Faseroptische Sensoren

Ein faseroptischer Dehnungssensor oder Dehnungsmessstreifen (DMS) ist eine Glasfaser, die genutzt wird, um mit Hilfe der verteilten Dehnungsmessung (Distributed Strain Sensing, DSS) und einem speziellen OTDR die Dehnungsbelastung zu ermitteln. Diese Sensoren ermöglichen es, anhand der Veränderungen am Lichtsignal eine Dehnung der Glasfaser zu erkennen, da sich das Glas auf dem Messtreifen durch die Belastung verändert und bei einer Überlastung sogar bricht. Im Unterschied zu konventionellen elektrischen Dehnungsmessgeräten benötigt ein passiver faseroptischer Dehnungssensor keine permanente Stromversorgung und wird auch nicht durch elektromagnetische Störeinflüsse (EMI), die sich in einem elektrischen System als Rauschen bemerkbar machen, beeinträchtigt. Dieses Rauschen kann sogar dazu führen, dass die Messungen nicht verwertbar sind.

Aufgrund dieses Vorteils weisen faseroptische Sensoren auch geringere Betriebskosten auf und sind in vielen rauen Umgebungsbedingungen als zuverlässige Messgeräte einsetzbar, die sehr empfindlich auf Dehnungsänderungen reagieren. Diese Änderungen werden erkannt, indem ein Lichtsignal in die Glasfaser eingespeist wird, um die Dehnung im Glas zu messen. Diese Messungen können periodisch mit einem portablen DTSS-OTDR während eines Vor-Ort-Einsatzes oder als automatische Routine mit einem permanent in einem Rack installierten DTSS-OTDR ausgeführt werden. Die Glasfaser selbst weist nur ein geringes Gewicht auf und ist zudem preiswert. Wenn mehrere Glasfasern an verschiedenen Standorten an die zu überprüfenden Objekte angeschlossen werden, ist eine lückenlose Abdeckung des interessierenden Bereichs möglich.

Ein faseroptischer Sensor bietet sich an, um die physische Belastung (Dehnung) an den unterschiedlichsten Objekten, wie entlang einer Pipeline, eines Telekommunikationskabels, einer Brücke oder einer großen Windturbine zu ermitteln, um eine sichere Infrastruktur zu gewährleisten, die Menschen zu schützen und Schäden für die Umwelt zu vermeiden. Zur Gewährleistung aussagekräftiger Messungen sollten bei der Installation des faseroptischen Sensors zuerst die Ausgangswerte (Baseline) ermittelt werden. Dann ist es möglich, die im Zeitverlauf zusätzlich auftretende Dehnung zu messen und bei Überschreitung zuvor festgelegter Grenzwerte automatisch Alarme auszulösen.

Ein faseroptischer Akustik-Sensor repräsentiert eine weiterentwickelte faseroptische Sensortechnologie. Im Unterschied zu traditionellen Sensoren, die nur an ausgewählten Punkten Messungen ausführen, überwacht die verteilte akustische Sensorik (DAS) die gesamte Länge eines Glasfaserkabels. Damit wird die Glasfaser selbst zum Sensor und kann über große Entfernungen Schwingungsereignisse in der Umgebung der kritischen Infrastruktur erkennen sowie die betreffenden Daten abfragen.

Mit einem portablen Tester, wie der Plattform OneAdvisor 800/1000 von VIAVI mit DTS- oder DTSS-Funktion, kann der Techniker vor Ort Feldmessungen an Glasfasern ausführen. Alternativ ist es im Rahmen der Fernüberwachung möglich, mit dem ONMSi und einem rackbasierten Glasfaser-Testkopf (Fiber Test Head, FTH) mit DTS- oder DTSS-Funktion in regelmäßigen Abständen die Glasfasern zu messen. Wenn signifikante Abweichungen von der anfangs ermittelten optischen Referenzkurve erkannt werden, erhält der Betreiber automatisch eine Alarmmeldung.

Eine rackbasierte Lösung, wie der VIAVI Fiber Test Head (FTH), mit akustischer Sensorik (DAS) versetzt die Inhaber/Betreiber von Pipelines sowie Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) in die Lage, eine Echtzeit-Überwachungs- und Alarmmelde-Lösung zu installieren, die möglicherweise bedrohliche Schwingungsereignisse, wie die Präsenz von Menschen oder Fahrzeugen sowie Erdarbeiten mit Maschinen oder von Hand erkennt, identifiziert, lokalisiert und meldet.

Faseroptische Sensoren bieten eine ungleich größere Vielzahl von Messpunkten und sind weitaus preiswerter sowie mit weniger Arbeitsaufwand zu installieren. Die Glasfaser selbst ist der Sensor. Als Material ist sie kostengünstig, mühelos an dem zu überwachenden Objekt zu befestigen oder darin einzubetten und weist zudem ein geringes Gewicht auf.

Eine Glasfaser ist ein hochzuverlässiger verteilter Sensor, der keine konstante elektrische Stromversorgung benötigt, um Messdaten zu erzeugen. Auch wird sie nicht durch elektromagnetische (EMI) oder hochfrequente (HF) Störeinflüsse beeinträchtigt. Traditionell werden schwere, drahtgebundene elektrische Sensoren, deren Installation mit einem großen Arbeitsaufwand verbunden ist, bisher am häufigsten für Dehnungs- und Temperaturmessungen eingesetzt.

Jedoch können die Kontakte in elektromechanischen Sensoren fehlerbedingt abfallen. Zudem sind sie auf eine konstante Stromversorgung angewiesen und erfordern möglicherweise aufwändigere Eingriffe in die Infrastruktur, sodass unter Umständen aus Kostengründen von einer Installation abgesehen werden muss. Zudem sind sie an Standorten, an denen kein Stromanschluss vorhanden ist oder Korrosion, Schwingungen oder EMI zum Problem werden, nicht einsetzbar. Auch verfälschen Ein- und Abstrahlungen von Störsignalen aus elektrischen Anlagen oder Funksystemen die Messdaten. Eine Brücke, die aus Sicherheitsgründen überwacht werden muss, ist ein idealer Kandidat für den Einsatz kostengünstiger faseroptischer Sensoren. In diesem Fall können die Glasfasern direkt eingebettet oder auch nachträglich an dem Bauwerk befestigt werden, um Dehnungen und ein Ausfallrisiko zu erkennen, bevor die Brücke tatsächlich gesperrt werden muss. Bei Einhaltung der zulässigen Biegeradien ist es möglich, die Glasfaser in Form einer Sinuswelle zu verlegen, um möglichst viele Messpunkte auf einer Fläche zu erfassen. Ein OTDR kann Mikro- und Makrobiegungen erkennen sowie eingesetzt werden, um bei der Installation des Fasersensors die Faserdehnung und -biegung zu optimieren, falls die betreffende Anwendung eine leicht vorgedehnte Glasfaser erfordert.

Über optische Zeitbereichs-Reflektometermessungen (OTDR) können faseroptische Sensoren mehrere Datentypen zur Verfügung stellen. Dazu gehören Messwerte zu akustischen Schwingungen, zur Dehnung, zur Temperatur sowie zu den Übertragungseigenschaften des Lichts, die eine Bewegung, Biegung oder auch einen Bruch der Faser anzeigen. Dabei sind diese Daten nicht auf den Standort eines einzelnen und in sporadischen Abständen installierten Sensors beschränkt, sondern werden über die gesamte Länge der Glasfaser(n) ausgegeben. Bei Verwendung eines OTDR zum Messen dieser Parameter, werden beispielsweise Temperaturänderungen entlang der gesamten Faserlänge als Gradient angezeigt. Auch ist erkennbar, wo eine Dehnung der Glasfaser beginnt und endet. Da in der Telekommunikation eine Dehnung der Glasfaser vermieden werden muss, kann diese Messung das Netzwerk schützen. Zudem erlaubt sie, eine solche Belastung proaktiv zu mindern und gegebenenfalls vorsorglich zu reparieren. Beim Überwachen einer Brücke zeigt die Dehnung des faseroptischen Sensors eine Bewegung des Bauwerks, wie ein Absenken, oder eine mechanische Belastung durch die Bewegung der Brückenplatten an.

Ein weiterer Anwendungsfall ist die Temperaturmessung in einem Gebäude, in dem ein sehr genauer Temperaturbereich eingehalten werden muss. Dazu gehören Rechenzentren und Kernkraftwerke, aber auch Lagerungseinrichtungen für Blutkonserven. Konventionelle elektrische thermostatische Sensoren werden an mehreren Einzelstandorten installiert und geben in periodischen Abständen einzelne Messwerte aus. Elektronische Temperatursensoren sind teuer und benötigen eine konstante Stromversorgung. Was aber passiert, wenn an dem betreffenden Standort kein Sensor installiert wurde oder er bedingt durch extreme Temperaturen, elektromagnetische Störeinflüsse oder einen Stromausfall nicht mehr funktioniert? In diesem Fall wird die Temperatur nicht mehr optimal geregelt, was eine übermäßige Erwärmung oder Abkühlung zur Folge hat. Ein aus einem oder mehreren Glasfaserkabeln bestehendes Netz aus faseroptischen Sensoren kann dagegen durch das gesamte Gebäude geführt werden, um durchgängig Messwerte zu ermitteln. Dieses Glasfasernetz erlaubt, den zu überwachenden Bereich besser zu erfassen, da es mehr Datenpunkte zu geringeren Kosten und mit größerer Zuverlässigkeit zur Verfügung stellt. Zum Abfragen des faseroptischen Sensors wird lediglich ein Lichtpuls benötigt. Dieser wird von einem Laser-OTDR eingespeist, das zudem länger als 24 Stunden mit einem Akku betrieben werden kann, falls es zu einem Stromausfall kommen sollte.

Darüber hinaus stellt die DAS-Technologie relevante Daten zu Schallfrequenzen und Schwingungen entlang einer Glasfaser zur Verfügung, so dass kontinuierliche und dynamische Echtzeit-Informationen zu Schwingungsstörungen, die in der Umgebung der überwachten Infrastruktur auftreten, nutzbar sind. Dieses Leistungsmerkmal stärkt die Bedrohungserkennung insgesamt und ermöglicht die schnelle Erkennung und Lokalisierung spezifischer externer Bedrohungen. Die erfassten Ereignisse reichen von Sicherheitsverletzungen in der Umgebung der Infrastruktur (Perimeterschutz) über außerplanmäßige Bauarbeiten, wie Erdarbeiten mit Maschinen oder von Hand, bis zu Umweltereignissen oder Naturkatastrophen. Diese Technologie stellt Ihnen die kritischen Daten zur Verfügung, die Sie benötigen, um Bedrohungen zu identifizieren und zu lokalisieren und daher unverzüglich zu reagieren und Ihre Infrastruktur zuverlässig zu schützen.

Weltweit werden Kommunikationskabel als Erd-, See- oder Luftkabel in robusten, unwirtlichen Umgebungen verlegt. Dort führen Frost, Wind, Erdbewegungen, Erosion, Wellengang, Vandalismus und auch menschliches Versagen immer wieder dazu, dass Kabel gedehnt werden oder brechen, sodass Dienste beeinträchtigt werden oder ganz ausfallen. Manchmal werden die Kabel auch versehentlich beim Verlegen in die Länge gezogen. Bei einer übermäßigen Dehnung besteht die Gefahr, dass das Kabel bricht, sodass sich dessen Nutzungsdauer von den erwarteten 35–40 Jahren drastisch auf wenige Monate verkürzt.

Langstrecken- und Seekabel sind einsatzkritisch, doch erschweren extreme Witterungsbedingungen oder entlegene, gefährliche Gebiete die Wartung. Die verteilte Dehnungsmessung mit einem faseroptischen DSS-Sensor versetzt den Besitzer des Kabelnetzes in die Lage, die Glasfaser bei der Installation zu testen und anschließend eine unbeschaltete Faser (Dark Fiber) auf übermäßige Dehnung zu überwachen, um einen Faserbruch zu verhindern. Vor Kurzem war Mauretanien durch einen Bruch im Seekabel zwei ganze Tage vom Internet getrennt. Ein Trawler hatte das ACE-Kabel, das die afrikanische Küste mit Europa verbindet, vom Meeresboden angehoben und zerrissen. Hätte man dieses Kabel auf Dehnung überwacht, dann wäre ein Alarm ausgelöst worden, noch bevor der Kabelbruch die Verbindung getrennt hätte. Wenn es doch zu einem Bruch gekommen wäre, hätte man mit einem klassischen Rayleigh-OTDR die betreffende Stelle zudem bis auf einen Meter genau ermitteln und damit die Reparatur beschleunigen können. Langstrecken- und Seekabel sind einsatzkritisch, doch erschweren extreme Witterungsbedingungen oder entlegene, gefährliche Gebiete die Wartung. Die verteilte Dehnungsmessung (DSS) mit einer Glasfaser als Sensor versetzt den Besitzer des Kabelnetzes in die Lage, die Glasfaser bei der Installation zu testen und anschließend eine unbeschaltete Faser (Dark Fiber) auf übermäßige Dehnung zu überwachen, um einen Faserbruch zu verhindern. Die verteilte Akustik-Sensorik (DAS) erlaubt, diese Infrastruktur auf sich nähernde Bedrohungen, wie Fischernetze oder Schiffsanker, zu überwachen. Vor Kurzem war Mauretanien durch einen Bruch im Seekabel zwei ganze Tage vom Internet getrennt. Ein Trawler hatte das ACE-Kabel, das die afrikanische Küste mit Europa verbindet, vom Meeresboden angehoben und zerrissen. Hätte man dieses Kabel mit Dehnungs- oder Akustik-Sensoren überwacht, dann wäre bei der Annäherung des Schiffes bereits ein Alarm ausgelöst worden, noch bevor der Kabelbruch die Verbindung getrennt hätte. Wenn es doch zu einem Bruch gekommen wäre, hätte man mit einem klassischen Rayleigh-OTDR die betreffende Stelle zudem bis auf einen Meter genau ermitteln und damit die Reparatur beschleunigen können.

Oder stellen Sie sich ein Luftkabel vor, das eine (zu) schwere Eislast zu tragen hat. Der Netzbetreiber könnte das Kabel überwachen und die Netzabschnitte lokalisieren, an denen die Mitarbeiter das Eis entfernen müssten, um eine gefährdende Überlastung zu verhindern. Im Anschluss an eine trotzdem eingetretene Dehnung wäre es möglich, die maximal zulässige Zugbeanspruchung zu ermitteln und das Kabel bei Bedarf vorzeitig auszutauschen. Sowohl portable DTSS-OTDRs für faseroptische Sensoren als auch OTDR-basierte Auswertegeräte (Interrogatoren) für den Rackeinbau sind erhältlich. 

Die häufigste Ursache für Kabelbruch sind jedoch Bauarbeiten, oft ein Baggerhieb. Nach der Lokalisierung des Bruchs wird das Kabel an dieser Stelle dann mit einem Spleiß oder einer Steckverbindung repariert. Allerdings ist das möglicherweise nur eine vorübergehende Lösung, denn durch die mechanische Belastung, als der Bagger das Kabel aus dem Boden gehoben hat, wurde das Kabel auf beiden Seiten der Bruchstelle über viele Meter hinweg in Mitleidenschaft gezogen.

Daher kann das Kabel nach der Reparatur eher wieder brechen oder es wurde bereits so stark beschädigt, dass keine angemessene Übertragung der Dienste mehr gewährleistet ist. Reparaturwiederholungen sind teuer und führen zu weiteren Ausfällen der Dienste. Anhand von verteilten Belastungsmessungen mit einem faseroptischen Sensor-OTDR in beide Richtungen des Kabels kann der Techniker nach einem Bruch wissenschaftlich fundiert nachweisen, welche Abschnitte des Kabels auszutauschen sind. Dieser Nachweis kann auch genutzt werden, um vom Verursacher einen entsprechenden Schadensersatz zu fordern. Ebenso werden Reparaturwiederholungen und Dienstunterbrechungen beim Kunden sowie unnötige Reparaturen an eigentlich einwandfreien Kabelabschnitten, die überhaupt nicht gedehnt wurden, vermieden.

Sich übermäßig erwärmende Stellen (Hotspots) an Übertragungsnetzen stellen ein lebensbedrohliches Brandrisiko dar und beschädigen die Infrastruktur. So hat möglicherweise ein solcher Hotspot oder ein heruntergerissenes Starkstromkabel in Kalifornien, USA, einen Waldbrand ausgelöst. Es gab Todesfälle und ein erheblicher Sachschaden ist entstanden. Jetzt steht der Netzbetreiber vor der Insolvenz und muss sich vor Gericht verantworten.

Die Fernüberwachung mit verteilten DTS-Temperatursensoren ist die einzige wirtschaftliche Möglichkeit, solche Gefahrenstellen zu überwachen. Und natürlich ist sie weitaus preiswerter als der Schaden, den ein solches katastrophales Ereignis anrichten kann. Zu diesem Zweck wird eine Glasfaser einfach entlang der Stromleitung verlegt. Wenn das faseroptische Sensorsystem einen Temperaturanstieg, eine Dehnung oder eine Biegung, die auf eine heruntergerissene Leitung hinweist, erkennt, wird ein Alarm ausgelöst. Bei einer schleichenden oder abrupten Veränderung in der Position der Glasfaser ist es mit einem Rayleigh-OTDR möglich, den genauen Ort der Störung zu bestimmen. Hierfür wird eine zu Beginn ermittelte Referenzkurve mit der in regelmäßigen Abständen erfassten aktuellen Messkurve verglichen. Der Alarm kann auch eine Notabschaltung des Kabels vornehmen und eine Überprüfung der Trasse auslösen. Da die Glasfaseranalyse mit einem faseroptischem Sensor unempfindlich auf elektromagnetische Störeinflüsse reagiert, bietet sich diese Lösung für stark EMI-belastete Einsatzumgebungen an.