Systeme der verteilten Temperatur & Dehnungsmessung (engl. Distributed Temperature & Strain Sensing, DTSS) messen die Temperatur oder den mechanischen Dehnungsgrad entlang von Glasfaserkabeln für eine umfassende Anlagenüberwachung. Diese Technologie liefert präzise Temperaturdaten zur Temperaturüberwachung oder erkennt mechanische Dehnungen, wodurch Spannungen und mögliche Verformungen identifiziert werden können. Durch die Analyse von Interaktionen des Lichts innerhalb der Glasfaserkabel liefern DTSS-Systeme Echtzeitdaten, die präventive und korrigierende Maßnahmen für kritische Anlagen wie Stromkabel, Pipelines und Infrastrukturen (z. B. Brücken, Dämme und andere Bauwerke) unterstützen und thermische Stabilität sowie mechanische Integrität gewährleisten.
Funktionsweise der ortsverteilten Temperatur- & Dehnungsmessung
Die ortsverteilte Temperatur- & Dehnungsmessung (engl.: Distributed Temperature & Strain Sensing, DTSS) nutzt handelsübliche Glasfasern, die oft etliche dutzend Kilometer lang sind, um die Temperatur oder die mechanische Dehnung in einer Anlage zu überwachen. Diese Systeme bieten ein räumlich gut aufgelöstes Profil, das Echtzeitmessung von Temperatur- oder Dehnungsverteilungen mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Dadurch eignet sich ein DTSS ideal für lange Infrastrukturen wie Pipelines, Stromkabel und Bauwerke. Eine Kombination aus Temperatur- und Dehnungsmessung gewährleistet eine umfassende Überwachung des Anlagenzustands und bietet Einblicke in thermische und mechanische Bedingungen mit einer Auflösung von bis zu einem Meter entlang der Faser.
Die DTSS-Technologie basiert auf der optischen Brillouin-Streuung, die sowohl auf die Temperatur als auch auf die Dehnung entlang der Glasfaser reagiert. Wenn ein Laserpuls in die Glasfaser geschossen wird, wird das Licht aufgrund der Wechselwirkung mit dem Fasermaterial zurückgestreut. Die optischen Eigenschaften der Rückstreuung, wie Frequenz und Amplitude, variieren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Dehnung der Faser. Diese Daten werden kontinuierlich analysiert. Das System verwendet die optische Zeitbereichsreflektometrie (engl.: Optical Time Domain Reflectometry, OTDR), um durch Messung der Zeitverzögerung des zurückkehrenden Signals, ähnlich wie beim Radar, genau zu lokalisieren, wo Veränderungen stattfinden.
Brillouin-Technologie zur Temperatur- & Dehnungsüberwachung
In Brillouin-basierten DTSS-Systemen hängen die Eigenschaften des Rückstreusignals sowohl von Temperatur- als auch von Dehnungsänderungen ab, was die Überwachung beider Parameter ermöglicht.
Die Analyse von Temperatur- und Dehnungseinflüssen entlang der Glasfasern ermöglicht die frühzeitige Erkennung potenzieller Risiken wie Überhitzung, Bruchspannungen oder mechanische Verformungen, was zur Sicherheit und Langlebigkeit kritischer Infrastrukturen beiträgt. Diese kontinuierliche Überwachung bietet einen ganzheitlichen Überblick über den Zustand der Anlagen, ermöglicht rechtzeitige Eingriffe und minimiert das Risiko katastrophaler Ausfälle.
Nutzen & Vorteile der ortsverteilten faseroptischen Temperatur- und Dehnungsmessung
Die Technologie der ortsverteilten faseroptischen Temperatur- & Dehnungsmessung (engl. Distributed Temperature & Strain Sensing, DTSS) bietet fortschrittliche Überwachungsmöglichkeiten, indem sie die Temperatur oder die mechanische Dehnung entlang eines optischen Kabels verfolgt und so die Zuverlässigkeit und Sicherheit kritischer Infrastrukturanlagen gewährleistet.
Kontinuierliche Messung des Temperatur- und Dehnungsprofils
DTSS-Systeme bieten eine durchgängige Echtzeitüberwachung der Temperatur- oder Dehnungsbedingungen, wodurch Anomalien wie Hotspots oder mechanische Belastung präzise erkannt und lokalisiert werden können. Mit einer Abdeckung von mehreren Dutzend Kilometern pro Messeinheit ermöglicht diese Technologie eine umfassende Überwachung der Anlagen. Bei Anwendungen wie Stromkabeln oder Pipelines ermöglicht diese Fähigkeit die frühzeitige Erkennung von Temperaturanomalien oder Belastungspunkten und verhindert so kostspielige Schäden oder Ausfälle. Darüber hinaus ermöglicht die kontinuierliche Erfassung von Temperatur- oder Dehnungsdaten eine präzise Steuerung von Betriebsabläufen, wie z. B. Abkühlphasen oder Spannungsentlastungen in kritischen Infrastrukturen.
Maximale Zuverlässigkeit unter rauen Bedingungen
DTSS-Systeme haben sich in rauen, industriellen Umgebungen mit extremen Bedingungen wie hoher Hitze, Schmutz, Staub und Korrosion als äußerst zuverlässig bewährt. Dank der Verwendung optischer Fasern in der Sensorik sind sie zudem korrosionsfrei und ideal für solche anspruchsvollen Umgebungen geeignet. Je nach Faserdesign und Beschichtung kann die DTSS-Technologie einen weiten Temperaturbereich überwachen und gleichzeitig hohen mechanischen Belastungen standhalten. Erfahren Sie mehr über faseroptische Sensorkabel
Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen
Ein herausragender Vorteil von DTSS-Systemen ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI), was in Umgebungen mit hohem elektrischem Rauschen, wie z. B. Umspannwerken oder Industrieanlagen, von entscheidender Bedeutung ist. Die Verwendung von optischen, nichtleitenden Fasern macht den Sensor unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI oder RFI) und stellt eine ununterbrochene Datenübertragung auch in Umgebungen mit elektromagnetischem Rauschen sicher. Dadurch sind DTSS-Systeme eine zuverlässige Lösung für die kontinuierliche Überwachung unter solchen Bedingungen, da sie störungsfreie Messungen von Temperatur und Dehnung liefern.
Hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit
Die Empfindlichkeit der DTSS-Systeme gewährleistet, dass selbst geringste Temperatur- oder Dehnungsänderungen in Echtzeit erkannt werden können. Dieses hohe Maß an Genauigkeit ist essenziell für Anwendungen, bei denen kleine Abweichungen auf kritische Veränderungen hinweisen können, wie bei der Überwachung von Pipelines oder dem strukturellen Zustand von Bauwerken. Durch die frühzeitige Erkennung dieser Veränderungen ermöglicht die DTSS-Technologie eine vorausschauende Wartung, was die Lebensdauer und Sicherheit der überwachten Anlagen erhöht.
Kosteneffizienz und geringe Wartungsanforderungen
DTSS-Systeme bieten erhebliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen sensorgestützten Systemen. Die Verwendung einer einzigen passiven Glasfaser zur Überwachung großer Entfernungen reduziert den Bedarf an mehreren Sensoren und die damit verbundenen Installationskosten. Die ortsverteilte Messmethode der DTSS-Technologie sorgt dafür, dass jeder Punkt entlang der Faser gleichermaßen überwacht wird, was eine lückenlose Abdeckung gewährleistet. Darüber hinaus trägt der geringe Wartungsaufwand der Glasfaser zu einer langfristigen Betriebs- und Kosteneffizienz bei, was ein DTSS zu einer bevorzugten Lösung für Branchen macht, die sowohl Ausfallzeiten als auch Wartungskosten reduzieren möchten.
Durch die Nutzung dieser Vorteile bietet die ortsverteilte Temperatur- und Dehnungsmessung der Industrie eine robuste, zuverlässige und kosteneffiziente Überwachungslösung, um die Integrität kritischer Infrastrukturen unter thermischer oder mechanischer Belastung aufrechtzuerhalten.
Anwendungsfälle von DTSS-Systemen
Systeme ortsverteilter Temperatur- & Dehnungsmessung (engl.: Distributed Temperature & Strain Sensing, DTSS) sind entscheidend für die Echtzeitüberwachung thermischer oder mechanischer Belastungen in verschiedenen Infrastrukturanwendungen. Durch den Einsatz der Brillouin-OTDR-Technologie liefern DTSS-Systeme umfassende, hochpräzise Daten, die zur Sicherheit, Langlebigkeit und Leistungsoptimierung der Anlagen beitragen.
Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:
- Überwachung von Stromkabeln:
DTSS-Systeme erkennen Überhitzung und mechanische Belastungen von erdverlegten- oder freiliegenden Kabeln, verhindern Schäden und gewährleisten Zuverlässigkeit. - Überwachung von Pipelines:
DTSS-Systeme identifizieren Temperaturanomalien und mechanische Dehnungen entlang von Pipelines und ermöglichen so die frühzeitige Erkennung von Leckagen oder strukturellen Problemen. - Geothermische Überwachung:
DTSS-Systeme überwachen thermische und mechanische Veränderungen in geothermischen Bohrungen und helfen dabei, Druck- und Temperaturschwankungen für eine sichere Energiegewinnung zu steuern. - Überwachung von Deichen und Dämmen:
Diese Systeme erkennen Dehnungs- und Temperaturschwankungen in Dammstrukturen, bieten Frühwarnungen vor möglichen Ausfällen und erkennen Leckagen und Sickerwasser. - Überwachung von Erdrutschen:
Durch die Erkennung von Bodenbewegungen und Abbaudynamiken liefern DTSS-Systeme wichtige Daten zur Verhinderung von Erdrutschen. - Überwachung des strukturellen Zustands:
DTSS-Systeme überwachen Dehnungen und Temperaturen in Brücken, Tunneln und Gebäuden und gewährleisten so eine langfristige strukturelle Integrität. - Überwachung von Bohrschächten- und Lagerstätten:
In Öl-, Gas- und Wasserreservoirs überwachen DTSS-Systeme die thermischen Bedingungen und die mechanischen Belastungen für eine optimierte Ressourcengewinnung. - Schienenüberwachung:
DTSS-Systeme erkennen die thermische Ausdehnung und Dehnung von Schienen, erhalten die Gleisintegrität und verhindern Entgleisungen.
Diese Anwendungen gewährleisten eine kontinuierliche und zuverlässige Überwachung der Infrastruktur und tragen so zu mehr Sicherheit und Betriebseffizienz bei.
Das DTSS-System von AP Sensing
DTSS N62-Serie
Die innovative DTSS N62-Serie ist ein Beweis für modernste Technik. Dieses DTSS-System nutzt die erweiterten Funktionen der B-OTDR-Technologie und gewährleistet eine außergewöhnliche Messleistung für die Überwachung langer Anlagen.
Mit einer bewährten Erfolgsgeschichte und kontinuierlicher Innovation bietet AP Sensing eine vollständig integrierte End-to-End-Lösung „Made in Germany“. Unser Team arbeitet mit Ihnen zusammen, um die richtige Technologiekombination für Ihre Anforderungen auszuwählen.
Wesentliche Erkenntnisse
Zusammenfassend bieten Systeme zur ortsverteilten faseroptischen Temperatur- & Dehnungsmessung (engl.: Distributed Temperature & Strain Sensing, DTSS) einen umfassenden Ansatz zur Anlagenüberwachung, indem sie Temperaturveränderungen und mechanische Dehnungen über große Entfernungen präzise erfassen. Dank der Brillouin-OTDR-Technologie liefert ein DTSS hochauflösende Echtzeitdaten und ermöglicht so die frühzeitige Erkennung thermischer Anomalien oder struktureller Spannungen. Dadurch eignet es sich für zahlreiche Branchen, etwa zur Überwachung von Stromkabeln, Pipelines und Infrastrukturen. Ein DTSS erhöht die Betriebssicherheit, verlängert die Lebensdauer der Anlagen und trägt dazu bei, Ausfälle zu verhindern. Damit bietet es eine zuverlässige Lösung zur Wahrung der Integrität kritischer Infrastrukturen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Dieser FAQ-Bereich bietet praxisnahe, herstellerneutrale Informationen zur Unterstützung von Ingenieuren, Anwendern und Entscheidern im Umgang mit verteilter faseroptischer Sensorik (DFOS).
Er wurde inhaltlich begleitet von Dr. Gregor Cedilnik, Principal Research Scientist bei AP Sensing und ausgewiesener Experte im Bereich verteilte faseroptische Sensorik. Mit jahrzehntelanger Erfahrung in den Bereichen Faseroptik, Photonik und DFOS-Systementwicklung hat er zahlreiche Fachpublikationen und Patente verfasst und die Entwicklung zentraler Plattformen von AP Sensing maßgeblich mitgestaltet.
Was ist verteilte Temperatur- & Dehnungsmessung (DTSS)?
Verteilte Temperatur- & Dehnungsmessung (engl. Distributed Temperature & Strain Sensing, DTSS) nutzt eine gewöhnliche Glasfaser, wie sie typischerweise auch in der Telekommunikation eingesetzt wird, als kontinuierlichen Sensor zur Messung von Temperatur und mechanischer Dehnung über viele Kilometer hinweg.
Das System liefert lückenlose Messprofile und ermöglicht die präzise Lokalisierung von thermischen Veränderungen und strukturellen Verformungen.
Wie funktioniert DTSS, einfach erklärt?
Kurze Lichtpulse werden in die Glasfaser eingespeist. Ein kleiner Teil des Lichts wird durch die Brillouin-Interaktion mit dem Glas zurückgestreut. Die Brillouin-Frequenzverschiebung und die Amplitude des Rückstreusignals verändern sich abhängig von Temperatur und Dehnung.
Durch die Analyse dieser Frequenzverschiebung, der Signalstärke, oder einer Kombination aus beidem, kann das System die Temperatur- und Dehnungsverteilung entlang der Faser bestimmen. Die Laufzeit zwischen dem ausgesendeten Puls und dem empfangenen Rückstreusignal (Time-of-Flight) wird genutzt, um die Position entlang der Faser zu berechnen.
Wie werden Temperatur und Dehnung voneinander getrennt?
Die Brillouin-Frequenzverschiebung und die Amplitude des Rückstreusignals hängen sowohl von der Temperatur als auch von der mechanischen Dehnung ab. DTSS-Systeme nutzen verschiedene Ansätze, um diese beiden Einflüsse voneinander zu trennen:
Ein Ansatz ist die Verwendung einer dehnungsfrei installierten Messfaser, z. B. durch ein FIMT-Kabel (fiber in metal tube). Das Brillouin-Signal auf dieser Faber liefert somit reine Temperaturinformationen.
Ein anderer Ansatz basiert auf einem Instrumentendesign und einer Signalverarbeitungstechnik, bei der Temperatur und Dehnung aus mehreren Messgrößen entkoppelt werden, etwa aus Frequenzverschiebung und Amplitude, die jeweils unterschiedlich empfindlich auf Temperatur und Dehnung reagieren.
So kann das System ableiten, in welchem Maße das Brillouin-Signal auf Dehnung und in welchem Maße auf Temperatur zurückzuführen ist.
Welche Reichweiten und räumlichen Auflösungen sind bei DTSS typisch?
DTSS-Systeme basierend auf OTDR (optical time domain reflectometry) überwachen typischerweise mehrere dutzend Kilometer pro Kanal bei einer räumlichen Auflösung ab 1 bis 2 Metern.
Kürzere Faserstrecken und optimierte Systemeinstellungen ermöglichen feinere Auflösungen, während bei sehr langen Distanzen eine gröbere Ortsauflösung oder längere Messszeiten das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessern.
Welche Fasertypen werden für DTSS verwendet?
Für DTSS werden gewöhnliche Singlemode-Fasern (SMF) eingesetzt, da sie eine geringe optische Dämpfung und damit hohe Reichweiten ermöglichen. Biegeunempfindliche SMF eignet sich besonders für Installationen mit engen Biegeradien.
Die Kabelkonstruktion (z. B. armiert, Loose-Tube, Tight-Buffered) sollte an die Umgebungsbedingungen angepasst sein. Bei Anwendungen mit Dehnungsmessung ist zudem auf eine geeignete Dehnungsübertragung zwischen Kabel und Faser zu achten.
Wie schnell werden DTSS-Messungen aktualisiert?
Die Aktualisierungsraten liegen typischerweise im Sekunden- bis Minutenbereich, abhängig von der Faserlänge, der benötigten räumlichen Auflösung, der Temperaturgenauigkeit und davon, ob Temperatur und Dehnung gleichzeitig ausgewertet werden.
Schnellere Aktualisierungen sind bei kürzeren Messstrecken möglich, da hier geringere Signalverluste auftreten und der Abfragepuls des Messgeräts mit höherer Rate gesendet werden kann.
Was beeinflusst die Genauigkeit und Stabilität von DTSS?
Wesentliche Einflussfaktoren sind:
- das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
- die optische Dämpfung der Faser
- die Qualität von Spleißen und Steckverbindern
- die Dehnungsübertragung vom überwachten Objekt zur Faser (z. B. Tight-Buffered- vs. Loose-Tube-Installation)
- die thermische Ankopplung der Faser an das Objekt
- die Kalibriermethode
- die Geräteeinstellungen (Frequenz-Sweep-Bereich und -Auflösung, räumliche Auflösung, Messzeit)
Wo wird DTSS eingesetzt?
Typische Einsatzbereiche der Verteilten Temperatur- & Dehnungsmessung (DTSS) sind:
- Pipelines (Überwachung von Bodenbewegungen, Setzungen und geologischen Gefahren)
- Stromkabel und Kabelkanäle (Erfassung von thermischer Belastung und mechanischer Beanspruchung)
- Geotechnik / Zustandsüberwachung (Tunnel, Brücken, Dämme)
- Bahn- und Straßenverkehrsinfrastruktur
- Unterseeische und erdverlegte Infrastrukturen
Wie wird das DTSS-Sensorkabel für die Temperatur- bzw. Dehnungsmessung installiert?
Für die Dehnungsmessung werden die Fasern in der Regel fest mit der Struktur oder dem Boden verbunden, etwa durch Verklebung oder mechanische Kopplung, damit Verformungen übertragen werden.
Bei Anwendungen mit Schwerpunkt auf Temperaturmessung wird das Kabel so installiert, dass eine gute thermische Ankopplung erreicht wird, gleichzeitig aber unerwünschte Dehnungsübertragung minimiert wird.
Bei kombinierten Anforderungen kommen hybride Konzepte zum Einsatz.
Kann DTSS mit anderen verteilten Messverfahren kombiniert werden?
Ja. DTSS kann gemeinsam mit DTS (nur Temperatur) und DAS (Akustik/Vibrationsmessung) auf derselben oder auf parallel verlegten Fasern betrieben werden, vorausgesetzt, das Systemdesign ist entsprechend abgestimmt.
So entstehen komplementäre Einblicke: Temperaturzustände und -trends, mechanische Dehnung sowie hoch empfindliche dynamische Ereignisse für umfassendere Diagnostik.