Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, hochauflösende Strömungsfelddaten zur Validierung von Computercodes für numerische Strömungsmechanik bereitzustellen und ihre Fähigkeit zu überprüfen, die Wärmeübertragung in turbulenten Strömungen genau zu simulieren. Diese fortschrittliche Temperaturmesstechnik kann Tausende von Datenpunkten entlang eines einzigen Sensors aus kommerzieller Telekommunikationsfaser erzeugen. Es ist in der Lage, eine Datendichte zu bieten, die weit über herkömmliche Sensoren wie Thermoelemente hinausgeht.

Im Gegensatz zu Thermoelementen sind diese faseroptischen Sensoren jedoch sowohl auf Dehnung als auch auf Temperatur empfindlich. Handhabung, Vibrationen und Änderungen der Luftfeuchtigkeit beeinflussen also das Temperatursignal. Die Dehnungsempfindlichkeit ist ganz anders als bei herkömmlichen Sensoren.

Und um genaue Daten zu erhalten, sind spezielle Betriebsverfahren und Praktiken erforderlich, die wir hier demonstrieren werden. Der verteilte Temperatursensor (DTS) wird anhand dieser Teststrecke demonstriert. Es handelt sich um einen Glastank mit zwei sechseckigen Luftkanälen, die an der Basis befestigt sind.

Die Luft tritt durch eine Entlüftung an der Oberseite aus, nachdem sie den Innenraum durchmischt hat. Auf der Innenseite der Oberseite befindet sich ein schwarzer Polymerschirm über der Position des DTS. Greifen Sie in das Innere der Prüfstrecke zu, indem Sie die Blenden oben und seitlich entfernen.

Über die Oberseite der Teststrecke ist Stahldraht mit einem Abstand von 20 Millimetern gespannt. Über dem Messbereich tragen die Drähte die optische Faser des verteilten Temperatursensors. Die optischen Fasern verlaufen senkrecht zum Stahldraht und haben einen Abstand von 10 Millimetern.

Am Anfang des DTS ist etwa ein Meter Faser für das Spleißen und den Endabschluss reserviert. Die Segmente werden durch benachbarte Drähte von einer Seite des Messbereichs zur anderen gewebt. Die Faser wird um das benachbarte Segment geschlungen und die Enden werden mit Klebeband an der Testsektion befestigt.

Dies ist ein Schema des endgültigen Versuchsstreckenlayouts von oben. Die Stahldrähte decken einen Bereich ab, der die Kanäle umfasst. Die Faser des verteilten Temperatursensors ist durch die Drähte im Bereich über den Kanälen gewebt.

Um die optische Faser des DTS zu weben, gehen Sie folgendermaßen vor. Beginnen Sie mit einer 50-Meter-Spule Faser und spulen Sie so viel ab, dass die Reserve für das Spleißen an einen Anschluss außerhalb des Tanks entsteht. Verankern Sie die Faser über die Reserve hinaus am Deckel der Testsektion.

Als nächstes spulen Sie etwa einen halben Meter Faser ab, die zum Starten der ersten neuen Sensorsegmente verwendet wird. Lege ein paar hundert Millimeter Faser auf das Drahtgeflecht und forme es zu einer Schlaufe. Ich webe die Schlaufe durch die Stützdrähte und gehe abwechselnd über und unter benachbarten Drähten hindurch.

Wenn die gegenüberliegende Seite des Tanks erreicht ist, kann die Faser für die ersten beiden Sensorsegmente in Position gebracht werden. Ziehen Sie das erste Segment straff und kleben Sie es an der Unterseite des Deckels fest. Ein Lineal, das auf den Deckel geklebt wird, wird verwendet, um die Position anzuzeigen und den Segmentabstand zu steuern.

Wir wollen, dass dieser so straff ist, dass er während der Strömung in Position bleibt, aber nicht so straff, dass eine Verformung auf der Prüfstrecke den Sensor belastet und Messfehler verursacht. Bilden Sie nun eine Schlaufe von etwa 30 Millimetern Durchmesser in den nicht verankerten Teil der Faser und kleben Sie sie 10 Millimeter vom ersten Segment entfernt ab. Verankern Sie das andere Ende des zweiten Segments am Tankdeckel.

Spulen Sie etwa einen halben Meter Faser ab, um das nächste Paar Sensorsegmente zu beginnen. Wiederholen Sie die Schritte für die ersten beiden Detektorsegmente, um weitere Segmentpaare zu erstellen. Wenn das Sensorarray an Ort und Stelle ist, spleißen Sie einen Stecker an das Ende der Faser.

Stecken Sie den Sensor in das gelbe Verzögerungskabel, das den Sensor mit dem Interrogator verbindet. Schließen Sie das Verzögerungskabel an den Interrogator an und führen Sie die Konfigurationsschritte aus. Der Sensor-Interrogator basiert auf der schnellen Wellenlängeninterferometrie.

Ein abstimmbarer Diodenlaser mit geringer Leistung sendet ein Schmalbandsignal in die Faser. Der Laser wird über mehrere Nanometer geschwenkt, und das Signal wird zwischen Referenz- und Messschenkeln aufgeteilt. Das Streulicht des Sensors wird mit dem Referenzsignal kombiniert, um Störsignale an den Detektoren zu erzeugen.

Der Detektorausgang wird verwendet, um das Freisetzungsstreusignal abzurufen. Die Sensorpositionen müssen nun abgebildet werden. Schließen Sie dazu einen Lötkolben an einen variablen Transformator an, der auf etwa 40 Prozent eingestellt ist.

Verwenden Sie am Computer die Interrogator-Software, um Live-Daten auf dem Bildschirm anzuzeigen. Nehmen Sie den Lötkolben und nähern Sie sich dem Anfang des ersten Segments des Sensors, halten Sie den Lötkolben in die Nähe des Sensors und berühren Sie ihn kurz bis zum Endpunkt. Stoppen Sie am Computer die Datenerfassung, um den Peak einzufrieren.

Vergrößern Sie dann die Temperaturspitze, um die Position des Peaks und den physischen Standort aufzuzeichnen. Sammeln Sie auf die gleiche Weise Daten für die Start- und Endpunkte jedes Segments. Bereiten Sie nach dem Mapping der Sensorpositionen ein oder mehrere Temperaturnormale vor.

Verwenden Sie in diesem Fall das Thermoelement für die Aufgabe. Wählen Sie einen Bereich im Messbereich des DTS aus. Montieren Sie das Thermoelement in der Nähe der Faser des DTS.

Schließen Sie nach Beendigung der Arbeiten im Innenraum den Tank, indem Sie alle Verkleidungen wieder in ihre Position bringen. Fahren Sie fort, indem Sie den Tank mit einer Art Isolierung umwickeln. Lassen Sie es nach dem Einwickeln lange genug ruhen, um eine isotherme Atmosphäre um den Sensor herum aufzubauen.

Wenn das System bereit ist, starten Sie die Abfragesoftware und beginnen Sie mit den Messungen. Um die Basislinie zu erhalten, stoppen Sie zuerst die Messung. Wählen Sie dann Baseline aus und geben Sie einen Dateinamen in das dafür vorgesehene Feld ein.

Wählen Sie einen Messbereich aus und klicken Sie auf OK, um den Basisprozess zu verwenden. Zeichnen Sie gleichzeitig den Temperaturmesswert des Thermoelements zur Kalibrierung auf. Sobald die Software die Baseline abgeschlossen hat, wechseln Sie in den Messmodus.

Das Signal sollte nun über die gesamte Länge des Sensors Null sein und im Laufe der Zeit nicht driften, wenn sich das System in einem thermisch stabilen Zustand befindet. Gehen Sie an dieser Stelle zu den Durchfluss- und Heizungsreglern, um sich auf einen Lauf vorzubereiten. Passen Sie bei eingeschaltetem Luftstrom die Durchflussmengen in den Kanälen entsprechend an.

Stellen Sie den Leistungsregler so ein, dass ein Strahl beheizt wird, und stellen Sie die gewünschte Differenztemperatur zwischen den Düsen ein. Kehren Sie zum System zurück, nachdem es über Nacht ausgeführt wurde, um das Gleichgewicht zu erreichen. Untersuchen Sie das Live-DTS-Signal, um auf den Rauschpegel zuzugreifen und die geeignete Messlänge auszuwählen.

Verwenden Sie das verteilte Temperatursystem, um 2000 Scans bei 4 Hertz zu protokollieren. Dabei handelt es sich um Rohdaten der gemessenen Temperaturdifferenz zur Ausgangstemperatur. Das linke Ende der horizontalen Achse entspricht einem Fasersegment an der Grenze des Systems, das als östliches Ende bezeichnet wird.

Wenn Sie sich nach rechts bewegen, schlängelt sich die Faser zum westlichen Ende hin und her. Peaks treten dort auf, wo sich der Sensor direkt über dem heißen Strahl befindet. Das Geräusch zum Westende hin ist auf strömungsinduzierte Vibrationen zurückzuführen.

Hier werden die Rohdaten auf Positionen in der Teststrecke abgebildet. Der Blickwinkel ist von oben auf die Messebene auf dem DTS-Array. Die Umrisse der sechseckigen Kanäle sind ein A zur Ausrichtung.

Die lineare Interpolation zwischen den Datenpunkten ermöglicht die Erstellung einer 2D-Temperaturkonturkarte, um ein Gefühl für das thermische Muster unter dem Deckel zu vermitteln. Der rote Bereich zeigt eine warme Region über dem Ostjet, die jedoch nicht zentriert ist. Die Sensordaten können auch verwendet werden, um das mittlere Quadrat der Temperaturschwankungen abzubilden.

Der magentafarbene Bereich ist geprägt von hohen Temperaturschwankungen und hohen Turbulenzen, in denen die beiden aufsteigenden Düsen interagieren, wenn sie auf den Deckel treffen. Wir haben gesehen, wie ein einzelner faseroptischer Sensor, der auf Rayleigh-Streuung basiert, Tausende von Temperaturmessungen erzeugen kann, um ein detailliertes Bild des gesamten Feldes zu liefern, das mit Thermoelementen nicht möglich wäre. Um die Messgenauigkeit zu gewährleisten, achten Sie immer besonders auf die Dehnungsregelung nach der Grundlinie und minimieren Sie strömungsinduzierte Vibrationen durch eine durchdachte Konstruktion der Sensorhalterungskonfiguration.

Diese verteilte Sensortechnik bietet neue Möglichkeiten für Temperaturmessungen in undurchsichtigen Flüssigkeiten und anderen Anwendungen, die für optische Techniken, die auf Laser und Kameras angewiesen sind, ungeeignet sind.