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 |
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Verlässlich Altern – Die Dynamik von Unsicherheiten im Messsystem
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
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
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.