Robuste, lebensdauerumfassende Monitoringkonzepte
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title TP C01: Robuste lebensdauerumfassende Monitoringkonzepte für Offshore-Windenergieanlagen | Project C01: Robuste lifetime monitoring concepts for offshore wind turbines Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / SFB 1463 Zeitraum | Period 01/2021 – 12/2024 (Phase | period 1) |
Kurzfassung Förderphase 2
Vortests mit Beschleunigungssensoren an einer Jacketstruktur im Wellenkanal
Offshore Windenergieanlagen sind anspruchsvollen Umwelt- und Betriebsbedingungen ausgesetzt, die eine kontinuierliche Überwachung erforderlich machen, um strukturelle Veränderungen frühzeitig zu erkennen und die Sicherheit sowie Effizienz zu gewährleisten. Gleichzeitig führt die Alterung der eingesetzten Sensorik zu Messunsicherheiten und erschwert die zuverlässige Interpretation der Daten.
Das Teilprojekt C01 zielt darauf ab, die langfristige Überwachung und Datenverarbeitung von Offshore Windenergieanlagen zu verbessern, indem sowohl strukturelle Alterungsprozesse als auch Veränderungen im Sensornetzwerk berücksichtigt werden. Ziel ist es, in Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten, die Genauigkeit und Aussagekraft des digitalen Zwillings über die gesamte Lebensdauer der Anlage hinweg sicherzustellen.
Versuchsaufbau mit Beschleunigungssensoren, DMS und Laser-Wegaufnehmern in der Klimakammer
Daher konzentriert sich C01 in der zweiten Förderphase insbesondere auf die systematische Integration des in der ersten Förderphase gesammelten Wissens über das Alterungsverhalten von Sensorik in den Designprozess von Sensornetzwerken. Im Mittelpunkt steht die Erweiterung klassischer Ansätze des Optimal Sensor Placement um zeitabhängige und zuverlässigkeitsbasierte Aspekte. Dadurch sollen Sensorpositionen nicht nur für den Anfangszustand der Struktur optimal gewählt werden, sondern auch langfristig robuste und geeignete Messpunkte identifiziert werden, die die Degradation der Sensorik berücksichtigen.
Förderphase 1
Bericht aus dem Jahrbuch 2024/25
Zuverlässigkeit im Wandel – Dynamik und Unsicherheiten in Monitoringsystemen
Manuell freigelegter DMS nach dem Alterungsprozess und mikroskopische Darstellung der DMS-Messstelle
Das Teilprojekt C01 des SFB 1463 verfolgt das Ziel, zuverlässige Monitoringsysteme zu entwickeln, die über den gesamten Lebenszyklus von Bauwerken hinweg robust bleiben und Alterungsprozesse durch probabilistische Analysen von Strukturschäden unterscheiden können. Im Jahr 2024 lag der Fokus auf der Analyse zeitinvarianter Experimentaldaten, die zur Modellierung des zeitabhängigen Verhaltens herangezogen und in die Methodik der Messanomaliediagnose integriert wurden. Laborversuche verdeutlichten typische Alterungsprozesse in Dehnungsmessstreifen und Laser-Triangulationssensoren, wobei häufige Messanomalien wie Drift, Bias und Rauschzunahme identifiziert wurden.
Diese Anomalien wurden sowohl in ihrer Ausprägung als auch Größenordnung analysiert und für die Validierung der im Teilprojekt entwickelten probabilistischen Messanomaliediagnose genutzt. Hierzu kamen synthetische Messdaten aus Finite-Elemente-Modellen sowie Realdaten zum Einsatz. Die Detektion, Lokalisierung und Klassifikation der Anomalien erfolgte mittels Mahalanobis-Distanz, Korrelationsanalysen und Optimalfiltermethoden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Konzept der Messanomaliediagnose in Verbindung mit probabilistischen, datengetriebenen Messanomalie-Analyseverfahren eine robuste Zustandsbewertung des Messsystems ermöglicht und aufgrund der Annahme korrelierender Sensorknoten im Sensornetzwerk eine Unterscheidung dieser Messanomalien von Strukturschäden zuverlässig möglich ist.
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Verlässlich Altern – Die Dynamik von Unsicherheiten im Messsystem
Untersuchte Beschleunigungssensoren mittels Niederfrequenz-Kalibrierstation bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Das Teilprojekt C01 im SFB 1463 verfolgt das Ziel, zuverlässige Messsysteme für Bauwerke über einen Zeitraum von mehreren Jahren zu entwickeln. Das Problem: Messsysteme weisen Unsicherheiten auf, die mit der Zeit größer werden und es schwierig machen, Schäden am Bauwerk sicher identifizieren zu können.
Im Jahr 2023 fokussierten sich die Forschungen auf das zeitinvariante Übertragungsverhalten von Beschleunigungssensoren im niederfrequenten Schwingungsbereich und das zeitinvariante Messunsicherheitsbudget von Dehnungsmessstreifen. Laborversuche an der TU Dresden zeigten, dass Beschleunigungssensoren vor allem durch systematische Parameter beeinflusst werden. Im niederfrequenten Schwingungsbereich nimmt die Sensitivität mit abnehmender Schwingungsfrequenz ab. Temperatur beeinflusst die Sensitivität ebenfalls, sie nimmt mit steigender Temperatur zu. Bei Dehnungsmessstreifen wurden sowohl systematische Einflüsse (Temperatur und Luftfeuchte) als auch zufällige Einflüsse (Kabellänge, Kabelqualität, Messschaltung, Art des Messmoduls) als Beitrag zum Messunsicherheitsbudget identifiziert. Die Versuchsdaten wurden unter der Annahme linear zeitinvarianter Systeme ausgewertet.
Darüber hinaus wurden Dehnungsmessstreifen Alterungszyklen in der Klimakammer ausgesetzt, wodurch nach sechs Monaten nennenswerte Alterungserscheinungen festgestellt wurden. Messwertdrifte und Vergrößerungen der Standardabweichung wurden beobachtet. Ein mathematisches Modell, abgeleitet aus den Daten, soll zukünftig die Bewertung der Zuverlässigkeit von Messsystemen ermöglichen. Überschreitet der Messwert einen Schwellenwert aufgrund von Drift oder erhöhter Standardabweichung, sind Kompensationsmaßnahmen wie Neuapplikation von Sensoren oder analytische Kompensation mittels Bayes-Aktualisierung erforderlich.
Die abgeschlossenen Laborversuche werden nun analysiert, wobei ein Schwerpunkt auf der Entwicklung eines Auswertekonzepts liegt, das zwischen Messsystemalterung und Bauwerksschäden unterscheidet.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Unsicherheit als Qualitätsmerkmal von SHM-Systemen
Applizierte Einzel-Dehnungsmessstreifen auf dem INVAR-Probekörper
Das Teilprojekt C01 im Sonderforschungsbereich 1463 (SFB 1463) verfolgt das Ziel, zuverlässige Informationen von Windenergieanlagen über einen Zeitraum von mehreren Jahren zu erfassen. Das Problem: Messsysteme weisen Messunsicherheiten auf, die mit der Zeit größer werden. Die Messsysteme werden also immer unzuverlässiger und eine Änderung am Bauwerk kann nicht mehr sicher identifiziert werden.
Um die Vergrößerung der Messunsicherheit mit Zahlen zu beschreiben, werden an der TU Dresden Laborversuche mit typischen Messsystemen unternommen. Im Jahr 2022 wurden vor allem kontaktlose Laser-Distanzmessungen realisiert. Hierfür wurden zunächst zeitunabhängige Versuche durchgeführt, die als Vergleichsgrundlage dienen. Im weiteren Verlauf wurden Alterungseffekte innerhalb einer Klimakammer simuliert, die durch geregelte Temperatur- und Luftfeuchtephasen initiiert wurden. Nach wenigen Monaten Versuchslaufzeit zeigten sich bereits erste Alterungserscheinungen innerhalb des Messsystems, die sich in der sukzessiven Vergrößerung der Messunsicherheit widerspiegelten. Ferner wurde die Systemantwort des Monitoringsystems auf unterschiedliche Temperaturen durch eine temperaturabhängige Übertragungsfunktion beschrieben. Dieses mathematische Modell bildet die Realität nicht exakt ab, vor allem dann nicht, wenn das Monitoringsystem altert. Hierfür wurde das sogenannte Bayes’sche Model Updating implementiert, welches die Modellparameter mit der Zeit aktualisiert und somit eine kontinuierliche Anpassung des mathematischen Modells ermöglicht. Die Realdaten dienen dazu, das mathematische Modell dem realen Monitoringsystemverhalten anzupassen. Dies hilft dem praktizierenden Ingenieur bei der Echtzeitbewertung des Bauwerks, da die Kompensation des alternden Messsystems automatisiert erfolgt.
Weitere Untersuchungen erfolgen mit Dehnungsmessstreifen. Hier wird nicht nur das gesamte Monitoringsystem hinsichtlich seiner Messunsicherheit betrachtet, sondern der Einfluss einzelner Komponenten (Sensor, Kabel, Messverstärker) quantifiziert.
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Auch Überwachungssysteme altern
Vorversuche mit DMS im Klimaschrank
Ein weiteres Forschungsprojekt, welches im Sonderforschungsbereich 1463 (SFB 1463) bearbeitet wird, ist das Teilprojekt C01. Das Projekt ist im Bereich der Strukturüberwachung der OWEA angesiedelt. Das übergeordnete Ziel, einen digitalen Zwilling für Windenergieanlagen zu erarbeiten, wird in diesem Projekt in dem Kontext der Echtzeitüberwachung von Tragstrukturen verstanden. Der digitale Zwilling basiert essenziell auf der Verknüpfung zwischen realen Teilkomponenten der Windenergieanlage sowie digitalen Repräsentanten und muss die reale Struktur möglichst exakt abbilden. Die wesentlichen Informationen dafür müssen über Monitoringsysteme gewonnen werden, die eine lebenslange Verknüpfung von realem und virtuellem System gewährleisten.
In dem an der TUD bearbeiteten Teilprojekt wird – mit dem Wissen, dass sich im Laufe der Zeit die reale Tragstruktur ebenso wie die Einwirkungen verändern – das Ziel verfolgt, Methoden für ein lebensdauerumfassendes Monitoringkonzept zu erforschen. Problematisch ist, dass auch Monitoringsysteme einem Alterungsprozess unterliegen. Die Messanlage verschlechtert sich über die Lebensdauer bezüglich Datenquantität und -qualität. Die Schwierigkeit besteht darin, dass Komponenten des Messsystems nicht sofort vollständig ausfallen. Der Forschungserfolg hängt demnach davon ab, ob initiale Unsicherheiten und Alterungsprozesse der Messanlagen berücksichtigt und kompensiert werden können.
In diesem Zusammenhang wurden Vorversuche für die probabilistische Beschreibung der Übertragungsfunktion unterschiedlicher Sensortypen (Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungsaufnehmer und Laser-Distanzsensoren) und der zugehörigen Messsystemkomponenten durchgeführt. Die Messwerte wurden hinsichtlich ihrer Temperatur- und Feuchteabhängigkeit ausgewertet, sodass erste zeitunabhängige Übertragungsfunktionen approximiert werden konnten.
Im weiteren Verlauf werden zeitabhängige Versuche durchgeführt, um die Alterungsprozesse weiterer Messsystemkomponenten (Sensor, Kabel, Messverstärker) beschreiben zu können.