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Mehr Sensoren in einem Kabel
Faseroptisches Temperaturmesssystem der HM kommt in schwedischer Gasturbine zum Einsatz
27/08/2020
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Das Labor für Photonik der Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik forscht auf dem Gebiet der faseroptischen Sensorik für industrielle und medizinische Anwendungen. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Entwicklung hochtemperaturstabiler Multipunkt-Sensoren auf der Basis sogenannter regenerierter Faser-Bragg-Gitter (RFBG), welche Temperaturen bis über 1.000 Grad Celsius standhalten können.
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Träger der Sensoren sind Lichtwellenleiter aus hochreinem Quarzglas. RFBG-Sensoren sind deshalb unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern und weisen aufgrund ihrer geringen Größe eine kurze Ansprechzeit auf. Weiterhin erlaubt die RFBG-Sensortechnologie das Hintereinanderschalten einer Vielzahl an Messstellen in eine einzige Leitung (Wellenlängen-Multiplexing), wodurch sich Multipunkt-Temperatursensoren mit Durchmessern von weniger als einem Millimeter realisieren lassen. Dies ist besonders für die Anwendung in industriellen Anlagen wie Gasturbinen und chemischen Reaktoren von Vorteil.
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Temperaturprofile mit höherer räumlicher Auflösung benötigt
Siemens Energy stellt am Standort Finspång in Schweden u.a. Gasturbinen im mittleren Leistungsbereich her. Für die Steuerung solcher Gasturbinen ist die Abgastemperatur der wichtigste Parameter. Durch die Messung der Temperaturverteilung im Abgasdiffusor lässt sich die Verbrennung in den Brennkammern so regulieren, dass möglichst homogene Temperaturen innerhalb der Turbine erzielt werden. Das erhöht den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Maschine. Obwohl die räumliche Auflösung der gemessenen Temperaturprofile so hoch wie möglich sein sollte, war die Anzahl an Messpunkten bisher durch den Verdrahtungsaufwand und den notwendigen Bauraum der verwendeten Standardthermoelemente stark begrenzt. Hier bietet die Technologie der Multipunkt-RFBG-Sensoren enormes Innovationspotenzial.
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Aufgrund der bisherigen Forschungsergebnisse des Labors für Photonik vergab Siemens Energy einen Forschungsauftrag über die Messung von Temperaturverteilungen im Abgasdiffusor einer SGT-800 Gasturbine. Dafür stellte Siemens eine Standardmesssonde zur Verfügung, welche das Forschungsteam modifizierte und mit einem faseroptischen Temperatursensor bestehend aus sechs Sensorelementen ausstattete. Die Messkampagne fand schließlich in Schweden Mitte August während mehrerer Testläufe der Gasturbine statt. Je nach Leistungszustand der Turbine zeigte das faseroptische Messsystem charakteristische Temperaturprofile mit Maximaltemperaturen von bis zu 600 Grad Celsius. Während der Messungen waren zudem die Ansprechzeiten kürzer als bei den konventionellen Thermoelementen.
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Das Potenzial des faseroptischen Messsystems war dabei so überzeugend, dass bereits eine Anfrage über vier weitere Messsonden für Prototypentests im nächsten Jahr gestellt wurde.
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Franz Dutz / Mirja Fürst