Unternehmen

Die Firma OSSCAD GmbH & Co. KG ist 2007 gegründet worden. Der Sitz des Unternehmens ist das Technologiezentrum Bergisch Gladbach. Gegenstand des Unternehmens ist die Entwicklung, die Fertigung und der Vertrieb von faseroptischen Technologien für die Marktsegmente Kabelmonitoring und Kanalsanierung sowie für Sonderapplikationen.

Technologie:

Licht besitzt eine Vielzahl einzigartiger Eigenschaften die innovative Anwendungen ermöglichen. Mit optischen Fasern (Glasfasern) lässt sich das Licht konzentrieren und über große Reichweiten übertragen. Äußere Einwirkungen entlang der Glasfaser bewirken eine Codierung des Glasfaserlichtes, die mit Hilfe spezieller Messgeräten als Funktion von Ort und Zeit messbar sind.
Faseroptische Sensoren messen mit Laserlicht. In Kombination mit einem kompakten und robusten optischen Kabelaufbaues können die faseroptischen Messkabel in Energiekabel, in Kanäle, in Objekten etc. eingebettet werden und ermöglichen eine einfache Installation des Messkabels in schwerzugänglichen Bereichen. Da Licht immun gegenüber elektromagnetischen Störungen ist, sind faseroptische Sensoren im Vergleich zu elektrischen, punktuell messenden Sensoren störungsunempfindlicher.

Beim punktuell messenden System ist die Einwirkungsgröße (Messgröße) auf einen Messort beschränkt. Dagegen kann bei faseroptischen Sensoren jedes infinitesimale Volumenelement der Glasfaser als eine Messzelle aufgefasst werden. Man bezeichnet faseroptische Temperatursensoren auch als örtlich verteilte Temperatursensoren (engl. Distributed Temperature Sensors, DTS). Zum Einsatz kommen optische Raman Rückstreuverfahren, die die Temperatur entlang des Messkabels als Funktion der Glasfaserlänge messen. Diese Rückstreutechnik ermöglicht eine lückenlose Messung bis zu mehreren Kilometer mit hoher örtlicher Auflösung. Die Kosten pro Messstelle sind im Vergleich zu konventionellen Sensor-Netzwerken mit punktuell messenden Sensoren signifikant geringer.

Fazit: Optische Sensoren nutzen diese einzigartigen Eigenschaften des Laserlichtes und ermöglichen innovative Applikationen, die mit kommerziell messenden Sensoren nicht möglich sind.
Die Alleinstellungsmerkmale von faseroptischen Temperatursensoren sind:

• Einsetzbar in starke elektromagnetische Felder
• Lückenlose Temperaturmessung als Funktion von Ort und Zeit
• Einbettung in Verbundmaterialien
• Passiver Sensor ohne Beeinflussung der Messgröße
• Einfache Installation und geringe Wartungskosten
  

DTS(Distributed Temperature Sensor)

Glasfaser besitzen eine sehr geringe Dämpfung. Bedingt durch die amorphe Struktur der Glasfaser wird das Licht entlang der Glasfaser kontinuierliche gestreut. Die sogenannte Rayleigh Streuung besitzt eine starke Wellenlängenabhängigkeit und begrenzt die minimal erzielbare Dämpfung. Zusätzlich zu der Rayleigh-Streuung entsteht bei Wärmeeinwirkungen im Glasfasermaterial eine weitere Lichtstreuung, die sog. Raman-Streuung. Temperaturänderungen induzieren Gitterschwingungen im Molekülverband des Quarzglases. Fällt Licht auf diese thermisch angeregten Molekülschwingungen, kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den Lichtteilchen (Photonen) und den Elektronen des Moleküls. Es entsteht im LWL die temperaturabhängige Lichtstreuung (Raman-Streuung), die gegenüber dem einfallenden Licht spektral um den Betrag der Resonanzfrequenz der Gitterschwingung verschoben ist. Die Raman-Streuung besitzt im Vergleich zur Rayleigh-Streuung nur einen sehr kleinen, i. Allg. vernachlässigbaren Streuanteil und kann nicht mit der klassischen Zeitbereichsreflektometrie (engl. Optical Time Domain Reflectrometry, OTDR) gemessen werden. Die Intensität des Anti-Stokes-Bandes ist temperaturabhängig, wobei das Stokes-Band nahezu unabhängig von der Temperatur ist. Die Messung der lokalen Temperatur an einem beliebigen Ort des Lichtwellenleiters folgt aus dem Verhältnis der Intensitäten von Anti-Stokes- und Stokes-Licht. Eine Besonderheit dieser Raman-Technik ist die direkte Temperaturmessung mit einer Kelvin-Skala. Durch die Verwendung von optischen Rückstreuverfahren kann die Raman Streuung entlang der Glasfaser als Funktion von Ort und Zeit gemessen werden (s. nachfolgende Abbildung).

(1) Laserquelle; (2) Anti-Stokes Detektor; (3) Stokes Detektor; (4) Faseroptischer Temperatursensor; (5) Wärmeschwingung; (6) Laserlinie; (7) Anti-Stokes Linie; (8) Stokes Linie; (9) Örtlicher Temperaturverlauf

Die nachfolgende Abbildung zeigt den örtlichen Verlauf der Temperatur entlang eines 3km langen Messkabels zu einen bestimmten Messzeitpunktes.

OSSCAD hat für verschiedene Applikationen spezielle Sensorkabelkonstruktionen entwickelt und erfolgreich erprobt. Die Glasfaser wird in eine Hohlader eingebracht, mit Zugentlastungselementen umhüllt und mit einem Kunststoffaußenmantel gegenüber äußeren Beschädigungen geschützt. Um eine möglichst einfache Verbindung des Messkabels zum Temperaturauswertegerät zu erzielen können die Messkabel mit einem optischen Stecker vorkonfektioniert werden.

Software

Die Temperaturmessdaten des DTS Messgerätes lassen sich in verschiedenen Darstellungsformen visualisieren und zu externen Peripherien (Leit- und Prozesstechnik, Datenbanksystemen) übertragen. Ein Auszug der verschiedenen Darstellungsformen des Programms VISCOM (Visualisation and Communication) ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.

Die VISCOM Asset-View zeigt dem Benutzer schematisch die Anlage in Kombination mit dem verbauten Sensormesskabel bei gleichzeitiger Visualisierung der Temperaturmesswerte in RGB Farben. Per Mausklick erscheinen detaillierte Informationen in Form eines Graphen, eines thermographischen RGB Bildes oder einer Zonendarstellung. Die Zonendarstellung ermöglicht die Auswertung über einen Faserabschnitt in Form einer Balkenanzeige.

Komponenten:

Je nach Anwendung stellt sich die Aufgabe der benötigten Komponenten neu. OSSCAD entwickelt die hardware- und softwaretechnischen Systemkomponenten kunden- und applikationsspezifisch als Systemlösung.