Der Stromsensor FOCS ist eine Erfolgsstory des ABB-Forschungszentrums in Dättwil. Er kommt in der weltgrössten Aluminiumschmelze zum Einsatz.
Am Anfang stand der Faradayeffekt. Michael Faraday beschrieb das magneto-optische Phänomen bereits 1845. Dass sich der Faradayeffekt für das Messen elektrischer Ströme nutzen liesse, war den Mitarbeitenden im Forschungszentrum in Baden-Dättwil bereits zu Beginn der 1970er-Jahre klar, nachdem die ersten optischen Glasfasern verfügbar wurden. Bloss sahen sie sich mit Problemen konfrontiert, für die noch keine Lösungen greifbar waren: Für eine präzise Strommessung muss am Ende einer optischen Glasfaser ein Wegunterschied zwischen zwei Lichtwellen mit einer Stabilität und Genauigkeit von rund 10 pm gemessen werden. Zum Vergleich: Das Wasserstoffatom hat einen Durchmesser von 100 pm.
Jahrzehntelange Entwicklungsphase
Die damals verfügbaren Materialkomponenten und Messmethoden waren noch zu rudimentär oder nur für Laborumgebungen geeignet. Vor allem zeigte es sich, dass die Lichtwellen in der Faser nicht nur vom Strom, sondern auch von Umgebungseffekten wie Temperaturschwankungen, mechanischen Erschütterungen oder Stress beeinflusst werden. Die Zeit war schlicht noch nicht reif, den Faradayeffekt elegant in einem Produkt umzusetzen.
Anfang der 1990er-Jahre gelang es dann, in Zusammenarbeit mit der Universität Neuchâtel die Sensibilität faseroptischer Sensoren auf mechanische Störungen zu eliminieren, indem die links- und rechtszirkularen Lichtwellen ein zweites Mal mit vertauschtem Drehsinn durch die Faser geschickt werden. Eine erste Hürde war damit beseitigt, viele weitere noch nicht. Die Arbeiten am Sensor gingen 1997 weiter. Zunächst wurde eine Lösung entwickelt, mit der das Licht einer Halbleiterquelle innerhalb der Faser in links- und rechtszirkulare Wellen verwandelt werden konnte, was zu einer massiven Vereinfachung des Sensors führte. Auch erkannten die Forscher, dass sich die Temperaturabhängigkeit des Faradayeffektes elegant kompensieren lässt, wenn sie mit leicht elliptischen statt mit zirkularen Lichtwellen arbeiten. Ein weiterer wichtiger Durchbruch war schliesslich die Methode zur Beseitigung von Spannungsstress in der spulenförmig gewickelten Glasfaser. Den Forschenden von ABB Schweiz war es damit gelungen, alle wichtigen Grundlagen für einen präzisen und störunempfindlichen Sensor zu legen. Für die Umsetzung in ein vermarktungsreifes Produkt waren zwei weitere, externe Entwicklungen von Bedeutung: Einerseits wurden mit dem Telekommunikationsboom wichtige Optoelektronik- und Glasfaserkomponenten weiter verbessert und teilweise um das Zehnfache kostengünstiger angeboten. Andererseits stellte die Navigationstechnik mit der Entwicklung der Faserkreiseltechnologie ein neues Verfahren bereit, mit dem Phasenverschiebungen zwischen zwei Lichtwellen auch bei störenden Umwelteinflüssen zuverlässig gemessen werden können. So machte sich ein Team am Forschungszentrum daran, eine Sensorversion für hohe Gleichströme in der elektrolytischen Metallgewinnung zu entwickeln. Die Herausforderungen dabei: Stromschienen mit einem Umfang, der sich in Metern bemisst, die Nennströme betragen bis zu 500'000 Ampere, und die Toleranz für die Messungenauigkeit beträgt lediglich 0,1 Prozent zwischen –40 und +80 °C.
Preisgekrönte Technologie
Ein Jahr Entwicklung und drei weitere Patentanmeldungen später war auch diese Präzisionsschwelle erreicht. Ende 2003 gingen zwei Pilotsensoren in einem Aluminiumwerk von Alcan im Wallis in Betrieb. Hier zeigte sich, wie robust der Sensor im industriellen Umfeld wirklich sein muss, um auf dem Markt bestehen zu können. Auch diese Bewährungsprobe bestand der Fiber-Optic Current Sensor, kurz FOCS genannt. 2005 errang FOCS beim Swiss Technology Award ebenso einen Podestplatz wie beim Hermes Award der Hannover Messe und beim Technology Innovation Award des Wall Street Journal. Nun war das Gerät endgültig reif für den Markt. Heute werden pro Jahr mehr als 100 Sensoren ausgeliefert – etwa für die weltgrösste Aluminiumschmelzstrasse (siehe unten).
So funktioniert faseroptische Strommessung
Der faseroptische Stromsensor nutzt den Faradayeffekt, also das Phänomen, dass in einem Material wie Glas links- und rechtszirkularpolarisierte Lichtwellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit laufen, wenn in der Laufrichtung ein Magnetfeld angelegt wird. Für die Strommessung wird das Licht in eine optische Glasfaser (Lichtwellenleiter) eingekoppelt. Die Faser umschliesst den Stromleiter mit einer oder mehreren Windungen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeit akkumulieren die links- und rechtszirkularen Wellen im Magnetfeld des Stromes einen Gang- bzw. Phasenunterschied. Der Phasenunterschied wird mit hoher Präzision gemessen und ist ein Mass der Stromstärke.
Sohar Aluminium
In Oman ist seit 2009 die weltgrösste Aluminiumproduktionslinie in Betrieb. In der 2,3 km langen Halle sind 360 Schmelzöfen in Serie geschaltet. Durch Stromschienen fliessen dabei 360'000 Ampere, überwacht von FOCS.