Zerstörungsfreie Prüfung Sensoren intelligent vernetzen

Sensoren haben eine wichtige Bedeutung bei der Überwachung von Bauteilen und der Umwelt erlangt. Die BAM hat weitreichende Expertise in der Entwicklung von Sensoren und deren Einsatz. Sie entwickelt im Projekt Kommunizierende Sensorsysteme für die Bauteil- und Umweltüberwachung (KonSens) eine intelligente Plattform aus Hard- und Software, die Daten aus unterschiedlichen Quellen verarbeiten kann. Sie setzt auf kommunizierende Systeme, nutzt Algorithmen zur Datenfusion und ermöglicht gleichzeitig ein großes Maß an Mobilität.

Sensorsysteme sind wichtige Schnittstellen in der modernen Welt. Hinter dem Begriff verbergen sich verschiedene Technologien. Fast jede Anwendung nutzt ein eigenes Messverfahren. Auch die Struktur und das Format der Daten, die die Sensoren liefern, sind keineswegs einheitlich. Was für die einzelne Messung keine große Rolle spielt, erweist sich als Problem, wenn unterschiedliche Sensoren in einem gemeinsamen Netzwerk eingesetzt werden sollen. Die BAM ordnet dieses Durcheinander der Sensordaten. Das Stichwort heißt Datenfusion auf einer gemeinsamen Plattform. „Wenn wir die Daten verarbeiten, finden wir durchaus Parallelen zwischen den auf den ersten Blick nicht zusammenhängenden Anwendungen“, erklärt Viktor Feller den Ansatz. Diese neue Plattform soll nicht nur bestehende Messsysteme standardisieren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen zusätzliche Informationen erhalten. Dazu kombinieren sie multivariable Datensätze, die von unterschiedlichen Messverfahren erzeugt wurden, auf intelligente Weise.

Die Architektur der neuen Plattform ist dank eines modularen Aufbaus zukunftsfähig ausgelegt und berücksichtigt bereits Anforderungen, die ein Teil der heutigen Lösungen nicht erfüllt. Sie enthält alle benötigten Schnittstellen und unterstützt zahlreiche Kommunikationswege, damit sich neue Sensoren einfach integrieren lassen. Zudem soll die Plattform Mobilität durch einen hohen Miniaturisierungsgrad ermöglichen. Das ist nicht immer einfach: „Manche Algorithmen, die auf einem Standard-PC laufen, sind für den mobilen Einsatz nicht geeignet, weil dann oft noch beschränkte Rechenkapazitäten zur Verfügung stehen“, erklärt Feller. Das ist nur eines der Probleme, die beim Übergang der sensorischen Methoden aus dem Labor in die reale Messumgebung zu lösen sind.

Multi-Sensorsystem misst Schadstoffe in der Luft

Ein wichtiger Anwendungsbereich für Sensorsysteme ist die Analyse der Konzentration von Schadstoffen in der Luft. Die Problemstellungen sind oft ganz unterschiedlich. Die Industrie interessiert beispielsweise die Reinheit von Raum- und Betriebsluft. Auch der Schutz vor Katalysatorgiften, die die Wirkung eines Katalysators dauerhaft beeinträchtigen, ist von Bedeutung. Im Umweltbereich stehen dagegen flüchtige Gase wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Ozon und flüchtige organische Verbindungen wie zum Beispiel Benzol als wachsendes Problem für die Luftbelastung in Großstädten im Mittelpunkt. Messsysteme, die das leisten können, existieren zwar, aber die Anforderungen an die Sensoren wachsen ständig, vor allem in Bezug auf die Empfindlichkeit der Messungen. Die nötige Sensibilität geht mittlerweile soweit, dass das Messgerät wenige Hundert Moleküle zuverlässig in einem Gasgemisch mit einer Milliarde Teilchen entdeckt. Zudem soll es ähnliche Schadstoffmoleküle detailliert analysieren und präzise voneinander unterscheiden. Die Sensoren sollen so ein dauerhaftes Monitoring leisten. „Die heute marktgängigen Technologien stoßen fast an ihre Grenzen“, erklärt Feller. Die BAM arbeitet deshalb an einem komplexen System zur Multigasanalyse. Es kombiniert das bestehende Verfahren der spezifischen Gassensorik mit Sensoren für flüchtige organische Verbindungen. Durch die Zusammenführung beider Ansätze und die gemeinsame Auswertung soll ein Sensorsystem für viele verschiedene Messgrößen entstehen.

Elektronische Akte zur Überwachung von Bauwerken

Die BAM beschäftigt sich auch mit der dauerhaften Überwachung von Bauwerken, die schwer zugänglich sind, wie beispielsweise Offshore-Windenergieanlagen. Auf hoher See sollen die Sensoren unter anderem Korrosionsschäden erkennen und den Instandhaltungsbedarf ermitteln. Dadurch lässt sich die Zahl der teuren Inspektionen vor Ort senken. Die Messsysteme können oft direkt in den Beton der Bausubstanz eingebettet werden. Das Forscherteam der BAM nutzt dafür häufig RFID-Sensoren, denn laut Feller können sie über einen langen Zeitraum eingebettet werden und benötigen keine interne Stromversorgung. „Wir verfolgen beim Einsatz dieser Sensoren quasi das Prinzip einer elektronischen Akte im Bauteil“, sagt Feller. Viele der kleinen Messfühler bleiben jahrelang an der gleichen Stelle. Wenn mehrere Hundert Sensoren für die Kontrolle von Bauwerken verwendet werden, reicht es nicht, wenn sie nur Messwerte liefern. Sie sollen Zusatzinformationen bereitstellen, mit denen das einzelne Bauteil identifiziert und spezifiziert werden kann. Jeder Sensor füllt damit seine eigene elektronische Akte. „Das ist eine wichtige Voraussetzung, um die Datensammlung zu automatisieren, wenn viele Sensoren an der Überwachung eines Systems beteiligt sind“, erklärt Feller. Bis ein Sensoren-Netzwerk für ein komplexes Monitoring im Alltag eingesetzt werden kann, muss ganz unterschiedliche Entwicklungsarbeit geleistet werden. So benötigt jedes Messprinzip eine eigene Strategie für die Kalibrierung, die für die Messempfindlichkeit von großer Bedeutung ist. Wenn der Sensor schließlich Daten liefert, müssen diese in ein System integriert werden. Vor dem Einsatz muss festgelegt sein, wie und wo der Sensor im Bauteil oder in der Umgebung platziert wird, damit er sinnvolle Daten sammeln kann. Schließlich geht es um die fachkundige Beurteilung der Messwerte und die Entwicklung der Algorithmen zur Fusion der Sensordaten. „Zehn Fachbereiche arbeiten an diesem Projekt“, erklärt Feller. „Aus der bereichsübergreifenden Zusammenarbeit ergibt sich die einmalige Möglichkeit, die unterschiedlichen Expertisen der BAM zusammenzuführen.“