De fibra óptica para sensores distribuidos de alta resolución de mapeo de temperatura Campo
7 de noviembre de 2016
Se demuestra el uso de un sensor distribuido de fibra óptica para mapear el campo de temperatura de la mezcla de chorros de aire. El sensor basado en la dispersión de Rayleigh genera miles de puntos de datos a lo largo de una sola fibra para proporcionar una resolución espacial excepcional que es inalcanzable con sensores tradicionales, tales como termopares.
El objetivo general de este experimento consiste en proporcionar datos de campo de flujo de alta resolución para validar códigos informáticos de dinámica de fluidos computacional, verificando su capacidad de simular con precisión la transferencia de calor en flujos turbulentos. Esta técnica avanzada de medición de temperatura puede generar miles de puntos de datos a lo largo de un único sensor fabricado con fibra óptica de telecomunicaciones comercial. Es capaz de proporcionar una densidad de datos muy superior a la de sensores tradicionales como los termopares.
Pero a diferencia de los termopares, estos sensores de fibra óptica son sensibles a la deformación mecánica así como a la temperatura. Por lo tanto, el manejo, las vibraciones y los cambios en la humedad influyen en la señal de temperatura. La sensibilidad a la deformación es muy distinta a la de los sensores tradicionales.
Y obtener datos precisos requiere procedimientos y prácticas operativas especiales que demostraremos aquí. El sensor de temperatura distribuido, o DTS, se demostrará utilizando esta sección de prueba. Es un tanque de vidrio con dos conductos de aire hexagonales unidos a la base.
El aire sale por una ventilación en la parte superior tras mezclarse en el interior. En la cara interna del panel superior, hay una pantalla de polímero negro sobre la ubicación del DTS. Acceda al interior de la sección de prueba retirando los paneles de la parte superior y lateral.
Colocados a lo largo de la parte superior de la sección de prueba, hay un alambre de acero con un paso de 20 milímetros. Sobre el área de medición, los alambres sostienen la fibra óptica del sensor distribuido de temperatura. Las fibras ópticas se extienden perpendicularmente al alambre de acero y están espaciadas 10 milímetros entre sí.
El inicio del DTS tiene aproximadamente un metro de fibra reservado para empalme y terminación de extremos. Los segmentos se entrelazan a través de los alambres adyacentes desde un lado de la región de medición hasta el otro. La fibra se enlaza para comenzar el segmento adyacente y los extremos se fijan a la sección de prueba con cinta.
Este es un esquema de la disposición final de la sección de prueba vista desde arriba. Los alambres de acero cubren una región que incluye los conductos. La fibra del sensor distribuido de temperatura se entrelaza a través de los alambres en la zona situada sobre los conductos.
Para tejer la fibra óptica del DTS, siga estos pasos. Comience con un carrete de fibra de 50 metros y desenrolle lo suficiente para crear la reserva necesaria para empalmar un conector fuera del tanque. Ancle la fibra más allá de la reserva a la tapa de la sección de prueba.
A continuación, desenrolle aproximadamente medio metro de fibra que se utilizará para iniciar los primeros nuevos segmentos del sensor. Coloque varios cientos de milímetros de fibra sobre la malla metálica y forme un bucle. Comience a tejer el bucle a través de los alambres de soporte, alternando entre pasar por encima y por debajo de los alambres adyacentes.
Cuando se alcanza el lado opuesto del tanque, la fibra para los dos primeros segmentos del sensor está lista para fijarse con cinta. Tense el primer segmento y colóquelo en posición en la parte inferior de la tapa. Se utiliza una regla pegada a la tapa para indicar la posición y controlar el espaciado entre segmentos.
Queremos que esté lo suficientemente tenso para que permanezca en posición durante el flujo, pero no tan tenso que la deformación en la sección de prueba tense el sensor y cause errores de medición. Ahora, forme un lazo de aproximadamente 30 milímetros de diámetro en la porción no anclada de la fibra y sujétela con cinta a 10 milímetros del primer segmento. Ancle el otro extremo del segundo segmento a la tapa del tanque.
desenrolle aproximadamente medio metro de fibra para comenzar el siguiente par de segmentos del sensor. Repita los pasos utilizados para los dos primeros segmentos del detector para crear pares adicionales de segmentos. Con la matriz sensora colocada, empalme un conector al extremo de la fibra.
Conecte el sensor al cable amarillo de retardo que vinculará el sensor con el interrogador. Conecte el cable de retardo al interrogador y complete los pasos de configuración. El interrogador de sensores se basa en interferometría rápida de longitud de onda.
Un láser de diodo sintonizable de baja potencia envía una señal de banda estrecha hacia la fibra. El láser se barre a través de varios nanómetros, y la señal se divide entre las ramas de referencia y de medición. La luz dispersada procedente del sensor se combina con la señal de referencia para generar señales de interferencia en los detectores.
La salida del detector se utiliza para recuperar la señal de dispersión de liberación. Ahora deben mapearse las posiciones de los sensores. Para hacerlo, conecte un soldador a un transformador variable, ajustado a aproximadamente el 40 por ciento.
En el ordenador, utilice el software del interrogador para mostrar los datos en vivo en la pantalla. Tome el soldador y acérquese al inicio del primer segmento del sensor, sostenga el soldador cerca del sensor y tóquelo brevemente en el punto final. En el ordenador, detenga la adquisición de datos para congelar el pico.
Luego acerque el enfoque en el pico de temperatura para registrar la posición del máximo y la ubicación física. Recolecte datos de la misma manera para los puntos inicial y final de cada segmento. Después de mapear las posiciones del sensor, prepare uno o más patrones de temperatura.
En este caso, utilice el termopar para la tarea. Seleccione una región en la zona de medición del DTS. Monte el termopar cerca de la fibra del DTS.
Después de completar el trabajo en el interior, cierre el tanque devolviendo todos los paneles a sus posiciones. Continúe envolviendo el tanque con algún tipo de aislamiento. Una vez envuelto, déjelo reposar el tiempo suficiente para establecer una atmósfera isotérmica alrededor del sensor.
Cuando el sistema esté listo, inicie el software del interrogador y comience las mediciones. Para obtener la línea base, primero detenga la medición. Luego seleccione línea base e ingrese un nombre de archivo en el campo proporcionado.
Seleccione un rango de medición y haga clic en Aceptar para iniciar el proceso de línea base. Simultáneamente, registre la lectura de temperatura del termopar para la calibración. Una vez que el software haya completado la línea base, pase al modo de medición.
La señal ahora debería ser cero a lo largo de toda la longitud del sensor y no debe desviarse con el tiempo si el sistema se encuentra en un estado térmicamente estable. En este punto, acceda a los controles de flujo y calefacción para prepararse para un ensayo. Con el flujo de aire encendido, ajuste las tasas de flujo en los canales para que coincidan.
Ajuste el controlador de potencia para calentar un chorro y establecer la temperatura diferencial deseada entre los chorros. Vuelva al sistema después de que haya funcionado durante la noche para alcanzar el equilibrio. Examine la señal DTS en vivo para evaluar los niveles de ruido y seleccione la longitud de referencia adecuada.
Utilice el sistema de temperatura distribuida para registrar 2000 escaneos a 4 hercios. Estos son datos brutos de la diferencia de temperatura medida respecto a la temperatura de referencia. El extremo izquierdo del eje horizontal corresponde a un segmento de fibra en el límite del sistema, denominado como extremo este.
Al desplazarse hacia la derecha, la fibra realiza un recorrido de ida y vuelta hacia el extremo oeste. Los picos ocurren donde el sensor está directamente encima del chorro caliente. El ruido en el extremo oeste se debe a la vibración inducida por el flujo.
Aquí, los datos brutos se asignan a posiciones en la sección de prueba. El punto de vista es desde arriba del plano de medición en la matriz DTS. Los contornos de los canales hexagonales tienen una orientación de A a.
La interpolación lineal entre los puntos de datos permite la creación de un mapa de contorno de temperatura en 2D para proporcionar una idea del patrón térmico bajo la tapa. La zona roja indica una región cálida sobre el chorro oriental, pero no centrada en él. Los datos del sensor también pueden utilizarse para trazar la raíz del cuadrado medio de las fluctuaciones de temperatura.
La región magenta es una zona de fuertes fluctuaciones térmicas y alta turbulencia donde interactúan los dos chorros ascendentes al impactar contra la tapa. Hemos visto cómo un único sensor de fibra óptica, basado en el scattering de Rayleigh, puede generar miles de mediciones de temperatura para proporcionar una imagen detallada del campo completo que sería inalcanzable con termopares. Para garantizar la precisión de las mediciones, preste siempre especial atención al control de la deformación después de la línea base y minimice las vibraciones inducidas por el flujo mediante un diseño cuidadoso de la configuración de soporte del sensor.
Esta técnica de detección distribuida ofrece nuevas posibilidades para mediciones de temperatura en fluidos opacos y otras aplicaciones que no son adecuadas para técnicas ópticas que dependen de láseres y cámaras.
Descripción general
Este estudio demuestra el uso de un sensor distribuido de fibra óptica para mapear el campo de temperatura de chorros de aire en mezcla. El sensor utiliza dispersión de Rayleigh para generar miles de puntos de datos a lo largo de una única fibra, logrando una resolución espacial excepcional en comparación con los sensores tradicionales.
Componentes Clave del Estudio
Área de la Ciencia
- Neurociencia
- Dinámica de fluidos
- Técnicas de medición de temperatura
Antecedentes
- Los datos de campo de flujo de alta resolución son esenciales para validar los códigos de dinámica de fluidos computacional.
- Los sensores tradicionales como los termopares proporcionan una densidad de datos limitada.
- Los sensores de fibra óptica son sensibles tanto a la deformación como a la temperatura.
- Se requieren procedimientos especiales de operación para una recolección precisa de datos.
Objetivo del estudio
- Validar simulaciones de dinámica de fluidos computacional de transferencia de calor en flujos turbulentos.
- Mostrar el montaje y funcionamiento de un sensor distribuido de temperatura (DTS).
- Comparar el rendimiento de sensores de fibra óptica con métodos tradicionales de medición de temperatura.
Métodos Utilizados
- Construcción de una sección de prueba con conductos de aire hexagonales para mezclar chorros de aire.
- Tejido de fibras ópticas a través de alambres de soporte para crear una matriz sensora.
- Uso de un interrogador de sensores basado en láser para medir datos de temperatura.
- Mapeo de las posiciones de los sensores y calibración con termopares.
Resultados principales
- El sensor de fibra óptica proporcionó datos de temperatura de alta densidad en toda el área de medición.
- Se logró una cartografía precisa de las posiciones del sensor utilizando una soldadora y software.
- Las mediciones de referencia indicaron condiciones térmicas estables durante los experimentos.
- Los controles de flujo y calentamiento establecieron con éxito los diferenciales de temperatura deseados.
Conclusiones
- Los sensores distribuidos de fibra óptica ofrecen ventajas significativas frente a los termopares tradicionales.
- Se requieren técnicas especializadas para mitigar los efectos de la deformación sobre las mediciones.
- Este método mejora la comprensión de la transferencia de calor en flujos turbulentos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La cartografía de campos de temperatura de alta resolución mediante sensores distribuidos de fibra óptica permite la validación rigurosa de modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD), que son fundamentales para el desarrollo predictivo de procesos en investigación y desarrollo biofarmacéutico. La capacidad de generar miles de puntos de datos de temperatura con resolución espacial apoya la reducción de riesgos mecanicistas y aumenta la confianza en la toma de decisiones basada en simulaciones. Esta capacidad es particularmente relevante para optimizar el manejo complejo de fluidos, la mezcla y el control térmico en entornos de bio-procesamiento.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la interrogación precisa de gradientes térmicos en sistemas experimentales relevantes para el desarrollo de procesos.
- Apoya la desactivación mecanicista de riesgos al proporcionar datos de alta densidad para validar modelos de transferencia de calor.
- Mejora la confianza predictiva en la optimización de procesos basada en simulaciones.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Facilita la preparación de ambientes térmicos validados para flujos de trabajo de ensayos posteriores.
- Permite la obtención reproducible y cuantitativa de mapas de temperatura en geometrías complejas.
- Apoya la estandarización del control térmico en plataformas de cribado de alto rendimiento.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Proporciona continuidad desde la cartografía térmica a escala de descubrimiento hasta la validación de procesos a escala piloto y preclínica.
- Permite el avance ajustado al riesgo de diseños de procesos basado en datos térmicos robustos.
- Facilita la alineación de las condiciones experimentales con los requisitos de procesos traslacionales.
Integración de la Línea de Proceso y Flujo de Trabajo
Este método de detección distribuida se integra en el continuo de desarrollo del proceso, desde el descubrimiento inicial hasta la ampliación y la validación preclínica, en cualquier lugar donde se requiera una cartografía térmica precisa.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la comprobación de hipótesis y la aclaración de vías al permitir una caracterización precisa del entorno térmico.
- Selección: Proporciona datos de temperatura reproducibles y de alta densidad para la estandarización y escalabilidad de ensayos.
- Análisis: Ofrece resultados cuantitativos y mediciones con resolución espacial para una comparación robusta de las condiciones del proceso.
- Investigación Traductiva: Conecta hallazgos a escala de laboratorio con la validación de procesos preclínicos mediante un mapeo térmico consistente.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma reutilizable para el monitoreo de temperatura de alta resolución en diversas configuraciones experimentales.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Mejora la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la modelización de procesos.
- Valor operativo: Proporciona capacidades estandarizadas, reproducibles y escalables de medición de temperatura.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones más informadas de avance o detención y mejora la eficiencia del capital al reducir los riesgos del proceso en etapas avanzadas.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización y el avance ajustados al riesgo de los candidatos en desarrollo de procesos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en la instalación y calibración de sensores de fibra óptica.
- Exige instrumentación especializada para el análisis de dispersión de Rayleigh y análisis interferométrico.
- Necesita la estandarización entre equipos en el manejo y los controles ambientales para garantizar la integridad de los datos.
- La adaptación a diferentes sistemas modelo puede requerir estructuras de soporte personalizadas y procedimientos de línea base.
- La precisión es sensible a la deformación, las vibraciones y la humedad, lo que exige un diseño y una operación experimentales cuidadosos.
