Beschleunigungssensoren: Mehr Sicherheit auf allen Weltmeeren

Beschleunigungssensoren in der Praxis: Etwa 400 Wissenschaftler und Techniker arbeiten bei Marin täglich daran, Schiffe und andere Wasserfahrzeuge sicherer, umweltfreundlicher und intelligenter zu machen. Die Dienstleistungen des privaten Instituts richten sich unter anderem an Schiffseigentümer, Werften und Ingenieurbüros.

Simulation unter realen Bedingungen

In verschiedenen Bassins werden bis zu 14 Meter lange maßstabsgetreue Modelle von Schiffen, U-Booten oder Bohrinseln unter realen Bedingungen auf ihr Seegangsverhalten getestet. „Wir können hier Wind und Wellen erzeugen und herausfinden, wie sich die Modelle unter diesen Einflüssen verhalten“, berichtet Sensor-Spezialist Jocco Dekker. Sechs verschiedene Versuchsbecken stehen den Forschern zur Verfügung, in denen sie zum Beispiel die Strömungsverhältnisse in flachen und küstennahen Gewässern sowie auf hoher See simulieren. Darüber hinaus verfügt Marin über weitere Prüfeinrichtungen, in denen unter anderem Schiffsschrauben oder -motoren getestet werden. In Simulatoren können zudem Kapitäne das Steuern von Schiffen trainieren.

Daten von Beschleunigungssensoren machen Mängel sichtbar

Durch die Tests in den Bassins erhalten die Techniker und Ingenieure von Marin wichtige Hinweise auf Schwachstellen in Schiffskonstruktionen. Diese können erhebliche Auswirkungen auf die Sicherheit und die Effizienz haben. So ist z. B. der Treibstoffverbrauch von Containerschiffen von der Beschaffenheit des Rumpfes und von der Lage des Schiffes in Längsrichtung im Wasser abhängig. Auf der Basis der in den Tests gewonnenen Daten erstellt Marin Computer-Simulationen, gibt den Schiffsbauern Empfehlungen für die Optimierung ihrer Konstruktionen und erhöht so die Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte.

Hohe Genauigkeit ist unabdingbar

Um die Daten für die Computer-Simulation nutzen zu können, müssen die Messungen an den Modellen allerdings mit höchster Genauigkeit erfolgen. Aus diesem Grund setzt Marin hochpräzise kapazitive Beschleunigungssensoren von ASC ein. Das Unternehmen aus Pfaffenhofen an der Ilm entwickelt und fertigt maßgeschneiderte Sensor-Lösungen für Test- und Messanwendungen. Seine Ingenieure kennen die Anforderungen genau, die an Sensoren für diese Anwendungen gestellt werden. Sie können ihre Messtechnik daher exakt an die Bedürfnisse ihrer Kunden anpassen. Diese Flexibilität schätzt man bei Marin sehr: „Es ist ideal, dass man die Sensoren speziell für uns konfiguriert“, so Jocco Dekker. Zum Service von ASC gehört beispielsweise die individuelle Einstellung des Kalibrier- und des Messbereiches, die Anpassung von Kabellängen und die Montage spezieller Steckverbinder.

Überzeugt sind Jocco Dekker und seine Kollegen auch über die kurzen Lieferzeiten von ASC und den direkten Kontakt zu den Ingenieuren: „Wenn wir eine Frage haben, können wir die Fachleute dort schnell erreichen.“ Ein großer Vorteil sei zudem die Möglichkeit, die ASC-Sensoren zu reparieren, wenn es doch einmal zu einer Beschädigung kommt. Die Gefahr ist relativ groß, denn die Sensoren werden bei den Tests oft ein- und ausgebaut und sind dabei rauen Bedingungen ausgesetzt. „Die Sensoren eines anderen Herstellers mussten wir wegwerfen, sobald ihr Kabel beschädigt war“, erinnert sich Jocco Dekker. „Bei den ASC-Sensoren können wir das Kabel einfach austauschen lassen und den Sensor weiter nutzen.“

Selbst unter Wasser einsetzbar: Beschleunigungssensoren von ASC

Marin verwendet für seine Tests die triaxialen Beschleunigungssensoren vom Typ ASC OS-315LN, die sich durch ihre hohe Empfindlichkeit auszeichnen und gleichzeitig sehr robust sind. Die OS-Sensoren kommen hauptsächlich in den Offshore-Bassins der Niederländer zum Einsatz. Die Sensoren ASC OS-315LN (Low Noise) bieten eine sehr hohe Auflösung und wurden von den Marin-Ingenieuren auch deshalb für die Tests ausgewählt, weil sie die Schutzart IP68 besitzen. Damit sind sie gegen andauerndes Untertauchen geschützt und somit ist ein Unterwasser-Einsatz in den Becken sicher gewährleistet. Vorteilhaft sind zudem die große Empfindlichkeit der Sensoren, die zwischen 2.000 bis 10 mV/g liegt sowie der Messereich von ±2g bis ±400g.

Signal-Rausch-Verhältnis

In den sogenannten Seegangsbassins, in denen Manöver auf hoher See simuliert werden, messen triaxiale ASC-Sensoren vom Typ 5521MF (Medium Frequency) die Beschleunigung der Wasserfahrzeug-Modelle. Die Sensoren dieser Serie haben einen Messbereich von ±2g bis ±200g, eine Empfindlichkeit von 1.350 bis 13,5 mV/g und verfügen über einen großen Frequenzbereich von 0 Hz bis 7 kHz. Durch diese Kombination eignen sich die Sensoren ideal für das weite Spektrum an Frequenzen, das bei den Tests erfasst werden muss. Marin hat diese Sensoren ausgewählt, weil sie ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen (7 bis 400 ±g/±Hz) und daher selbst niedrige Frequenzen zuverlässig und genau erfassen.

Diese Eigenschaften sind wichtig für die Versuche in diesem Bassin, da hier unter anderem getestet wird, wie sich die Schiffsmodelle bei geringem bis starken Seegang verhalten. Bei diesen Umgebungsbedingungen ändert sich die Beschleunigung des Modells langsam (etwa aufgrund von Rollbewegungen), aber auch schnell (zum Beispiel bei Wellenschlag). Der Beschleunigungssensor muss sowohl die langsamen als auch die schnellen Bewegungen exakt erfassen können. „Das Signal-Rausch-Verhältnis der ASC-Sensoren ist besser als bei Sensoren des Wettbewerbs“, berichtet Jocco Dekker. „Zwar nicht viel, aber bei den Messungen kommt es auf jedes Detail an.“

Beschleunigungssensoren: IMUs erfassen Orientierung der Modelle

Darüber hinaus nutzt Marin auch Inertial Measurement Units (IMUs) von ASC – hauptsächlich für kleine Schiffsmodelle, bei denen das Gesamtgewicht oder der Bauraum begrenzt ist. ASC’s IMU7 basiert auf hochpräzisen triaxialen Beschleunigungs- und Drehratensensoren, welche in einem kleinen Gehäuse integriert sind und mittels Baukastenprinzip ein kompaktes Design aufweisen. Diese 6-Achs-Systeme kombinieren dadurch sowohl die Messung von Linear- als auch Winkelbewegungen. Mit ihrer Hilfe lassen sich sowohl die Position als auch die Orientierung eines Objekts im Raum genau bestimmen sowie Erkenntnisse bezüglich der Fahrdynamik gewinnen.

Marin testet Hyperloop-System

Eines der spektakulärsten Versuchsobjekte in den Bassins von Marin war das Hyperloop-System der niederländischen Firma Hardt. Hierbei handelt es sich um eine Art Unterwasser-Röhre in etwa 100 m Tiefe, in der Passagiere künftig von Europa an die US-amerikanische Ostküste reisen können sollen. Als Transportmittel sind 30 Meter lange Kapseln vorgesehen, die sich mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1.000 km pro Stunde durch die Röhren bewegen.

Bei den Tests von Januar bis Spätsommer 2019 wollten die Experten von Marin herausfinden, welchen Belastungen der Tunnel ausgesetzt sein würde. Schon vor dem Start der Versuche war klar, dass sich die Röhre unter Wasser durch den Wellengang etwas bewegen wird. Die Fragestellung lautete deshalb: Sind diese Bewegungen gering genug, damit die Transportkapseln mit den Passagieren den Tunnel bequem und ohne Störungen passieren können?

Optimierung der Konstruktion

Um den geplanten Tunnel realistisch simulieren zu können, baute man in einem der Bassins ein 140 m langes Modell. Anschließend wurde die Röhre dem stärksten Wellengang ausgesetzt, welcher im Nordatlantik zu erwarten ist. Bei der Messung der Tunnelbewegungen leisteten die ASC OS-315LN Sensoren wieder wertvolle Dienste: Acht von ihnen wurden auf der Oberseite des Tunnels montiert, um Redundanz in der Messung zu schaffen und den Einfluss des Wellengangs in Abhängigkeit von der Position entlang des Röhrenmodells zu bestimmen. Dank ihrer hohen Empfindlichkeit registrierten die Sensoren sogar Tunnelbeschleunigungen von lediglich 0,1 m/s2 – dies war der höchste Wert, der an einzelnen Röhren-Segmenten gemessen wurde.

Test-Ergebnisse sollen Investoren überzeugen

Die hochgenauen Beschleunigungssensoren von ASC sind bei Marin schon seit vielen Jahren erfolgreich im Einsatz. Sie machen die detaillierten Messungen an den Schiffsmodellen überhaupt erst möglich.

Auch bei den Hyperloop-Versuchen spielten die Sensoren eine zentrale Rolle: „Mit ihrer Hilfe konnten wir die Bewegungen eines freischwimmenden Tunnels genau bestimmen“, berichtet Jocco Dekker. „Jetzt analysieren wir die Daten und versuchen, das reale Experiment in Computer-Simulationen zu reproduzieren.“ Wenn die Auswertungen abgeschlossen und die Ergebnisse veröffentlicht sind, wird Marin Investoren für die nächste Stufe des Projekts suchen.

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