzen („Smart Grid“) eingesetzt, um die Stromübertragungsleitungen, Transformatoren und Umspannwerke zu überwachen. Die erfassten Daten helfen, die Energieverteilung zu optimieren, und erhöhen die Zuverlässigkeit des Stromnetzes.

Faseroptische Sensoren bieten die folgenden Vorteile:

• Wirtschaftlichkeit: Traditionelle Überwachungssysteme benötigen häufig mehrere, an unterschiedlichen Orten installierte Sensoren, was die Installations- und Wartungskosten erhöht. Faseroptische Messungen nutzen dagegen eine einzelne Glasfaser als linearer Sensor, um große Bereiche zu erfassen. Damit ist es möglich, die Kosten für die Installation und den Betrieb deutlich zu senken.
• Proaktive Wartung: Verteilte faseroptische Sensoren informieren rechtzeitig über Veränderungen oder Auffälligkeiten, sodass eine frühzeitige Reaktion auf potenzielle Probleme oder Bedrohungen möglich ist.
• Langlebigkeit und Robustheit: Die für faseroptische Messungen eingesetzten Glasfasern und Glasfaserkabel sind sehr robust und widerstehen auch extremen Umgebungsbedingungen. Daher bieten sie sich für die Langzeitüberwachung der Infrastruktur an.
• Fernüberwachung: Da faseroptische Sensoren eine Fernüberwachung ermöglichen, verringert sich der Aufwand für Vor-Ort-Kontrollen und die Techniker müssen nicht mehr zu potenziell gefährlichen Standorten in den Einsatz geschickt werden.
• Skalierbarkeit: Die Sensortechnologie ist skalierbar und kann verschiedene Parameter gleichzeitig überwachen. Damit ist es möglich, auch komplexe Infrastrukturanlagen mit Überwachungslösungen umfassend zu schützen.

Faseroptische Sensoren bieten eine Vielzahl von Leistungsmerkmalen zur Überwachung verschiedener Parameter, die für die Stabilität und Zuverlässigkeit von Infrastrukturanlagen kritisch sind. In diesem Einsatzbereich werden vor allem drei Arten faseroptischer Sensoren zur Überwachung von Temperatur, Dehnung und Akustik/Vibrationen genutzt.

• Temperaturmessung: Temperaturabweichungen und Überhitzungen können die Stabilität von Infrastrukturanlagen, wie Pipelines, Stromübertragungsleitungen und elektrischen Geräten, ernsthaft beeinträchtigen. Bei der faseroptischen Temperaturmessung (Distributed Temperature Sensing, DTS) werden temperaturbedingte Änderungen an der Frequenz der über die Glasfaser zurückgestreuten Lichtsignale ausgewertet. Dieses Verfahren ermöglicht, die Temperaturprofile über die gesamte Länge der Glasfaser kontinuierlich zu überwachen, und stellt aussagekräftige Daten zu potenziellen Überhitzungen (Hotspot) oder Temperaturschwankungen, die die Belastbarkeit der Infrastrukturanlage beeinträchtigen könnten, zur Verfügung.
• Dehnungsmessung: Die Überwachung der durch mechanische Kräfte verursachten Dehnungsbelastung ist unverzichtbar, um die Stabilität von Bauwerken einzuschätzen. Bei der faseroptischen Dehnungsmessung (Distributed Strain Sensing, DSS) werden kleinste Veränderungen in der Frequenz des Lichtes, die durch die mechanische Belastung der Glasfaser ausgelöst werden, erkannt. Dieses Messverfahren erlaubt, Verformungen, Risse und Überlastungen zu erkennen und daher, Totalausfälle zu verhindern und die Einsatzdauer kritischer Infrastrukturanlagen zu verlängern.
• Akustik-/Vibrationsmessung: Das faseroptische akustische Messverfahren (Distributed Acoustic Sensing, DAS) ist eine neue Technologie zum Erkennen und Lokalisieren von akustischen Störungen (Schall) und Vibrationen (Schwingungen). DAS analysiert Änderungen in der Lichtstreuung, die durch mechanische Druckwellen verursacht werden. Damit wird die Glasfaser praktisch zu einer akustischen Überwachungsstrecke mit Tausenden virtuellen Mikrofonen, die über einen großen geografischen Bereich verteilt sind. Dieses Leistungsmerkmal bietet sich insbesondere für die Überwachung großer Infrastrukturnetze, wie Pipelines und Eisenbahnstrecken, an, da es potentielle Lecks, Fremdeingriffe und Störungen sowie sogar seismisch bedingte Bodenbewegungen erkennen kann.

In ihrer Kombination schaffen diese verschiedenen Arten faseroptischer Messverfahren eine Komplettlösung zur Überwachung von Infrastrukturanlagen. Darüber hinaus eröffnen sie neue Möglichkeiten zur Einrichtung integrierter und intelligenter Systeme, die an den sich entwickelnden Bedarf unserer komplexen und vernetzten modernen Welt anpassbar sind. Indem wir das Leistungspotenzial der faseroptischen Sensorik ausschöpfen, können wir die Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit unserer kritischen Infrastruktur erhöhen sowie eine nachhaltige und robuste Zukunft gewährleisten.

Zweifellos spielen die kontinuierliche Weiterentwicklung und Integration faseroptischer Sensoren für Überwachungsanwendungen eine entscheidende Rolle beim Schutz unserer Infrastrukturanlagen, denn sie stellt den Technikern und Entscheidungsträgern die Werkzeuge zur Verfügung, die diese benötigen, um Herausforderungen proaktiv zu bewältigen und informierte Entscheidungen für eine stabilere Zukunft zu treffen.

Mehr über diese neuen Messverfahren erfahren Sie auf unserer Webpage zu faseroptischen Sensoren..

Dies ist der letzte Blog-Beitrag in der Reihe zu zentralen Glasfaser-Tests. Die anderen Posts finden Sie hier:

• Aufbau Anforderungsgerechter Passiver Optischer Qualitätsnetze (PON): Zentrale Tests

• Ausschöpfung des Glasfaser-Analysepotenzials für mehr Leistung in optischen Netzen

• Glasfaser-Abhörversuche und Datensicherheit: ein Überblick über potenzielle Bedrohungen und deren Erkennung

• Die kritische Rolle von Ferntest- und Fernüberwachungssystemen für Glasfasern: schnellere Reparaturen und Monetarisierung

Douglas Clague ist Solutions Marketing Manager für Glasfaser-Feldlösungen bei VIAVI. Er verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet der Mess- und Prüftechnik mit Schwerpunkt auf Glasfaser- und Kabel-Technologien für die Telekommunikationsindustrie. Vor VIAVI hatte er verschiedene Positionen als Manufacturing Engineer, Solutions Engineer und Business Development Manager inne. Er arbeitet aktiv in zahlreichen Branchenorganisationen mit, die sich mit den Entwicklungstrends in der Glasfaser- und Kabeltechnologie befassen. Douglas Clague hat an der Brunel University in London studiert und ein Diplom in Elektrotechnik/Elektronik erworben.