Summary
Demonstreren we gebruik van een vezeloptische sensor voor gedistribueerde In kaart brengen mengtemperatuur luchtstralen. De Rayleigh-verstrooiing gebaseerde sensor genereert duizenden gegevenspunten langs een enkele vezel buitengewone ruimtelijke resolutie die onbereikbaar met traditionele sensoren, zoals thermokoppels leveren.
Abstract
De betrouwbaarheid van computational fluid dynamics (CFD) codes wordt gecontroleerd door het vergelijken van simulaties met experimentele gegevens. Een typische dataset bestaat hoofdzakelijk uit snelheid en temperatuurmetingen, beide idealiter met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie te strenge code validatie vergemakkelijken. Terwijl de snelheid data hoge resolutie gemakkelijk wordt verkregen door middel van optische meettechnieken, zoals particle image velocimetry, is het moeilijk gebleken om de temperatuur gegevens te verkrijgen met vergelijkbare resolutie. Traditionele sensoren, zoals thermokoppels kan deze rol niet vervullen, maar de recente ontwikkeling van gedistribueerde sensing op basis van Rayleigh verstrooiing en veegde-wave interferometrie biedt een resolutie die geschikt zijn voor CFD code validatie werk. Duizenden temperatuurmetingen kunnen worden gegenereerd langs een enkele dunne optische vezel bij honderden Hertz. Sensoren functioneren over grote temperatuurbereik en binnen ondoorzichtige vloeistoffen waar de optische technieken zijn niet geschikt. Maar dit type sensoris gevoelig voor druk en vochtigheid en temperatuur en zo de nauwkeurigheid beïnvloed door het hanteren, trillingen en verschuivingen in relatieve vochtigheid. Dergelijk gedrag is heel anders dan de traditionele sensoren en zo onconventioneel installatie- en operationele procedures zijn nodig om ervoor te zorgen nauwkeurige metingen. Dit demonstreert uitvoering van een Rayleigh verstrooiing type gedistribueerde temperatuursensor in een thermische meng- experiment met twee luchtstralen bij 25 en 45 ° C. Wij presenteren criteria voor de selectie van glasvezel leidraad voor de sensor en beschrijf installatie setup voor een jet mengen experiment. We illustreren sensor baselining, die lezingen verbindt tot een absolute temperatuur standaard, en bespreek de praktische zaken zoals fouten door stroming veroorzaakte trillingen. Dit materiaal kan helpen diegenen die geïnteresseerd zijn in temperatuurmetingen met een hoge data dichtheid en bandbreedte voor stromingsleer experimenten en soortgelijke toepassingen. We belichten valkuilen die specifiek zijn voor deze sensoren voor consideratie in experiment ontwerp en de exploitatie.
Introduction
Computational fluid dynamics (CFD) codes worden gebruikt om een breed scala van vloeistof systemen te simuleren, uit de luchtstroom rond vliegtuigen en auto's naar beneden om de bloedstroom arteriële. De reikwijdte en betrouwbaarheid van dergelijke simulaties zijn opgegroeid met de beschikbaarheid van rekenkracht. Ondanks de complexiteit van geavanceerde simulaties, de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid zijn vaak moeilijk te kwantificeren. In de praktijk wordt de nauwkeurigheid van CFD codes beoordeeld door simulaties met experimentele gegevens in een proces genaamd code validatie.
Een typische experimentele data set bestaat voornamelijk uit snelheid en temperatuurmetingen, beide ideaal van hoge ruimtelijke en temporele resolutie te strenge code validatie vergemakkelijken. Velocity velden kunnen worden in kaart gebracht met een hoge resolutie met behulp van particle image velocimetry (PIV), een gevestigde optische techniek 1,2. Daarentegen is het moeilijk om de temperatuur velden toe met een resolutie vergelijkbaar met die van PIV. optical technieken zoals door laser geïnduceerde fluorescentie zijn 3,4, maar ze vereisen camera en relatief hoogvermogen lasers, en zijn niet geschikt voor ondoorzichtige vloeistoffen.
Een alternatief is beschikbaar in het relatief nieuwe techniek van gedistribueerde temperatuur sensing op basis van Rayleigh verstrooiing en veegde-golflengte interferometrie (SWI) 5-7. Duizenden temperatuurmetingen kunnen langs een enkele optische vezel worden verkregen. Een gedistribueerde temperatuursensor (DTS) kan grote stroom velden en de functie overspannen in omgevingen die niet geschikt zijn voor image-gebaseerde technieken 8 zijn. Er zijn ook DTSS gebaseerd op Raman en Brillouin verstrooiing 9,10, maar sensoren op basis van Rayleigh verstrooiing en SWI bieden ruimtelijke en temporele resolutie meer geschikt voor typische stromingsleer experimenten.
Hoewel DTSS aanbod gegevensdichtheid veel verder dan die van de traditionele sensoren, zoals thermokoppels (TC), sensoren op basis van Rayleigh scattering reageren op zowel stam als de temperatuur 11. Als de vezel coating is hygroscopisch, sensoren ook reageren op veranderingen in de luchtvochtigheid 12,13. Absorptie van waterdamp zwelt de coating, terwijl desorptie krimpt er 14, waarmee de onderliggende glasvezel stammen en verandert het signaal. Hierdoor wordt de nauwkeurigheid beïnvloed door het hanteren, trillingen en verschuivingen in relatieve vochtigheid. Dit is heel anders dan de traditionele sensoren en zo onconventioneel installatie en de meetmethoden moeten worden genomen om accurate gegevens te verkrijgen. Dit demonstreert het gebruik van een DTS in een thermische meng- experiment, die een protocol en richtlijnen nauwkeurigheid.
De DTS hier gebruikt is gebaseerd op de detectie en analyse van Rayleigh verstrooiing binnen een vezeloptische golfgeleider. Een willekeurige verdeling van onzuiverheden en structurele variaties langs de vezelkern ontstaat een backscatter patroon dat uniek is voor de vezel en in het algemeen stabiel. Het spectrum en amplitudedit patroon kan worden gelezen om te dienen als een handtekening vezel. Fysieke veranderingen zoals temperatuurveranderingen of stam af aan de handtekening een herhaalbare manier, en het detecteren handtekening variaties is de basis voor het gebruik van de vezel als sensor.
Figuur 1 toont de belangrijkste onderdelen van de optische aftastinrichting, een zogenaamde optische sensor gedistribueerde ondervrager en hier aangeduid eenvoudigweg als "ondervrager". Bij een techniek die geveegd golflengte interferometrie, een laagvermogen afstembare laser lanceert een smalband signaal in de vezel ten behoeve van registratie verkregen backscatter 5-7. De laser wordt geveegd over een interval van enkele nanometers en het signaal verdeeld referentiebundel en de benen. Strooilicht van de sensor wordt gecombineerd met het referentiesignaal stoorsignalen op de detectoren te genereren. Detektoruitgang wordt gedigitaliseerd en geanalyseerd om de Rayleigh verstrooiing signaal halen. de Rayleoge handtekening van de sensor verschuivingen in de golflengte waar de sensor de temperatuur (stam, of vochtigheid) verandert. De grootte van deze golflengteverschuiving is gerelateerd aan gevoeligheid, dat een fysiek constant geassocieerd met het vezeltype, waarbij een kalibratiefactor analoog aan de Seebeck-coëfficiënt van een TC sensor heeft.
Figuur 2 toont de glazen bak die dient als de test die gebruikt zijn in deze studie. De camera achter de tank geeft een gevoel van schaal. De lucht komt via twee zeshoekige kanalen en mengt voordat u afsluit via een vent. Om de jets te benadrukken, werd een stroom stroom bezaaid met olie mist, terwijl de andere bleef zuivere lucht. Het deksel van de tank heeft een raam bedekt met een zwarte polymeer scherm. Hoewel niet zichtbaar op de foto, het DTS onder het scherm zwart gesuspendeerd.
Een 50 m DTS werd onder het tankdeksel gemonteerd zoals getoond in Fig. 3. Het werd gevormd uit 155 urn diameter polyimide gecoate optische vezelen hing op 127 micrometer diameter stalen draad gespannen tussen tank kopschotten. De sensor werd geweven door de kabel in een afwisselend patroon en heen en weer over de tank lus 49 keer. Het omvat een 0,5 x 0,8 m vlak genereerd 1355 onafhankelijke gegevenspunten bij 4 Hz en ruimtelijke resolutie van 30 mm, 4067 datapunten wanneer overbemonsterde met 10 mm tussenruimte. Dergelijke hoge dichtheid temperatuurgegevens aanvulling snelheidsgegevens en verhoogt de waarde van gegevensverzamelingen voor CFD validatie. Het protocol beschrijft het proces van de sensor selectie, fabricage, en configuratie waarbij de focus op de bijzondere belangen in het gebruik van de DTS in een fluid dynamics experiment.
Protocol
1. Selecteer Optimale Sensor Type voor Application
- Kies sensorlengte gebaseerd op afweging tussen meetsnelheid en het aantal gegevenspunten.
LET OP: Een ondervrager monsters sensoren tot 50 m lengte bij 2,5 Hz en de resolutie van <10 mm, terwijl de andere monsters sensoren tot 10 m lengte bij een resolutie van 5 mm en 100 Hz. - Selecteer een type van single mode glasvezel op basis van de eisen voor de dienst temperatuurgrenzen time respons, vochtigheid gevoeligheid, en de installatie configuratie (blote of capillair).
LET OP: Hier hebben we gebruikt 155 micrometer diameter-polyimide gecoate single-mode commerciële telecom glasvezel.
OPMERKING: Zie de tabellen 1 en 2 als voorbeelden van vezels en configuraties die we hebben gebruikt in ons laboratorium.
2. Installeer Optical Fiber in proefvak
- Open proefvak door het verwijderen van een van de lange glazen zijplaten.
- Boor gaten met een diameter van 1 mmin zijwanden 3 mm onder deksel draad ankers (fig. 3).
LET OP: Ankers houden staaldraad dat de sensor te ondersteunen. Het anker toonhoogte kan worden gevarieerd in overeenstemming met de grootte van het meetgedeelte en verwachte dynamische belasting van stroom. De 20 mm spoed hier gebruikt bewezen stabiel met een minimale trilling in flow in de buurt van 1 m / sec. Vibration corrumpeert DTS signalen en is problematischer met een lange sensoren 15,16. - String een 127 micrometer diameter staaldraad segment over het proefvak door koppelverkoop aan een koperen anker aan elk uiteinde van de tank. Herhaal dit totdat er een totaal van 47 draadsegmenten gespannen over de tank.
- Snijd 50 m van de optische vezel met behulp van communicatie / elektriciens schaar met reservaat in splicing connector en beëindiging vezel om te worden geconsumeerd (waarschijnlijk <0,5 m, maar afhankelijk van de vaardigheid bij splicing). Verzamel deze vezel een kleine pool, ~ 50 mm in diameter.
- Leg de eerste sensor segment aan een rand van het gebied gekozen temperatuur meten with de sensorarray.
Opmerking Als het eerste segment in positie wordt gefixeerd, wordt de vezel een lus voor een aangrenzend segment, vast zijn bevestigd, en meer vezels afgegeven voor het volgende segment in een zich herhalend proces dat de matrix opbouwt totdat alle vezels wordt gebruikt. - Weven de vezels boven en onder aangrenzende draden, aan één kant van de tank naar de andere, afgeven vezel uit de spoel indien nodig.
OPMERKING: De vezel loodrecht op de draad zoals getoond in Fig. 3 met het weefsel ondersteunen tegen de zwaartekracht in een richting en stroming in de andere. - Bevestig elk uiteinde van de eerste vezel segmenten waarin het deksel met gebruikelijke doorzichtige tape polyimide of filmband. Het eerste segment van de array is nu op zijn plaats.
LET OP: Wees niet te repareren sensor strak als een gitaarsnaar, maar strak genoeg om recht te zijn en het nemen van zichtbare speling. Als de sensor gespannen kleine vervormingen in de drager, bijvoorbeeld thermische expansie van het deksel, zal deze spanning te veranderen en het genereren van abnormaal signaal offsets en meetfouten. - Lus de vezel 180 graden om het terug terug voor het volgende segment zoals getoond in Fig. 4 en tape aan het deksel op een afstand van 10 mm van het eerste segment.
LET OP: Minimaliseer de lus diameter omdat het "verspilde vezel" (geen onderdeel van de array), maar het moet ongeveer 30 mm of meer voor aanvaardbaar spanningen. De vezel die hier gebruikt heeft gedoogd 30 mm diameter lussen voor een aantal maanden zonder merkbare signaalverlies, maar grenzen zal variëren met het type vezel. Voor de vezel die hier gebruikt, de fabrikant specificeert de "korte termijn" bend limiet radius als ≥ 10 mm en "long-term" limiet ≥ 17 mm. - Opnieuw weven de vezel tussen de draden naar de tegengestelde zijde van de tank en de band in positie. Herhaal de looping, tapen en weven proces totdat alle vezels wordt gebruikt.
3. Splice Connector en Terminatie naar Fiber
- Splice een LC-type enkelvoudige modus connector aan één uiteinde van de vezel met een fusion splicer volgende instructies van de fabrikant 17.
- Snijd ~ 0,25 m beëindiging vezel met de installateur / communicatie schaar en lassen aan het andere uiteinde van de vezel, opnieuw met een fusion splicer volgende instructies van de fabrikant.
Opmerking: Dit samenstel (vezel, connector en beëindiging) wordt nu aangeduid als een "sensor". Beëindiging vezel verspreidt restsignaal van de laserpuls om te voorkomen dat terugkeert naar de ondervrager.
4. Sensor Configuration
- Steek de LC-type connector einde van de sensor in de ondervrager poort en start configuratiesoftware.
- Genereer sensor amplitude data door het selecteren van "verkregen" (verschillend van temperatuur gegevens), die automatisch wordt weergegeven wanneer de scan is voltooid.
LET OP: De trace voor een sensor met een goede lassen zal het gen hebbenral kenmerken getoond in Fig. 5. Een slechte verbinding kan worden aangegeven door een onduidelijke ruisvloer of dominante reflectie wanneer de connector wordt verwacht. Als een slechte verbinding wordt vermoed, terug naar stap 3 en herhaal splicing procedure. - Selecteer het actieve gedeelte van de sensor door de gele cursor op het scherm om het begin van de sensor en de rode cursor naar het einde te slepen.
- Geef de sensor een naam en selecteer "save sensor files".
NB: De sensor is nu geconfigureerd en klaar voor gebruik. - Sluit de configuratie software en ga naar de meetsoftware.
5. Kaart Sensor Positie binnen afdeling Test
- Start de ondervrager meetsoftware en laadt de sensor juist geconfigureerd.
- Sluit een soldeerbout met een variabele transformator ingesteld op ~ 40%, voorverwarmen gedurende 5-10 minuten.
NB: De soldeerbout genereert lokale temperatuur spikes in kaart te brengen. Een soldeerbout blikje melt de vezel coating en ondergang van de sensor, zodat beginnen met een lage transformator setting, met slechts genoeg kracht om duidelijke pieken te verkrijgen. Een 10-20 ° C spike voldoende voor dit proces. - Selecteer "maatregel" in de ondervrager software om live data plotten op het scherm.
- Uitzoomen om de hele sensor op het scherm weer te geven.
- Houd soldeerbout dichtbij sensor en kort aanraken op het eerste mapping punt, hier het deel het verst van de opening waar het de deksel (fig. 4).
- Record positie van de temperatuur piek, zoals aangegeven door de software, samen met de bijbehorende fysieke locatie binnen proefvak.
- Herhaal 5,5-5,6 in kaart de eindpunten van alle 49 segmenten.
6. Sensor Baseline: De link naar absolute temperatuur
- Positie van een of meer temperatuur normen, bijvoorbeeld TC of weerstand temperatuur detector (RTD), in de buurt van de DTS om te dienen als de standaard koppeling DTS lezingen absolute temperature.
- Close-up van de tank door het vervangen van de lange glazen zijde plaat die in stap 2.1 werd verwijderd.
- Isoleer de tank door te verpakken in dekens of conventionele isolatiepanelen en laat het zitten 's nachts om een isotherme atmosfeer vast te stellen.
- Start de ondervrager software, selecteer "basislijn" (of "tarra"), en tegelijkertijd nota / noteer de TC (of RTD) lezen. Wanneer software is afgewerkt met de basislijn, select "maatregel" om live data complot om de kwaliteit van de basislijn te onderzoeken.
Opmerking: Deze kritische stap wordt het DTS basislijn en het signaal moet nu op nul gezet, namelijk AT (x) = 0 ± een fractie van een graad. Van nu af aan, zal het signaal variëren tank temperatuur afwijken van het referentiekader temperatuur: AT (x) = T (x) abs - T-basis, waarbij T (x) abs de absolute temperatuur langs de vezel en T-basis is de basislijn temperatuur 6,18. Als de test section is nonisothermal, zal T-basis een functie van de positie, dat wil zeggen, T-basis (x), en de nauwkeurigheid worden aangetast, tenzij T-basis (x) wordt in kaart gebracht met meer dan één TC of RTD (zie bespreking sectie). Niet bewegen of raak de sensor tot stap 7 is voltooid. Persen op enigerlei wijze kunnen offsets dat de meetnauwkeurigheid kan degraderen te introduceren. - Onderzoek de live-signaal, dat niet ver moet drijven van nul. Als drift is overdreven voor de toepassing (onze limiet is ongeveer 0,5 ° C na ~ 5 min), zodat er meer tijd voor de test sectie om thermisch evenwicht te bereiken en / of verbetering van de isolatie (zie opmerking hieronder) en herhaal stap 6.4.
LET OP: Signal kwaliteit is altijd direct beste na de baseline en zal drift na verloop van tijd, afhankelijk van de temperatuurverdeling in de test sectie. Goede isolatie en de lange wachttijden voordat base voering zal drift en meetfouten te beperken. Omvangrijke, snelle afwijkingen geven de sectie test is nietisotherm, die uiteindelijk zal leiden tot onnauwkeurige metingen. - Selecteer de logfunctie in de ondervrager software en noteer 10-100 scans van DTS voor dezelfde stagnerende isothermische omstandigheden alleen gebruikt om de basislijn te genereren. Neem ook de TC / RTD lezen.
LET OP: Dit is reserve gegevens voor de nameting controles van compensaties die kunnen worden gegenereerd door stam van stroom of onverwachte vervorming van het proefvak of steunen.
7. Run Test
- Schakel de compressor luchtstroom genereren en stel stroomregelaars om stroomsnelheden passen bij 1,25 kg / sec elk kanaal.
LET OP: Gemiddeld inlaat snelheid is 1,1 m / sec en Reynolds getal is 10.000. - Stel verwarmingsvermogen tot 600 W om op te warmen het oosten jet 20 ° C boven het westen jet, die bij omgevingstemperatuur.
- Laat het systeem 's nachts uitgevoerd om evenwicht te bereiken.
- De volgende dag gaan wonen DTS signaal-ruis niveau te beoordelen. Selecteer de sensor "gage length "in de software om aanvaardbare geluidsniveau (een 30 mm gage wordt hier) bereiken.
LET OP: Gage lengte komt overeen met de sensor ruimtelijke resolutie. In het algemeen ruis toeneemt naarmate gage lengte afneemt en als stroming veroorzaakte trillingen toeneemt (zie de handleiding en referentie 13 en 14). - Log 2000 DTS scans bij 4 Hz.
- Schakel de kachel vermogen en luchtstroom. Laat de tank zitten 's nachts om evenwicht te bereiken en vast te leggen 10-100 DTS scans naar de pre-test dataset opgeslagen voor nameting aanvulling offset controles.
8. Data Analysis
- Selecteer de nabewerking functie in het hoofdvenster van de ondervrager software en importeer de testgegevens, die in een binaire indeling.
- Exporteer de gegevens als een platte tekst bestand dat kan worden gelezen door conventionele spreadsheetprogramma's.
LET OP: Deze gegevens vertegenwoordigt gemeten AT langs de vezel, waar AT (x) = T (x) abs - T basis. Het bevat geen enkele verwijzing naarpositie in de test sectie (zie fig. 6). Verdere details zijn in de ondervrager guide gebruiker en referenties 6 en 16 van deze stap en de volgende. - Tekst importeren van gegevens in een conventionele spreadsheet en om te zetten in absolute temperatuur door de toevoeging van T basislijn, gemeten door TC of OTO in stap 6.4, om alle gegevens.
LET OP: De conversie naar absolute temperatuur is gewoon een single-waarde offset correctie: T (x) = abs AT (x) + T basislijn omdat we hebben bepaald dat de sectie test was isotherm tijdens baseline. - Gebruik spreadsheet software of vergelijkbare data manipulatie programma om T (x) data ontleden en de kaart te zetten om fysieke posities binnen de test sectie als dat weergegeven in de figuren 7 en 8.
LET OP: Het programma zal de verzamelde met de soldeerbout in stap 5 data gebruiken.
Representative Results
DTS ruwe gegevens uitgezet in Fig. 6 toont AT gemeten vanaf de basislijn temperatuur (ongeveer 20 ° C) versus afstand langs de sensor. De gegevens zijn "raw" in de zin dat het is niet geconverteerd naar absolute temperatuur noch toegewezen aan fysieke posities binnen de test sectie. Gegevens zijn gebaseerd op een 30 mm gage lengte, die 1666 onafhankelijke metingen over de gehele sensor lengte van 50 m biedt. De 30 mm gage werd met intervallen van 10 mm per oversampling modus die het aantal datapunten 5000 verhoogt. Dergelijke gegevens dichtheid is niet haalbaar met conventionele sensoren, zoals TC.
Bij x = 0 in Fig. 6 van de sensor is aan de oostkant van de tank, en als x vergroot deze lussen heen en weer naar het westen einde. Peaks voordoen wanneer de sensor passeert over de hete oosten jet en vervolgens verdwijnen waar het over de koude westen jet. De plot laat zien hoe zelfs de ruwe signaal van een enkele DTS een eenvoudige weergave van de temperatuur kan verschaffen over een tamelijk breed gebied. Let op de signaal ruis naar het westen einde van de vezel, die is te wijten aan stroming veroorzaakte trillingen. Hoewel trillingen niet zichtbaar voor het blote oog, was voldoende om het signaal degraderen zien we dit probleem meestal met lang sensoren (> 10 m).
De ruwe data wordt in kaart gebracht op het proefvak in Fig. 7, welke temperatuur in de 0,5 x 0,8 m meetvlak wordt gevormd door de matrix DTS toont. Het standpunt van boven de bak naar beneden te kijken op het deksel. Contouren van de zeshoekige kanalen worden opgenomen als een oriëntatie hulp. De contour is gebaseerd op 4067 datapunten aangezien het geplakt onder het deksel lussen worden uitgesloten. Lineaire interpolatie tussen naburige segmenten sensor gebruikt om de 2D contour creëren.
the contour geeft een duidelijk beeld van de thermische patroon onder de deksel met een warme regio in het oosten jet, maar niet gecentreerd rond het. Ook duidelijk is een ruwe symmetrie rond de tank mid-plane, dat is y = 0 op het perceel. Dit soort temperatuurgegevens is een nuttige aanvulling op snelheid data in fluid dynamics studies waarbij thermische menging en warmteoverdracht. Strenge code validatie vereist zo'n hoge resolutie data zowel de temperatuur en de snelheid velden.
Dezelfde sensorgegevens kunnen worden verwerkt om de omvang van temperatuurschommelingen onthullen. De RMS (root mean square) van de 2000 scan dataset is uitgezet in figuur 8. Magenta markeert het gebied waar de temperatuur schommelingen zijn relatief hoog. Dit is een gebied van hoge turbulentie waarbij beide stijgt jets interactie als afbreuk doen aan het deksel. RMS gegevens zijn nuttig voor turbulentiemodellering in verband met thermische mengen.
Figuur 1 schematisch Interrogator. Beginsel componenten van optische gedistribueerde sensor ondervrager voor temperatuurmetingen. Het systeem is gebaseerd op swept-golflengte interferometrie, die Rayleigh backscatter de handtekening van de sensor kenmerkt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Test sectie Air jet mixing experiment:. Lucht komt tank door middel van base via twee zeshoekige kanalen en mixen voordat u afsluit via de bovenkant vent. Het zwarte scherm met betrekking tot het deksel raam is 3 mm boven het DTS (niet zichtbaar). Plverlichten klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. DTS montage configuratie. Bovenaanzicht van de tank toont DTS geweven tussen stalen ondersteuning draden gespannen over de lange as van de tank. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. DTS close-up. Close-up foto van DTS met uitzicht vanuit de tank naar boven bij het deksel op de sensor loops, gehechtheid, en de locatie van de eerste test punt te markeren in kaart te brengen met de soldeerbout. Klik hier om een grotere versie te bekijken van deze figuur.
Figuur 5. Rayleighverstrooiing signaal. Typische Rayleighverstrooiing signaal opgenomen met sensor configuratieprogramma (korte sensor hier afgebeeld voor de duidelijkheid). Proper beëindiging zal scherp signaal dalen tot ruis genereren. De lichte signaal stap omhoog en bescheiden reflectie op de connector is kenmerkend voor een correct gesplitst connector. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Raw DTS data. Een enkele scan van ruwe DTS data met de hete oosten straal bij 45 ° C en koude westen jet bij 25 ° C Peaks voordoen waarbij de sensor is direct boven hete straal. Bedenk dat de sensor heen en weer tussen de wanden van de tank is een lus. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7. De gemeten luchttemperatuur onder deksel. DTS ruwe data omgezet naar absolute temperatuur en toegewezen aan fysieke positie binnen de tank. Gegevens op basis van 2000 scans aangemeld bij 4 Hz. Gegevens afstand 10 mm voor een totaal van 4067 geplotte gegevens punten. Lineaire interpolatie gebruikt om de gebieden tussen sensor segmenten vullen. Hexagons tonen posities van inlaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
54076fig8.jpg "/>
Figuur 8. Root Mean Square (RMS) van de gemeten temperatuur. RMS van de gegevens uitgezet in Fig. 7. Magenta geeft aan hoge temperatuurschommelingen en thermische menging van warme en koude jets. Hexagons tonen posities van inlaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Tabel 1. Orde van grootte thermische reactietijd voor geselecteerde vezelsoorten en woningbouwconfiguraties in dwarsstroom bij 1 m / sec en 20 ° C.
Tabel 2. Geschatte grenzen temperatuur en vochtigheid gevoeligheden voor geselecteerde coating configuraties.
Discussion
We hebben het gebruik van een DTS in een vloeistofdynamica experiment toonde. Het belangrijkste voordeel van deze sensoren is het groot aantal meetpunten kan worden verkregen uit een enkele sensor. De DTS hier gebruikt gegenereerde data op 4067 punten over een 0,5 x 0,8 m vliegtuig, ver buiten de haalbare grenzen van de conventionele punt sensoren, zoals thermokoppels. Hoewel dergelijke gegevensdichtheid optische technieken kunnen worden overschreden zoals laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF), een DTS functioneren ondoorzichtige vloeistoffen en toepassingen die toegang optische missen. De hoge data dichtheid van een DTS is geschikt voor experimenten die betrokken zijn bij computational fluid dynamics code validatie.
Baselining is de cruciale stap in het protocol en de centrale bij het bepalen van de meetnauwkeurigheid. Een isotherme proefvak is van essentieel belang om ervoor te zorgen het hele DTS is bij één temperatuur bij baseline. Als dit niet mogelijk is, T base wordt T basis (x), die moet mapped door meerdere TC geplaatst in de nabijheid van de DTS. Hoewel basislijn kwaliteit kan worden verbeterd op deze wijze, compliceert het proces van het in kaart brengen van de DTS basislijn de normen voor omzetting in absolute temperatuur.
Altijd op zoek naar bronnen van spanning na de basislijn, die onvoorspelbare signaal verschuivingen kunnen introduceren. Dergelijke bronnen zijn bijvoorbeeld, proefvak thermische uitzetting dat de sensor strekt, verplaatsing van steunen, dynamische belasting van de hoge stroomsnelheden, of stroming veroorzaakte trillingen. De begin- en eindtoets metingen onder isotherme omstandigheden zullen helpen dergelijke problemen te identificeren.
Stam gevoeligheid is de belangrijkste tekortkoming van deze Rayleigh-verstrooiing op basis van DTS. In tegenstelling tot conventionele sensoren zoals thermokoppels, is gevoelig voor behandeling, vochtigheid en trillingen. Deze problemen zijn het meest relevant zijn voor de kale sensor configuratie hier aangetoond, maar is veel minder belangrijk voor sensoren gehuisvest in haarvaten.
In tegenstelling tot conventionele sensoren kan een DTS niet worden verkregen met papierwerk traceren naar een erkende kalibratie standaard zoals NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibraties nodig zijn, bij voorkeur met een isotherme proefvak, die moeilijk in sommige kan zijn toepassingen. Vibratie is van bijzonder belang voor het blote vezel boven een groot proefvak. We hebben wisselend succes met een verticaal georiënteerde array die de lengteas van de tank uitstrekt op segment- lengte van 1,7 m hebben. Een configuratie met 28 m van vezels en 16 segmenten deden het goed tijdens één onderzoek 18, maar pogingen om het uit te breiden tot 53 m met 29 segmenten is mislukt 16.
Algemeen signaalruis voor sensorlengte en configuratie kunnen worden verminderd door het verhogen van de gage lengte waarover de ondervrager software berekent de Rayleigh signaalverschuiving, maar vermindert effectieve ruimtelijke resolutie. elke Applicatie moet zijn eigen balans tussen signaal ruis en ruimtelijke resolutie te slaan. Opnieuw kunnen deze problemen grotendeels worden voorkomen door behuizing van de sensor in een capillair ten koste van langere thermische responstijd.
Deze relatief nieuwe temperatuurmeting technologie vereist ontwikkeling minder gevoelig voor trillingen. Een groot deel van dit werk zal altijd tot de ondervrager hardware en software. De sensoren kunnen ook zelf worden verbeterd gevoeligheid voor behandeling en vochtigheid veranderingen, die worden beïnvloed door de vezel coatings verminderen. Werkzaamheden kunnen richten op de ontwikkeling van coatings boven de polyimide en acrylaat beklede vezels momenteel in de handel verkrijgbaar.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sensor interrogator | Luna Inc. | ODiSI-A and -B | The two systems differ primarily in speed and spatial resolution |
| Fusion splicer | Fujikura | 70S | |
| Cleaver | Fujikura | CT-3A | |
| 3-hole jacket stripper | Fiber Instrument Sales | F11301T | |
| Optical fibers | OFS, Specialty Photonics Division | BF06160-02 | Polyimide coating |
| Optical fibers | Newport Corp. | F-SM1500-4.2/50 | Acrylate coating |
| Connector | AFL Global | FUSE-LC-9U-SMA-6 | |
| Termination fiber | OFS, Specialty Photonics Division | 552 HPWR 040 |
References
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry. , Springer. New York. (2007).
- Adrian, R. J. Twenty years of particle image velocimetry. Exp. Fluids. 39, 159-169 (2015).
- Vetrano, M. R., Simonini, A., Steelant, J., Rambaud, P. Thermal characterization of a flashing jet by planar laser-induced fluorescence. Exp. Fluids. 54, 1573-1583 (2013).
- Dahikar, S. K., Sathe, M. J., Joshi, J. B. Investigation of flow and temperature patterns in direct condensation using PIV, PLIF and CFD. Chem. Eng. Sci. 65, 4606-4620 (2010).
- Juškaitis, R., Mamedov, A. M., Potapov, V. T., Shatalin, S. V. Distributed interferometric fiber sensor system. Opt Lett. 17 (22), 1623-1625 (1992).
- Gifford, D., et al. Swept-wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing. Proc. SPIE. 6770, Fiber Optic Sens and Appl V. 67700F (2007).
- Kreger, S., Gifford, D., Froggatt, M., Soller, B., Wolfe, M. High resolution distributed strain or temperature measurements in single- and multi-mode fiber using swept-wavelength interferometry. Optical Fiber Sensors. 2006, OSA/OFS 2006 4 (2006).
- Bersan, S., et al. Application of a high resolution distributed temperature sensor in a physical model reproducing subsurface water flow. Measurement. , http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2015.09.018 (2015).
- Bao, X., Chen, L. Recent progress in distributed fiber optic sensors. Sensors. 12, 8601-8639 (2012).
- Ukil, A., Braendle, H., Krippner, P. Distributed temperature sensing: review of technology and applications. IEEE Sensors J. 12 (5), 885-892 (2012).
- Zhou, D., Qin, Z., Li, W., Chen, L., Bao, X. High-spatial-resolution distributed vibration measurement using time-resolved optical frequency-domain reflectometry. Proc. SPIE 22nd Int. Conf. Optical Fiber Sensors. 8421, 842115 (2012).
- Ding, F., Wang, L., Fang, N., Huang, Z. Experimental study on humidity sensing using a FBG sensor with polyimide coating. SPIE-Int Soc Opt. Eng. 7990, Optical Sensors Biophotonics. II 79900C (2011).
- Palmieri, L., Schenato, L. Distributed optical fiber sensing based on Rayleigh Scattering. Open Optics J. 7 (1), http://dx.doi.org/10.2174/1874328501307010104 104-127 (2013).
- Bhargava, P., Chuang, C. K., Chen, K., Zehnder, A. Moisture diffusion properties of HFPE-II-52 polyimide. J Appl Polymer Sci. 102 (4), 3471-3479 (2006).
- Lomperski, S., Gerardi, C. Assessment of distributed fiber optic sensors for flow field temperature mapping. Proc. ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting and 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. , Chicago. August 3-7, paper FEDSM2014-22156 8 (2014).
- Lomperski, S., Bremer, N., Gerardi, C., Lisowski, D. Performance assessment of a 50 m-long fiber optic distributed temperature sensor in a fluid dynamics experiment. Specialist Workshop on Advanced Instrumentation and Measurement Techniques for Nuclear Reactor Thermal Hydraulics. SWINTH-2016, June 15-17, Livorno, Italy, , (2016).
- Fusion Splicer 70S Instruction Manual. Fujikura Ltd., 70S_Rev2. , Fujikura Ltd. (2013).
- Lomperski, S., Gerardi, C., Pointer, W. D. Fiber optic distributed temperature sensor mapping of a jet mixing flow field. Exp. Fluids. 56, 16 (2015).
