الألياف البصرية مجسات الموزعة لعالية الدقة لرسم الخرائط درجة الحرارة الميدان

الهدف العام من هذه التجربة هو توفير بيانات عالية الدقة لمجال التدفق للتحقق من صحة أكواد ديناميكيات السوائل الحسابية، واختبار قدرتها على محاكاة انتقال الحرارة في التدفقات المضطربة بدقة. يمكن لتقنية قياس درجة الحرارة المتقدمة هذه توليد آلاف نقاط البيانات على طول مستشعر واحد مصنوع من ألياف الاتصالات التجارية، وهي قادرة على توفير كثافة بيانات تتجاوز بكثير ما توفره المستشعرات التقليدية مثل المزدوجات الحرارية.

ولكن على عكس المزدوجات الحرارية، تتأثر هذه المستشعرات الليفية الضوئية بالإجهاد بالإضافة إلى درجة الحرارة. لذا، فإن المناولة والاهتزاز والتغيرات في الرطوبة تؤثر على إشارة درجة الحرارة. وتختلف الحساسية للإجهاد تماماً عن المستشعرات التقليدية.

ويتطلب الحصول على بيانات دقيقة إجراءات وممارسات تشغيلية خاصة سنقوم بتوضيحها هنا. سيتم استعراض مستشعر درجة الحرارة الموزع، أو DTS، باستخدام مقطع الاختبار هذا، وهو عبارة عن خزان زجاجي متصل بقاعدته قناتا هواء سداسيتان.

يخرج الهواء عبر فتحة تهوية في الأعلى بعد اختلاطه في الداخل. ويوجد على الجانب الداخلي من اللوحة العلوية شاشة من بوليمر أسود فوق موقع الـ DTS. يمكن الوصول إلى الجزء الداخلي من قسم الاختبار عن طريق إزالة اللوحات العلوية والجانبية.

يمتد سلك فولاذي بخطوة قدرها 20 millimeter عبر الجزء العلوي من قسم الاختبار. وفوق منطقة القياس، تدعم هذه الأسلاك الألياف الضوئية الخاصة بمستشعر درجة الحرارة الموزع. وتمر الألياف الضوئية بشكل عمودي على السلك الفولاذي وبمسافات فاصلة تبلغ 10 millimeters.

يتم تخصيص نحو متر واحد من الألياف في بداية نظام استشعار درجة الحرارة الموزع (DTS) لعمليات الوصل والإنهاء الطرفي. وتُنسج القطع عبر الأسلاك المجاورة من جانب منطقة القياس إلى الجانب الآخر. يتم لف الليف لبدء القطعة المجاورة، وتُثبت النهايات في مقطع الاختبار باستخدام شريط لاصق.

هذا مخطط تخطيطي لمقطع الاختبار النهائي من منظور علوي. تغطي الأسلاك الفولاذية منطقة تشمل القنوات. وتتم نسج ليفة مستشعر درجة الحرارة الموزع عبر الأسلاك في المنطقة الواقعة فوق القنوات.

لنسج الليف الضوئي الخاص بنظام DTS، اتبع الخطوات التالية. ابدأ ببكرة ليف طولها 50 متر، وقم بفك كمية كافية لإنشاء احتياطي لعملية الوصل بموصل خارج الخزان. قم بتثبيت الليف بعد منطقة الاحتياطي بغطاء قسم الاختبار.

بعد ذلك، قم بفك حوالي نصف متر من الليف البصري الذي سيُستخدم لبدء أولى قطع المستشعرات الجديدة. ضع بضع مئات من المليمترات من الليف البصري على الشبكة السلكية وشكله على هيئة حلقة. ابدأ بنسج الحلقة عبر أسلاك الدعم بالتناوب بين المرور فوق وتحت الأسلاك المتجاورة.

عند الوصول إلى الجانب المقابل من الخزان، تصبح الألياف الخاصة بأول قطاعين من المستشعرات جاهزة للتثبيت بالشريط اللاصق في موضعها. قم بشد القطاع الأول جيداً وثبته بالشريط اللاصق في موضعه على الجانب السفلي من الغطاء. وتُستخدم مسطرة مثبتة بالغراء على الغطاء لتحديد الموضع والتحكم في المسافات الفاصلة بين القطاعات.

نريد أن يكون هذا الخيط مشدوداً بما يكفي ليبقى في موضعه أثناء التدفق، ولكن ليس لدرجة تؤدي إلى تشوه في قسم الاختبار يضغط على المستشعر ويتسبب في خطأ في القياس. الآن، قم بتشكيل حلقة بقطر 30 millimeters تقريباً في الجزء غير المثبت من الليف البصري، وثبتها بشريط لاصق على بعد 10 millimeters من الجزء الأول. ثم ثبت الطرف الآخر من الجزء الثاني بغطاء الخزان.

قم بفك حوالي نصف متر من الألياف لبدء الزوج التالي من قطاعات الاستشعار. كرر الخطوات المستخدمة في أول قطاعين للكاشف لإنشاء أزواج إضافية من القطاعات. بعد وضع مصفوفة الاستشعار في مكانها، قم بوصل موصل بطرف الليف الضوئي.

قم بتوصيل المستشعر بكابل التأخير الأصفر الذي سيربط المستشعر بجهاز الاستجواب. صِل كابل التأخير بجهاز الاستجواب وأكمل خطوات التكوين. يعتمد جهاز استجواب المستشعر على قياس التداخل الطيفي سريع الموجة.

يرسل ليزر ديود قابل للضبط ومنخفض القدرة إشارة ضيقة النطاق إلى الليف الضوئي. يتم مسح الليزر عبر عدة نانومترات، وتُقسم الإشارة بين فرعي المرجع والقياس. ثم يتم دمج الضوء المشتت من المستشعر مع إشارة المرجع لتوليد إشارات تداخل عند الكواشف.

يُستخدم مخرج الكاشف لاستعادة إشارة تشتت التحرير. يجب الآن تعيين مواقع المستشعرات؛ وللقيام بذلك، قم بتوصيل كاوية لحام بمحول متغير، واضبطه على حوالي 40 بالمائة.

باستخدام الكمبيوتر، استعمل برنامج الاستجواب لعرض البيانات المباشرة على الشاشة. أمسك بكاوية اللحام واقترب من بداية المقطع الأول للمستشعر، ثم ثبّت الكاوية بالقرب من المستشعر ولمس نقطة النهاية لفترة وجيزة. عند الكمبيوتر، أوقف عملية اكتساب البيانات لتجميد الذروة.

ثم قم بتكبير نطاق الارتفاع المفاجئ في درجة الحرارة لتسجيل موضع الذروة والموقع المادي. اجمع البيانات بالطريقة نفسها لنقاط البداية والنهاية لكل مقطع. بعد رسم خريطة لمواقع المستشعرات، قم بتحضير معيار واحد أو أكثر لدرجة الحرارة.

في هذه الحالة، استخدم المزدوجة الحرارية لإتمام المهمة. حدد منطقة في نطاق القياس الخاص بنظام DTS. قم بتركيب المزدوجة الحرارية بالقرب من ليف الـ DTS.

بعد الانتهاء من العمل في الداخل، أغلق الخزان بإعادة جميع الألواح إلى مواضعها. تابع ذلك بتغليف الخزان بنوع من العزل. وبمجرد تغليفه، اتركه لفترة كافية لإنشاء بيئة متساوية الحرارة حول المستشعر.

عندما يصبح النظام جاهزاً، قم بتشغيل برنامج جهاز الاستجواب وبدء القياسات. وللحصول على الخط القاعدي، قم أولاً بإيقاف القياس، ثم اختر "baseline" وأدخل اسم الملف في الحقل المخصص.

اختر نطاق القياس وانقر فوق "OK" لبدء عملية خط الأساس. قم بتسجيل قراءة درجة حرارة المزدوجة الحرارية في الوقت ذاته من أجل المعايرة. وبمجرد أن يكمل البرنامج خط الأساس، انتقل إلى وضع القياس.

يجب أن تكون الإشارة الآن صفراً على طول المستشعر بالكامل، وألا تنحرف مع مرور الوقت إذا كان النظام في حالة استقرار حراري. في هذه المرحلة، انتقل إلى عناصر التحكم في التدفق والتسخين للتحضير لبدء التشغيل. ومع تشغيل تدفق الهواء، قم بضبط معدلات التدفق في القنوات لتكون متطابقة.

اضبط وحدة التحكم في الطاقة لتسخين نفاثة واحدة وتحديد فرق درجة الحرارة المطلوب بين النفاثات. عُد إلى النظام بعد تشغيله طوال الليل للوصول إلى حالة التوازن. افحص إشارة DTS المباشرة لتقييم مستويات الضجيج واختيار طول المقياس المناسب.

استخدم نظام توزيع درجة الحرارة لتسجيل 2000 مسح بمعدل 4 هرتز. تمثل هذه البيانات الخام فرق درجة الحرارة المقاسة عن درجة الحرارة المرجعية. يتوافق الطرف الأيسر للمحور الأفقي مع جزء من الليف على حدود النظام والمشار إليه بالطرف الشرقي.

وبالتحرك نحو اليمين، تعود الألياف في حلقات ذهاباً وإياباً باتجاه الطرف الغربي. وتظهر القمم حيث يكون المستشعر فوق النفاث الساخن مباشرةً. أما الضجيج باتجاه الطرف الغربي فيعود إلى الاهتزاز الناتج عن التدفق.

هنا، يتم تعيين البيانات الخام على المواضع في قسم الاختبار. وجهة النظر من أعلى مستوى القياس في مصفوفة DTS. تمثل الخطوط الخارجية للقنوات السداسية اتجاه A إلى orientation.

يتيح الاستكمال الخطي بين نقاط البيانات إنشاء خريطة كنتورية ثنائية الأبعاد لدرجات الحرارة لتوفير تصور عن النمط الحراري الموجود أسفل الغطاء. وتشير المنطقة الحمراء إلى منطقة دافئة فوق النفث الشرقي ولكنها ليست متمركزة فوقه. كما يمكن استخدام بيانات المستشعر لرسم خريطة لجذر متوسط مربعات تقلبات درجة الحرارة.

تعد المنطقة الأرجوانية منطقة ذات تقلبات حرارية عالية واضطراب شديد، حيث يتفاعل النفاثان الصاعدان أثناء اصطدامهما بالغطاء. لقد رأينا كيف يمكن لمستشعر واحد من الألياف الضوئية، يعتمد على تشتت Rayleigh، أن يولد آلاف القياسات لدرجة الحرارة لتقديم صورة تفصيلية للمجال الكامل، وهو أمر لا يمكن تحقيقه باستخدام المزدوجات الحرارية. ولضمان دقة القياس، يجب دائمًا إيلاء اهتمام خاص بالتحكم في الإجهاد بعد خط الأساس، وتقليل الاهتزازات الناتجة عن التدفق من خلال التصميم المدروس لتكوين دعامة المستشعر.

توفر تقنية الاستشعار الموزع هذه إمكانيات جديدة لقياسات درجة الحرارة في السوائل المعتمة والتطبيقات الأخرى غير المناسبة للتقنيات البصرية التي تعتمد على الليزر والكاميرات.