Faseroptische Sensorkabel
Glasfaserkabel können nicht nur zur Datenübermittlung verwendet werden. Sie finden ebenfalls Einsatz bei der Messung von Temperatur, mechanischer Spannung und akustischen Signalen, selbst in harten Umgebungsbedinungen. Die Distributed Temperature Sensing (DTS) und Distributed Acoustic / Vibration Sensing (DAS & DVS) Lösungen von AP Sensing ermöglichen eine effiziente Überwachung von kritischen Infrastrukturen und Gebäuden wie zum Beispiel Eisenbahn- und Straßentunnel, Pipelines, Leitungskanäle und Parkhäuser.
Glasfaserkabel bestehen typischerweise aus drei Komponenten: dem Kern, dem Mantel und der Beschichtung. Der Mantel und der Kern besitzen unterschiedliche Brechungsindizes, welcher die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem Material beschreibt. Durch die Minimierung des Grenzwinkels wird das Maximum der Totalen Internen Reflexion erreicht, sodass das Licht mehrere Kilometer mit minimalem Verlust zurücklegen kann.
Unsere Sensorkabel sind komplett passiv und erhältlich in verschiedenen Zusammensetzungen und Konfigurationen, wie z. B. mit Metallrohr, metallfrei, Rohr-in-Rohr oder armiertem Edelstahl. Metallfreie Kabel reduzieren das Risiko induzierter Spannungen und sind in der Regel flexibel, während metallarmierte Kabel einen hohen Nagetierschutz bieten, robust und die optimale Wahl für raue Umgebungen sind. Zusätzlich steht eine große Auswahl an geeigneten Ummantelungen zur Verfügung, z. B. flammwidrige, rostfreie (englisch. flame retardant non-corrosive, kurz FRNC) Ummantelungen, wasserdichtes High-Density-Polyethylen (HDPE) oder andere.
Zur Verstärkung und zum Schutz des Kerns und des Mantels wird eine primäre Beschichtung aufgetragen. Die Beschichtung der Fasern muss für den jeweiligen Temperaturbereich und die entsprechende Sensortechnologie ausgewählt werden. Sensorfasern für Standardtemperaturbereiche nutzen eine Acrylatbeschichtung, während Fasern für höhere Temperaturen oder kryogene Umgebungen eine Polyimidbeschichtung verwenden.
Umgebungstemperaturbereich der Primärbeschichtung | ||
Acrylat |
-40 °C bis +90 °C |
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Hochtemperaturacrylat |
-40 °C bis +150 °C |
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Silikon-PFA |
-40 °C bis +200 °C |
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Polyimide |
-180 °C bis +300 °C |
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Metall |
>300 °C |
Sensorkabel sind mit Multimode (MM)- und Singlemode (SM)-Fasern oder einer Kombination aus beiden erhältlich. Bei MM-Fasern wird typischerweise ein Kerndurchmesser von 50 µm oder 62,5 µm verwendet, wodurch wesentlich mehr Signal (Licht) in den Kern eingekoppelt werden kann. Heutzutage wird meistens ein 50-µm-Kern gegenüber einem 62,5-µm-Kern bevorzugt. Dieser hat sich als Standard für Multimode-Fasern etabliert. Die meisten MM-Fasern weisen einen Gradientenindex (GI) entlang ihres Quernschnitts auf. 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 (üblicherweise bei Singlemodefasern verwendet).
Die Lichtausbreitung der fundamentalen Mode erfolgt entlang der Faserachse, wenn ein erster Laserimpuls in eine optische Faser emittiert wird. Tritt Licht in einem Winkel zur Oberflächennormalen in die Faser ein, führt dies zu internen Reflexionen und letztendlich einer Ausbreitung (Zickzack- oder spiralförmiger Weg) innerhalb des Stufenindexprofils entlang der Faser. Die optische Weglänge unterscheidet sich zwischen den unterschiedlichen Lichtstrahlen (Moden), wodurch diese später ankommen als die fundamentale Mode. Aufgrund des niedrigeren Brechungsindex im äußeren Bereich des Faserquerschnitts, ermöglicht der GI von MM-Fasern den höheren Moden schneller ans Ziel zu gelangen. Dies minimiert den Effekt der Modendispersion.
Typischerweise werden MM-Fasern für DTS-Messungen und für Kommunikationsanswendungen mit hoher Bandbreite verwendet. MM-Fasern haben wesentlich größere Querschnitte, wodurch mehr Signal in den Kern eingekoppelt und intern reflektiert werden kann. Im Vergleich zum Kern einer SM-Faser minimiert die MM-Faser die Fehlanpassung der Kernausrichtung, sodass weniger Spleiss- und Adapterverluste entstehen. Dies führt zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis (engl. Signal-to-noise ratio, kurz SNR) und Auflösungsvermögen für DTS-Systeme.
Jedoch sind SM-Fasern für verschiedene Systeme von Vorteil. Die SM-Fasern haben typischerweise einen kleinen Kern mit einem Durchmesser von 9 µm. Die Modendispersion wird minimiert, dadurch dass sich in dem kleinen Kern nur eine Mode ausbreiten kann. Daher kann weniger Signal in eine Faser eingekoppelt werden, was die Messung von Raman-gestreutem Licht signifikant erschwert. Für DAS- oder DVS-Systeme, die die Rayleigh-Streuung nutzen, werden meist SM-Fasern verwendet, da das Signal der Rayleigh-Streuung um Größenordnungen intensiver ist als das Signal der Raman-Streuung.
Glasfaserkabel sind auch an abgelegenen Orten einsetzbar, da diese Kabel sehr klein sind und keinen elektrischen Strom zur Funktion benötigen. Die Sensorkabel sind zudem immun gegen elektromagnetische Störungen (engl. electromagnetic interference, kurz EMI) und leiten keine Elektrizität, sodass diese an Hochspannungsanlagen oder Orten mit entflammbaren Materialen, wie z. B. Flugzeugtreibstoff in Flughafenhangars, verwendet werden können.
Unser Team von Anwendungsingenieuren arbeitet mit Ihnen an Ihren Projektanforderungen, um eine Balance zwischen Kosten, Wärmeleitfähigkeit und Robustheit zu finden.
Hauptmerkmale
- Präzise Lokalisierung von Ereignissen
- Temperatur-, mech. Spannungs-, Vibrations- und Akustikmessung
- Immun gegen elektromagnetische Störungen (engl. Electromagnetic interference, kurz EMI)
- Wartungsfrei (essentiell für unzugängliche Bereiche)
- Geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX-Zone)
- Kleines, flexibles und rein passives Sensorelement
- Erhältlich für Temperaturen von -180 °C to + 300 °C