De fibra óptica para sensores distribuidos de alta resolución de mapeo de temperatura Campo

El objetivo general de este experimento es proporcionar datos de campo de flujo de alta resolución para validar códigos informáticos de dinámica de fluidos computacional, verificando su capacidad para 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 solo sensor hecho de fibra de telecomunicaciones comercial. Es capaz de proporcionar una densidad de datos que va mucho más allá de los sensores tradicionales como los termopares.

Pero a diferencia de los termopares, estos sensores de fibra óptica son sensibles a la deformación y a la temperatura. Por lo tanto, el manejo, la vibración y los cambios de humedad influyen en la señal de temperatura. La sensibilidad a la deformación es bastante diferente a la de los sensores tradicionales.

Y la obtención de 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. Se trata de un depósito de vidrio con dos conductos de aire hexagonales unidos a la base.

El aire sale a través de un respiradero en la parte superior después de mezclarse en el interior. En el interior del panel superior, hay una pantalla de polímero negro sobre la ubicación del DTS. Acceda al interior de la sección de prueba quitando los paneles en la parte superior y lateral.

Ensartado en la parte superior de la sección de prueba, hay alambre de acero con un paso de 20 milímetros. Sobre el área de medición, los cables soportan la fibra óptica del sensor de temperatura distribuida. Las fibras ópticas corren perpendiculares al alambre de acero y están espaciadas a 10 milímetros de distancia.

El inicio del DTS tiene aproximadamente un metro de fibra reservada para el empalme y la terminación final. Los segmentos se tejen a través de cables adyacentes de un lado a otro de la región de medición. La fibra se enrolla hasta ser el segmento adyacente y los extremos se aseguran a la sección de prueba con cinta adhesiva.

Este es un esquema del diseño de la sección de prueba final desde arriba. Los cables de acero cubren una región que incluye los conductos. La fibra del sensor de temperatura distribuida se teje a través de los cables en el área sobre los conductos.

Para tejer la fibra óptica del DTS sigue estos pasos. Comience con un carrete de fibra de 50 metros y desenrolle lo suficiente como para crear la reserva para empalmar a 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 segmentos de sensores nuevos. Coloque unos cientos de milímetros de fibra sobre la malla de alambre y forme un bucle. Siendo tejiendo el bucle a través de los cables de soporte alternando entre ir por encima y por debajo de los cables adyacentes.

Cuando se alcanza el lado opuesto del tanque, la fibra para los dos primeros segmentos del sensor está lista para ser colocada en su posición. Tira del primer segmento y pégalo con cinta adhesiva en su posición en la parte inferior de la tapa. Una regla pegada a la tapa se utiliza para indicar la posición y controlar el espaciado de los segmentos.

Queremos que esté lo suficientemente tenso como para que permanezca en su posición durante el flujo, pero no tan tenso como para que la deformación en la sección de prueba fuerce el sensor y provoque un error de medición. Ahora, forme un bucle de aproximadamente 30 milímetros de diámetro en la parte no anclada de la fibra y péguelo con cinta adhesiva 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 de sensor. Repita los pasos utilizados para los dos primeros segmentos del detector para crear pares de segmentos adicionales. Con la matriz de detección en su lugar, empalme un conector hasta el extremo de la fibra.

Conecte el sensor al cable de retardo amarillo que conectará el sensor al interrogador. Conecte el cable de retardo al interrogador y complete los pasos de configuración. El interrogador del sensor se basa en interferometría de longitud de onda rápida.

Un láser de diodo sintonizable de baja potencia envía una señal de banda estrecha a la fibra. El láser se barre a través de varios nanómetros y la señal se divide entre las patas de referencia y medición. La luz dispersa 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 se deben mapear las posiciones de los sensores. Para hacer esto, conecte un soldador a un transformador variable, ajustado a aproximadamente el 40 por ciento.

En la computadora, use el software del interrogador para mostrar datos en vivo en la pantalla. Tome el soldador y acérquese al inicio del primer segmento del sensor, sostenga el hierro cerca del sensor y tóquelo brevemente hasta el punto final. En la computadora, detenga la adquisición de datos para congelar el pico.

A continuación, acérquese al pico de temperatura para registrar la posición del pico y la ubicación física. Recopile datos de la misma manera para los puntos de inicio y fin de cada segmento. Después de mapear las posiciones de los sensores, prepare uno o más estándares 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 volviendo a colocar todos los paneles en sus posiciones. Continúe envolviendo el tanque con algún tipo de aislamiento. Una vez envuelto, deje que se asiente 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 de base, primero detenga la medición. A continuación, seleccione línea base e introduzca un nombre de archivo en el campo proporcionado.

Seleccione un rango de medición y haga clic en Aceptar para que sea el proceso de referencia. Registre simultáneamente la lectura de temperatura del termopar para la calibración. Una vez que el software haya completado la línea de base, vaya al modo de medición.

La señal ahora debe ser cero a lo largo de toda la longitud del sensor y no desviarse con el tiempo si el sistema se encuentra en un estado térmicamente estable. En este punto, vaya a los controles de flujo y calefacción para prepararse para una carrera. Con el flujo de aire activado, ajuste los caudales en los canales para que coincidan.

Ajuste el controlador de potencia para calentar un chorro y establecer la temperatura diferencial deseada entre chorros. Regrese al sistema después de que haya funcionado durante la noche para alcanzar el equilibrio. Examine la señal DTS en vivo para acceder a los niveles de ruido y elija la longitud de medidor adecuada.

Utilice el sistema de temperatura distribuida para registrar 2000 escaneos a 4 hercios. Se trata de datos brutos de la diferencia de temperatura medida con respecto a la temperatura de referencia. El extremo izquierdo del eje horizontal corresponde a un segmento de fibra en el límite del sistema denotado como el extremo este.

Moviéndose hacia la derecha, la fibra se enrolla hacia adelante y hacia atrás hacia el extremo oeste. Los picos se producen cuando el sensor está directamente sobre el chorro caliente. El ruido hacia el extremo oeste se debe a la vibración inducida por el flujo.

Aquí, los datos brutos se asignan a las posiciones de 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 son una A a orientación.

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 debajo de la tapa. El área roja indica una región cálida sobre el chorro este, pero no centrada en él. Los datos del sensor también se pueden utilizar para mapear el cuadrado medio de la ruta de las fluctuaciones de temperatura.

La región magenta es una de altas fluctuaciones de temperatura y alta turbulencia donde los dos chorros ascendentes interactúan a medida que inciden en la tapa. Hemos visto cómo un solo sensor de fibra óptica, basado en la dispersión de Rayleigh, puede generar miles de mediciones de temperatura para proporcionar una imagen detallada del campo completo que sería imposible obtener con termopares. Para garantizar la precisión de la medición, preste siempre especial atención al control de la deformación después de la línea de base y minimice las vibraciones inducidas por el flujo mediante un diseño cuidadoso de la configuración del soporte del sensor.

Esta técnica de detección distribuida ofrece nuevas posibilidades para las mediciones de temperatura en fluidos opacos y otras aplicaciones que no son adecuadas para las técnicas ópticas que dependen de láseres y cámaras.