Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, hochauflösende Strömungsfelddaten bereitzustellen, um Computerprogramme der numerischen Strömungsmechanik zu validieren und deren Fähigkeit zu überprüfen, den Wärmeübergang in turbulenten Strömungen genau zu simulieren. Diese fortschrittliche Temperaturmesstechnik kann Tausende von Datenpunkten entlang eines einzelnen Sensors erfassen, der aus handelsüblichem Telekommunikationsfaser besteht. Sie ist in der Lage, eine Datendichte bereitzustellen, die weit über die traditioneller Sensoren wie Thermoelemente hinausgeht.

Im Gegensatz zu Thermoelementen reagieren diese faseroptischen Sensoren jedoch nicht nur auf Temperatur, sondern auch auf Dehnung. Daher beeinflussen mechanische Belastung, Vibrationen und Luftfeuchtigkeitsänderungen das Temperatursignal. Die Empfindlichkeit gegenüber Dehnung unterscheidet sich deutlich von der herkömmlicher Sensoren.

Und um genaue Daten zu erhalten, sind spezielle Betriebsverfahren und Praktiken erforderlich, die wir hier demonstrieren werden. Der verteilte Temperatursensor, oder DTS, wird anhand dieses Prüfabschnitts gezeigt. Es handelt sich um einen Glaskolben mit zwei sechseckigen Luftkanälen, die an der Basis angebracht sind.

Die Luft tritt nach dem Durchmischen im Inneren durch eine Öffnung an der Oberseite aus. Auf der Innenseite der oberen Platte befindet sich ein schwarzer Polymerschirm über der Position des DTS. Greifen Sie auf das Innere des Prüfabschnitts zu, indem Sie die Platten an der Oberseite und an der Seite entfernen.

Über der Prüfstrecke verläuft ein Stahldraht mit einer Teilung von 20 Millimetern. Im Messbereich tragen die Drähte die optische Faser des verteilten Temperatursensors. Die optischen Fasern verlaufen senkrecht zum Stahldraht und sind in einem Abstand von 10 Millimetern zueinander angeordnet.

Am Anfang der DTS ist etwa ein Meter Faser für das Spleißen und die Endverbindung reserviert. Die Segmente werden von einer Seite des Messbereichs zur anderen durch benachbarte Drähte geführt. Die Faser wird umgelenkt, um das benachbarte Segment zu beginnen, und die Enden werden mit Klebeband an der Prüfstelle befestigt.

Dies ist eine schematische Darstellung des endgültigen Prüfabschnitts von oben. Die Stahldrähte bedecken einen Bereich, der die Kanäle einschließt. Die Faser des verteilten Temperatursensors ist in dem Bereich über den Kanälen durch die Drähte hindurchgewoben.

Um die optische Faser der DTS zu verlegen, folgen Sie diesen Schritten. Beginnen Sie mit einer 50 Meter langen Faserspule und wickeln Sie genügend Faser ab, um die Reserve für das Spleißen mit einem Stecker außerhalb des Tanks zu erstellen. Befestigen Sie die Faser jenseits der Reserve an der Abdeckung des Prüfabschnitts.

Als Nächstes wickeln Sie etwa einen halben Meter Faser ab, der zum Starten der ersten neuen Sensorenabschnitte verwendet wird. Legen Sie einige hundert Millimeter Faser auf das Drahtgitter und formen Sie sie zu einer Schleife. Beginnen Sie damit, die Schleife im Wechsel über und unter benachbarte Drähte hindurch in die Stützdrähte einzuflechten.

Wenn die gegenüberliegende Seite des Tanks erreicht ist, kann die Faser für die ersten beiden Sensorenabschnitte fixiert werden. Ziehen Sie den ersten Abschnitt straff und befestigen Sie ihn mit Klebeband an der Unterseite des Deckels. Ein am Deckel angebrachter Lineal dient zur Positionsbestimmung und zum Kontrollieren des Abstands zwischen den Abschnitten.

Wir möchten, dass dies so straff ist, dass es während des Durchflusses an seiner Position bleibt, aber nicht so straff, dass eine Verformung im Prüfabschnitt den Sensor belastet und Messfehler verursacht. Bilden Sie nun eine Schleife mit einem Durchmesser von etwa 30 Millimetern im nicht befestigten Teil der Faser und befestigen Sie sie mit Klebeband 10 Millimeter vom ersten Segment entfernt. Befestigen Sie das andere Ende des zweiten Segments am Tankdeckel.

Entrollen Sie etwa einen halben Meter der Faser, um mit dem nächsten Paar von Sensorsegmenten zu beginnen. Wiederholen Sie die Schritte, die für die ersten beiden Detektorsegmente verwendet wurden, um zusätzliche Segmentpaare zu erzeugen. Wenn das Sensorgitter installiert ist, verbinden Sie einen Stecker mit dem Ende der Faser.

Stecken Sie den Sensor in das gelbe Verzögerungskabel, das den Sensor mit dem Abfrager verbindet. Schließen Sie das Verzögerungskabel an den Abfrager an und führen Sie die Konfigurationsschritte vollständig durch. Der Sensorabfrager basiert auf schneller Wellenlängeninterferometrie.

Ein abstimmbares Diodenlaser mit niedriger Leistung sendet ein schmales Bandsignal in die Faser. Der Laser wird über mehrere Nanometer abgestimmt, und das Signal wird auf Referenz- und Messarme aufgeteilt. Das gestreute Licht vom Sensor wird mit dem Referenzsignal kombiniert, um Interferenzsignale an den Detektoren zu erzeugen.

Die Detektorausgabe wird verwendet, um das Streusignal der Freisetzung zu erfassen. Die Sensorpositionen müssen nun abgebildet werden. Verbinden Sie dazu einen Lötkolben mit einem Variabltransformator, der auf etwa 40 Prozent eingestellt ist.

Verwenden Sie am Computer die Abfragesoftware, um Live-Daten auf dem Bildschirm anzuzeigen. Nehmen Sie das Löteisen und nähern Sie sich dem Anfang des ersten Sensorsensors, halten Sie das Eisen nahe am Sensor und berühren Sie kurz den Endpunkt. Stoppen Sie am Computer die Datenaufnahme, um den Peak einzufrieren.

Vergrößern Sie dann den Temperaturspitzenwert, um die Position des Maximums und den physikalischen Ort aufzuzeichnen. Sammeln Sie die Daten in gleicher Weise für die Start- und Endpunkte jedes Segments. Bereiten Sie nach der Abbildung der Sensorenpositionen einen oder mehrere Temperaturstandards vor.

Verwenden Sie in diesem Fall das Thermoelement für die Aufgabe. Wählen Sie einen Bereich in der Messzone der DTS aus. Bringen Sie das Thermoelement in der Nähe der Faser der DTS an.

Nach Abschluss der Arbeiten im Inneren schließen Sie den Tank, indem Sie alle Paneele wieder an ihre Positionen zurückbringen. Fahren Sie fort, indem Sie den Tank mit einer Form von Isolierung umwickeln. Lassen Sie ihn nach dem Umwickeln ausreichend lange ruhen, um eine isotherme Atmosphäre um den Sensor herum aufzubauen.

Wenn das System bereit ist, starten Sie die Auswertungssoftware und beginnen Sie mit den Messungen. Um die Grundlinie zu erhalten, stoppen Sie zunächst die Messung. Wählen Sie anschließend Grundlinie aus und geben Sie einen Dateinamen in das vorgesehene Feld ein.

Wählen Sie einen Messbereich aus und klicken Sie auf „OK“, um den Basislinienprozess zu starten. Notieren Sie gleichzeitig die Temperaturanzeige des Thermoelements zur Kalibrierung. Sobald die Software die Aufnahme der Basislinie abgeschlossen hat, wechseln Sie in den Messmodus.

Das Signal sollte nun über die gesamte Länge des Sensors hinweg Null betragen und sich nicht im Laufe der Zeit verschieben, wenn sich das System in einem thermisch stabilen Zustand befindet. Gehen Sie nun zu den Durchfluss- und Heizungsreglungen, um einen Durchlauf vorzubereiten. Bei eingeschaltetem Luftstrom passen Sie die Durchflussraten in den Kanälen an, sodass sie übereinstimmen.

Stellen Sie den Leistungsregler so ein, dass ein Jet erhitzt wird, und stellen Sie die gewünschte Differenztemperatur zwischen den Jets ein. Kehren Sie zum System zurück, nachdem es über Nacht gelaufen ist, um das Gleichgewicht zu erreichen. Untersuchen Sie das Live-DTS-Signal, um die Rauschpegel zu bewerten, und wählen Sie die geeignete Messlänge aus.

Verwenden Sie das verteilte Temperatursystem, um 2000 Scans mit einer Frequenz von 4 Hertz aufzuzeichnen. Dies sind Rohdaten der gemessenen Temperaturdifferenz zur Basistemperatur. Das linke Ende der horizontalen Achse entspricht einem Faserabschnitt an der Grenze des Systems, der als östliches Ende bezeichnet wird.

Wenn man sich nach rechts bewegt, verläuft die Faser hin und her in Richtung des westlichen Endes. Spitzenwerte treten dort auf, wo sich der Sensor direkt über dem heißen Strahl befindet. Das Rauschen am westlichen Ende beruht auf durch Strömung verursachten Vibrationen.

Hier werden die Rohdaten auf Positionen im Prüfabschnitt abgebildet. Die Blickrichtung erfolgt von oben auf die Messeebene des DTS-Arrays. Die Umrisse der sechseckigen Kanäle weisen eine A-zu-Orientierung auf.

Die lineare Interpolation zwischen den Datenpunkten ermöglicht die Erstellung einer zweidimensionalen Temperatur-Konturkarte, um ein Bild des thermischen Musters unter dem Deckel zu erhalten. Der rote Bereich zeigt einen warmen Bereich über dem östlichen Jet, der jedoch nicht auf diesen zentriert ist. Die Sensordaten können außerdem verwendet werden, um den mittleren quadratischen Wert der Temperaturschwankungen entlang der Route abzubilden.

Der magentafarbene Bereich ist ein Bereich mit hohen Temperaturschwankungen und starker Turbulenz, in dem die beiden aufsteigenden Strahlen interagieren, nachdem sie auf den Deckel treffen. Wir haben gesehen, wie ein einzelner faseroptischer Sensor, der auf Rayleigh-Streuung basiert, Tausende von Temperaturmessungen generieren kann, um ein detailliertes Bild des gesamten Messfeldes zu liefern, das mit Thermoelementen nicht erzielbar wäre. Um die Messgenauigkeit sicherzustellen, achten Sie stets besonders auf die Dehnungssteuerung nach der Referenzmessung und minimieren Sie durch eine sorgfältige Konstruktion der Sensorhalterung vibrationsbedingte Störungen, die durch Strömung verursacht werden.

Diese verteilte Messtechnik eröffnet neue Möglichkeiten für Temperaturmessungen in undurchsichtigen Flüssigkeiten und anderen Anwendungen, die sich nicht für optische Verfahren eignen, die auf Lasern und Kameras basieren.