Optische Glasfasern ermöglichen die Echtzeitüberwachung von Temperatur, mechanischer Belastung und Vibrationen (Akustik) in unterschiedlichen, anspruchsvollen Umgebungen. Je nach Anwendung und verwendeter Technologie sind klassische faseroptische Telekommunikationskabel geeignete Sensorkabel, während für andere Anwendungen spezielle Sensorkabel erforderlich sind. Diese speziellen Sensorkabel sind für den Einsatz unter schwierigen Bedingungen konzipiert, um präzise Messungen zu gewährleisten.
Funktionsweise der Technologie
Glasfaserkabel bestehen typischerweise aus drei Hauptkomponenten: dem Kern (Core), dem Mantel (Cladding) und der Beschichtung (Coating). Der Kern und der Mantel besitzen unterschiedliche Brechungsindizes, wodurch das eingekoppelte Licht an der Grenze zwischen Kern und Mantel mit minimalen Verlusten reflektiert wird (Totale Reflexion). Durch die Nutzung der totalen Reflexion kann das eingekoppelte Licht lange Strecken zurücklegen. Der Brechungsindex des Kerns ist höher als der des Mantels, wodurch das Licht im Kern gehalten und über Kilometer hinweg mit geringer Dämpfung weitergeleitet werden kann.
Zum mechanischen Schutz der Glasfaser, wird eine primäre Beschichtung aufgetragen. Die Wahl der Beschichtung hängt vom Temperatureinsatzbereich ab. Sensorfasern für Standardtemperaturbereiche nutzen eine Polyacrylat-Beschichtung, während Fasern für Hochtemperatur- oder kryogene Umgebungen eine Polyimid- oder Metallbeschichtung verwenden.
Umgebungstemperaturbereich der Primärbeschichtung
| Primärbeschichtung | Umgebungstemperaturbereich |
| Acrylat | -40 °C bis +90 °C |
| Hochtemperatur-Acrylat | -40 °C bis +150 °C |
| Silikon PFA | -40 °C bis +200 °C |
| Polyimid | -180 °C bis +300 °C |
| Metall | >300 °C bis zu + 500 °C |
Unsere Sensorkabel sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich: integriert in einem metallenen Röhrchen (FIMT) oder metallfrei; robuste „tube-in-tube“ Lösungen und Armierung aus Edelstahl. Metallfreie Kabel reduzieren das Risiko induzierter Spannungen und sind in der Regel mechanisch flexibler, während metallarmierte Kabel einen robusten Schutz gegen raue Umgebungen und Nagetierschäden bieten. Zusätzlich steht eine große Auswahl an geeigneten Ummantelungen zur Verfügung, wie flammwidrige, korrosionsbeständige (FRNC) Ummantelungen und wasserdichtes High-Density-Polyethylen (HDPE), um spezifische Umweltanforderungen zu erfüllen.
Sensorkabel sind mit Multimode- (MM) und Singlemode-Fasern (SM) oder einer Kombination aus beiden erhältlich. Bei MM-Fasern hat der lichtführende Kern einen Durchmesser von 50 µm, wodurch wesentlich mehr Licht in den Kern als bei SM-Fasern eingekoppelt werden kann. Heutzutage wird in den meisten Fällen ein 50-µm-Kern gegenüber einem 62,5-µm-Kern bevorzugt und hat sich als Standard für Multimode-Fasern etabliert. Die meisten MM-Fasern weisen einen Gradientenindex (GI) entlang ihres Querschnitts auf, um die Modendispersion zu verringern. Das bedeutet, dass der Übergang des Brechungsindexes zwischen dem Mantel und dem Kern graduell erfolgt, im Gegensatz zu den Stufenindexfasern, bei denen der Brechungsindex diskontinuierlich zwischen dem Kern und der Ummantelung abnimmt. Da bei einer Singlemode-Faser aufgrund des deutlich geringeren Kerndurchmessers von 9 µm nur eine optische Mode transportiert wird, sind diese ausschließlich als Stufenindex-Fasern erhältlich.
Die Hauptrichtung der Lichtausbreitung in einer Faser verläuft entlang der zentralen Faserachse, wenn ein erster Laserlichtimpuls in eine optische Faser emittiert wird. Tritt Licht in einem Winkel zu seiner Mittellinie in die Faser ein, führt dies zu internen Reflexionen und letztendlich zu einer Ausbreitung (Zickzack- oder spiralförmiger Weg) innerhalb des Stufenindex entlang der Faser.
Bei Multimode-Fasern unterscheidet sich die optische Weglänge zwischen den unterschiedlichen eingekoppelten Lichtstrahlen (Moden), wodurch diese später als das Hauptmodenlicht ankommen. Dies führt zu einer Verschmierung des optischen Signals (Modendispersion). Aufgrund des niedrigeren Brechungsindex im äußeren Bereich des Faserquerschnitts, ermöglicht ein gradueller Index Moden unterschiedlich schnell zu bewegen. Dies minimiert den Effekt der modalen Dispersion.
In der Regel werden MM-Fasern für DTS-Messungen und für die meisten Glasfaser-Kommunikationsanwendungen mit hoher Bandbreite verwendet. MM-Fasern haben wesentlich größere Querschnitte, die viel mehr Licht (mehr Energie) in den Kern einkoppeln und intern reflektieren.
Darüber hinaus minimiert die MM-Faser im Vergleich zum Kern einer SM-Faser die Fehlanpassung der Kernausrichtung, sodass weniger Spleiß- und Adapterverluste entstehen. Dies führt zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis (engl.: Signal-to-noise ratio, SNR) und Auflösungsvermögen für DTS-Systeme.
Jedoch sind SM-Fasern für unterschiedliche Systeme von Vorteil. Die SM-Fasern haben typischerweise einen kleinen Kern mit einem Durchmesser von 9 µm. Dadurch, dass sich Licht nur in einer Mode ausbreiten kann, wird die modale Dispersion verhindert. Daher kann zwar weniger Licht in eine Faser eingekoppelt werden, was die Messung von Raman-gestreutem Licht signifikant erschwert, aber da Rayleigh- bzw. Brillouin-Streuungssignale um Größenordnungen intensiver sind als Raman-Streuungssignale, werden SM-Fasern hauptsächlich für DAS- oder DTSS-Systeme verwendet, um hohe Messreichweiten zu erzielen.
Faseroptische Sensorkabel sind auch an unzugänglichen Orten einsetzbar, da sie in der Regel schmal und flexibel sind und keine elektrische Stromversorgung benötigen, um zu funktionieren. Die Sensorkabel sind zudem immun gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und sind – bei metallfreier Ausführung – nicht induktiv aufladbar, sodass sie an Orten mit Hochspannungsanlagen oder an Orten mit entflammbaren Materialien, wie z. B. Flugzeugtreibstoff in Flughafenhangars, verwendet werden können.
Nutzen & Vorteile
Präzise Lokalisierung
Genaue Detektion und Lokalisierung von Temperatur-, Dehnungs-, Vibrations- bzw. akustischen Ereignissen.
Großer Temperaturbereich
Einsetzbar über ein breites Temperaturspektrum von -180 °C bis +300 °C.
EMI-Immunität
Immun gegenüber elektromagnetischen Einflüssen (engl.: Electromagnetic Interference, EMI), was einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen gewährleistet.
Wartungsfrei
Mit einer hohen Lebenserwartung sind passive faseroptische Sensorkabel wartungsfrei und somit bestens geeignet für unzugängliche Bereiche.
Explosionssicherheit
Aufgrund seiner passiven (nicht stromführenden) Eigenschaften, sowie der von AP Sensing verwendete Sensortechnologie (sehr geringe Laserleistung) für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen geeignet.
Flexibel und passiv
Kleine, flexible und rein passive Sensorelemente ermöglichen vielseitige Installationen und eine hohe Langlebigkeit.
Vergleich mit anderen Systemen
Anwendung von Sensorkabeln
Stromnetzüberwachung
Faseroptische Sensorkabel, in Kombination mit Systemen der ortsverteilten Temperaturmessung (engl.: Distributed Temperature Sensing, DTS), ortsverteilten Dehnungsmessung (engl.: Distributed Strain Sensing, DTSS) und der ortsverteilten akustischen Sensorüberwachung (engl.: Distributed Acoustic Sensing, DAS), ermöglichen die Echtzeitüberwachung von Stromnetzen. Sie erkennen Temperatur-Hotspots, Kabelfehler und unerlaubte Eingriffe Dritter und sorgen für ein effizientes Lastmanagement, verhindern Ausfälle und erhöhen die Zuverlässigkeit der Stromübertragungs- und verteilungssysteme.
Branddetektion
Die faseroptische LHD-Technologie (engl.: Linear Heat Detection) ermöglicht eine präzise Echtzeitüberwachung von Temperaturveränderungen über große Strecken und ist ideal geeignet für die Raum- und Objektüberwachung von sicherheitskritischen Bereichen wie Tunnel- und Industrieanlagen. Die frühzeitige Erkennung von kritischen Wärmeentwicklungen ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Brandausbrüche und sorgt so für mehr Sicherheit.
Pipeline-Integritätsmanagement
Glasfaserkabel ermöglichen die kontinuierliche Überwachung von Pipelines, die Erkennung von Lecks, mechanischem Stress und Gefahren der Beschädigung, Sabotage oder Vandalismus. Diese Systeme gewährleisten die Sicherheit und die betriebliche Integrität kritischer Infrastrukturen in Branchen wie Öl-, Gas- und Wasserversorgung.
Bohrloch- & Lagerstättenüberwachung
Sensorkabel werden häufig in Bohrloch- und Lagerstätten zur Überwachung von Temperatur- und akustischen Signalen eingesetzt. Diese Systeme ermöglichen eine sichere und effiziente Gewinnung von Abbauprodukten, indem sie Lecks erkennen, die Integrität von Bohrlöchern überwachen und die Produktion optimieren. Echtzeitdaten aus dem Bohrloch helfen den Betreibern, ihre Anlagen zu kontrollieren, optimieren und schnell auf etwaige Betriebsanomalien zu reagieren.
Geoüberwachung
DTS- und DAS-Systeme sind wertvolle Tools für die Überwachung von Erdrutschen, Bodensenkungen und Verschiebungen des Grundwasserspiegels. Durch die Erfassung potenzieller Gefahren und entsprechender Frühwarnung tragen sie dazu bei, das Risikovon Infrastrukturschäden zu minimieren.
Schienenüberwachung
Sensorkabel in DTS- und DAS-Systemen überwachen die Gleisintegrität und erkennen Probleme wie Gleisverwerfungen, Schienenbrüche und Gefahren, die durch Dritte verursacht werden können. Diese Systeme liefern Echtzeitdaten, die eine vorbeugende Wartung ermöglichen und damit Unfälle reduzieren und einen sicheren Bahnbetrieb gewährleisten.
Perimeterüberwachung
Sensorkabel werden mit Hilfe der akustischen Sensorik in Anwendungen zur Geländesicherung eingesetzt, um unbefugtes Eindringen sowie Grabungsaktivitäten, Bohrungen oder Fahrzeugbewegungen zu erkennen. Diese Systeme bieten ein hochpräzises Echtzeit-Warnsystem zum Schutz kritischer Infrastrukturen wie Grenzen, Rechenzentren, Flughäfen und Militärstützpunkte.
Zusammenfassung
Faseroptische Sensorkabel stellen eine vielseitige und fortschrittliche Sensortechnologie für eine Vielzahl von Überwachungsanforderungen dar. Durch ihre Fähigkeit, genaue Echtzeitdaten über große Entfernungen zu liefern, kombiniert mit ihrer Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und minimalem Wartungsaufwand, sind sie ideal für den Einsatz in kritischen und anspruchsvollen Umgebungen. Von der Überwachung von Stromnetzen über die Branddetektion bis hin zur Energieexploration, bieten faseroptische Sensoren eine unübertroffene Leistung und Zuverlässigkeit für moderne Überwachungsanwendungen.
Unser Team von Anwendungsingenieuren arbeitet mit Ihnen an Ihren Projektanforderungen, um ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Wärmeleitfähigkeit bzw. Schall- und Dehnungseinkopplung und Robustheit zu finden.