Verbindungstechnik Sensorik – Faseroptische Sensorik (FOS) in der Anwendung

Autor / Redakteur: Jean-Baptiste Gay, Project Manager, Fischer Connectors / Andreas Leu

Fischer Connectors hat ein White Paper herausgegeben, das einen Überblick über die optischen Sensor-Technologien gibt. Nachfolgend eine Zusammenfassung der Anwendung im Bereich Öl und Gas.

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(Bild: Fischer Connectors)

Lichtwellenleiter-Technik ist ideal für die Übertragung grosser Datenmengen über grosse Distanzen und auch, um Informationen über die Atmosphäre zu liefern. Sensorik und Messtechnik müssen jedoch desgleichen in rauen Umgebungen funktionieren, und die physikalischen Eigenschaften von Lichtwellenleitern (LWL) können durch Druck, Temperatur oder Schall beeinträchtigt werden. Kabelkonfektionen und Verbindungen, die Messdaten übermitteln, sollten daher aus hochwertigen Materialien gefertigt sein. Eine leistungsstarke, zuverlässige, wartungsfreundliche und rasch einsetzbare LWL-Lösung ist der Schlüssel zum Erfolg. Einfachste Wartung ist ebenfalls wichtig, da wartungsbedingte Stillstandzeiten beträchtliche Ertragsverluste zur Folge haben können, wenn das Sensorik-System ein entscheidender Teil der mit der Hauptproduktion verbundenen Sicherheitsschleife ist.

Mehrere Techniken ermöglichen ent­weder lokale Messpunkte oder verteilte Messungen in der Glasfaser. Diese Techniken basieren auf den Welleneigenschaften und der Quanten-Wechselwirkung zwischen Licht und Glasfaser-Materie. Bei der Sensorik mit lokalen Messpunkten befinden sich Sensoren entlang der Faser an bestimmten Messpunkten. Üblicherweise werden Faser-Bragg-Sensoren verwendet (oder FBG für Faser-Bragg-Gitter) und eine Single-Mode-Faser ist erforderlich. Da die Informationen in den von den FBG reflektierten Lichtwellenleitern enthalten sind, ist eine ultraniedrige Reflexion erforderlich.

Beim Einsatz verteilter LWL-Sensoren wird die ganze Faser als Sensor benutzt, und es kann eine Standard-Telekommunikationsfaser verwendet werden. Wenn ein Photon auf eine Unreinheit im optischen Leiter stösst, wird eine Lichtrückstreuung als physikalische Interaktion erzeugt, da das Licht zurückgestreut wird in Richtung der Lichtquelle und somit als Sensormessung genutzt werden kann. Es gibt drei wichtige Rückstreuungsprofile: Rayleigh-­Streuung — gleiche Wellenlänge; Brillouin-­Streuung — positiv (Stokes-Frequenz) und negativ (Anti-Stokes) bei niedriger Frequenzverschiebung, verursacht durch thermische Anregung oder Dehnung der Leitung, und die Raman-Streuung — positiv (Stokes) und negativ (Anti-Stokes), bei hoher Frequenzverschiebung, verursacht durch die Interaktion mit molekularen Vibrationen in der Faser.

Die Anwendung im Bereich Öl und Gas

Die Öl- und Gasindustrie integriert LWL-­Systeme in ihrer Forschung und ihren operativen Tätigkeiten, um Datenübertragung und Messungen über grosse Distanzen zwischen Datenquellen und Kontrollzentren zu optimieren. Mit seinen leichten und elektrisch funkenfreien Verbindungen sorgt die LWL-Technik für eine einfache und sichere Installation von Datenverbindungen. Lichtwellenleiter-Wechselwirkungen werden ebenfalls als Messgerät verwendet, was eine einfachere Überwachung der Struktur, Temperatur und Akustik ermöglicht bei Bohr- und Fördertätigkeiten.

FBG-Messtechnik

Faser-Bragg-Technologie gewährleistet schnelle, genaue Messungen und wird eingesetzt für strukturelle Pipeline-­Überwachungen an bestimmten Standorten (Naturschutzgebiete, Flüsse usw.). Die örtliche Fokussierung ermöglicht einen kostengünstigen Ausbau der bestehenden Pipeline-Überwachung. Sie wird ebenfalls eingesetzt im Bergbau für Messungen von Druck und Dehnung des Bohrwerkzeugs und dessen Führung.

DAS (Verteilte akustische Sensoren)

Die Empfindlichkeit und relative Geschwindigkeit der auf Rayleigh basierten Sensortechnik mit verteilten akustischen Sensoren (DAS) erfasst bei der Faser wie ein Mikrofon die akustischen Vibrationen. Mit geeigneter Analyse-Software könnten Pipelines kontinuierlich auf unerwünschte Störungen oder Unregelmässigkeiten überprüft werden. Entwickelt für den Einsatz in rauen Umgebungen, kann diese Technologie auch zur Überwachung von Ölbohrungen eingesetzt werden. Aufgrund der Akustik werden Echtzeitinformationen über die geologischen Eigenschaften des gebohrten Materials übermittelt.

DTSS (Verteilte Temperatur- und Dehnungsmessungen)

DTSS basiert auf der Brillouin-Technik und misst sowohl die Dehnung wie auch die Temperatur entlang einer Faser, die bis zu 100 km lang sein kann. Daher eignet sich die Technik als Überwachungssystem für Pipelines oder Stromleitungen. Mithilfe dieser Technik sowie der Zeitbereichsanalyse können Pipeline-Betreiber voraussichtliche Lecks exakt ermitteln. DTSS ist auch hilfreich bei der Erdölförderung und bei Tätigkeiten unter Tag und in Ölquellen, da sie punktuell Druck, Temperatur und Dehnung messen (zur Überwachung der Rohre).

DTS (Faseroptische Temperaturmessung)

DTS basiert auf der Raman Streuungs-Technik, und die Anwendungsbereiche sind ähnlich wie jene von DTSS. Wenn nur eine Temperaturmessung benötigt wird, ist DTS eine günstigere Lösung als DTSS. Da die Verschiebung der Wellenlängen höher ist, benötigt das System simplere optische Komponenten zur Isolation von Wellenlängen. Überdies wird für DTS nur eine Faser benutzt und Standard-Kabelführungen.

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