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.
Unser Team von Anwendungsingenieuren arbeitet mit Ihnen an Ihren Projektanforderungen, um ein Gleichgewicht zwischen Kosten, Wärmeleitfähigkeit bzw. Schall- und Dehnungseinkopplung und Robustheit zu finden.
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.
Häufig gestellte Fragen (FAQs)
Dieser FAQ-Bereich bietet praxisnahe, herstellerneutrale Informationen zur Auswahl und Anwendung faseroptischer Sensorkabel und richtet sich an Ingenieure, Planer und Betreiber technischer Infrastrukturen.
Die Inhalte basieren auf dem Fachwissen von Uwe Keppler, Director Operations bei AP Sensing. Mit langjähriger Erfahrung in der Systemqualifikation, der technischen Projektabwicklung und dem praktischen Einsatz von DFOS-Systemen begleitet er Projekte von der Planung über das Design bis zur Inbetriebnahme und Wartung – weltweit und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Seine tiefgehende Kenntnis zu Kabelanforderungen, Umwelteinflüssen und der Integration in verteilte faseroptische Messsysteme stellt sicher, dass jede Antwort auf fundierten Praxiserfahrungen beruht.
Was sind faseroptische Sensorkabel – und was messen sie?
Faseroptische Sensorkabel sind die Schlüsselkomponente für Echtzeit‑Monitoring von Temperatur, Dehnung/Strain und akustischen Signalen über lange Strecken und in rauen Umgebungen. Je nach Anwendung genügen Standard‑Telekomfasern, in anderen Fällen sind Spezialkabel erforderlich.
Welche Kabelaufbauten bietet AP Sensing für unterschiedliche Einsatzbedingungen?
AP Sensing liefert Sensorkabel u. a. als metal‑free, metal‑tubing, tube‑in‑tube sowie armored (Edelstahl). Für die Außenhüllen stehen FRNC (flame‑retardant, non‑corrosive) und HDPE (wasserdicht) zur Wahl – passend zur Umgebung, Robustheit und Installationsart.
Welche Eigenschaften haben faseroptische Sensorkabel für die Branderkennung?
Optimale faseroptische Sensorkabel, die für die Branderkennung eingesetzt werden, haben einen sogenannten FRNC (flame‑retardant, non‑corrosive) Außenmantel, der die Brandfortpflanzung am Kabel selbst verhindert und auch im Brandfall keine relevante Rauchentwicklung zeigt. Dies wird durch Tests entsprechend IEC/EN 60332-1-2 (Prüfung der vertikalen Flammenausbreitung) und IEC/EN 61034-2 (Messung der Rauchdichte) nachgewiesen.
Durch eine zusätzliche erfolgreiche Prüfung entsprechend IEC 60331-25 (Funktionserhalt im Brandfall) wird nachgewiesen, dass das Sensorkabel auch zum Monitoring eines Brandes (Ausbreitung & Temperatur) geeignet ist. Dies ist ein Mehrwert gegenüber klassischen Wärmemeldern.
Um eine schnelle Branddetektion zu ermöglichen, sollten faseroptische Sensorkabel sehr kompakt (Durchmesser ca. 4mm oder weniger) und leicht sein (< 35kg/km) und trotzdem einen optimalen mechanischen Schutz der Sensorfaser ermöglichen.
AP Sensing liefert Sensorkabel zur Branddetektion, die trotz der kompakten Bauform eine Zugfestigkeit von über 1200N aufweisen.
Können Sensorkabel im Umfeld von Energiekabel eigesetzt werden?
Für diese Anwendungen sind metallfreie und dielektrische faseroptische Sensorkabel verfügbar. Wenn er Außenmantel nicht aus HDPE ist, kann ein Test nach BS EN 600243-1 einen guten Anhaltspunkt für die Spannungsfestigkeit des eingesetzten Mantelmaterials geben.
Sind Sensorkabel halogenfrei?
Moderne faseroptische Sensorkabel sind halogenfrei.
Welche Temperaturbereiche decken, die Primärbeschichtungen der Fasern ab?
Je nach Beschichtung werden folgende Temperaturbereiche typischerweise abgedeckt:
Acrylat −40 °C…+90 °C,
HT‑Acrylat −40 °C…+150 °C,
Silicone PFA −40 °C…+200 °C,
Polyimid −180 °C…+300 °C.
So lässt sich die Faser gezielt an Kryo‑ oder Hochtemperatur‑Einsätze anpassen.
Es werden auch faseroptischer Sensorkabel mit metallischen Coatings für Temperaturen > 300 °C angeboten. Diese sind allerdings nicht weit verbreitet und darum noch kostenintensiv und es gibt nur wenige Erfahrungen.
Wie werden kryogenische Sensorkabel getestet?
Sensorkabel für Anwendungen in einem kryogenischen Umfeld werde in der Regel mit flüssigem Stickstoff N2 bei -196°C validiert. Die Kabel werden mit flüssigem Stickstoff N2 benetzt und in flüssigen Stickstoff eingetaucht.
Multimode oder Singlemode – welche Faser passt zu DTS, DAS & DTSS?
Multimode (MM)‑Fasern (typisch 50 µm Kern; GI‑Profil) sind Standard für DTS und bieten hohe Kopplungsleistung und gutes SNR.
Singlemode (SM)‑Fasern (ca. 9 µm Kern) minimieren Modendispersion und sind ideal für DAS/DTSS (Rayleigh/Brillouin‑Auswertung).
DTS-Instrumente für SM-Fasern mit 9µm Faserkern sind ebenfalls verfügbar – allerdings bleibt die Messperformance bei gleichen Messparametern meist etwas hinter dem Ergebnis mit einer Multimodefaser zurück.
Sind die Kabel EMV fest und in Ex Bereichen sicher?
Ja. Sensorkabel sind passiv, nicht-leitend und EMI‑unempfindlich; sie benötigen keine elektrische Energie an der Messstrecke und eignen sich daher auch in Hochspannungsumgebungen oder in Bereichen mit brennbaren Medien.
Wie unterscheiden sich Sensorkabel von elektrischen Sensoren oder Punkt FO Sensoren?
Elektrische Sensoren sind aktiv und störanfälliger; verteilte FO‑Sensorkabel sind passiv, nicht-leitend und oft auch metallfrei, liefern kontinuierliche Messdaten über lange Strecken, während viele andere FO‑Sensoren Punkt‑Sensoren mit begrenzter Reichweite sind.
In welchen Anwendungen setzt man AP Sensing Sensorkabel ein?
Beispiele: Stromnetzüberwachung (UG/OG‑Leitungen, Kabel/Busducts), Brandfrüherkennung (Tunnel, Industrie), Pipelines (Leckage/TPI), Well & Reservoir, Geo‑Monitoring (Rutschungen/Subsidenz), Railway Monitoring und Perimeter‑Security.
Wie weit kann man messen – und wo lassen sich die Kabel verlegen?
Licht kann in einer Glasfaser über Kilometer mit geringer Dämpfung geführt werden; Sensorkabel sind klein, flexibel und funktionieren auch an abgelegenen Orten – ideal entlang von Tunneln, Leitungen, Trassen oder Perimetern.
Wie unterstützt AP Sensing bei Auswahl, Design und Integration?
Unsere Applikationsingenieure optimieren mit Ihnen den Trade-off zwischen Kosten, thermischer Leitfähigkeit, akustischer oder Dehnungs-Kopplung und System-Robustheit. AP Sensing begleitet Sie durch alle Projektphasen: von der Beratung und Planung über das Design bis hin zu Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung.
Warum AP Sensing – was belegt Erfahrung & Autorität?
AP Sensing greift auf mehr als 40 Jahre Technologieerfahrung aus der HP/Agilent-Innovationstradition zurück. Unsere Distributed Fiber Optic Sensing Systeme (DTS, DAS, DTSS) werden vollständig im eigenen Haus entwickelt. Weltweite Referenzprojekte, darunter der Eurotunnel (Brandschutz) und das NordBalt-Unterseekabel (Stromkabelüberwachung), dokumentieren die zuverlässige Performance unserer Technologie in sicherheitskritischen Anwendungen.