Name: Fibre optique Capteurs distribués pour haute résolution cartographie des champs de température (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Découvrez la cartographie haute résolution des champs de température par capteurs à fibre optique distribués utilisant la diffusion Rayleigh. Cette technique génère des milliers de points de données pour valider la dynamique des fluides numérique.

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Les auteurs remercient Tyler Gorney et Aida Rahim de Luna Innovations pour leurs précieuses connaissances techniques et leur aide avec notre application.
Le manuscrit soumis a été créé par UChicago Argonne, LLC, opérateur du Laboratoire national d’Argonne (« Argonne »). Argonne, un laboratoire de l’Office of Science du ministère de l’Énergie des États-Unis, est exploité dans le cadre du contrat n°. DE-AC02-06CH11357. Ce travail a été soutenu par le Bureau de l’énergie nucléaire du ministère américain de l’Énergie.

Type de capteur 1. Sélectionnez Optimal pour l&#39;application <ol><li> Choisir la longueur du capteur sur la base de compromis entre la vitesse d&#39;échantillonnage et le nombre de points de données. NOTE: Des échantillons d&#39;interrogateur de capteurs jusqu&#39;à 50 m de longueur à 2,5 Hz et la résolution &lt;10 mm, tandis que les autres échantillons capteurs jusqu&#39;à 10 m de longueur à une résolution de 5 mm et 100 Hz. </li><li> Sélectionnez un type de fibre optique monomode en fonction des exigences relatives aux limites de service de température, le temps de réponse, sensibilité à l&#39;humidité, et la configuration de l&#39;installation (nue ou capillaire). NOTE: 155 um de diamètre monomode de polyimide revêtu fibre optique de télécommunication commerciale Ici, nous avons utilisé. REMARQUE: Voir les tableaux 1 et 2 à titre d&#39; exemples de fibres et de configurations que nous avons utilisées dans notre laboratoire. </li></ol> 2. Installez la fibre optique dans la section d&#39;essai <ol><li> section d&#39;essai ouvert en retirant une des plaques latérales de verre longues. </li><li> Percez des trous de 1 mm de diamètredans les parois latérales 3 mm en dessous de couvercle pour les ancrages de fil (fig. 3). NOTE: Les ancres pour tenir le fil d&#39;acier qui supporte le capteur. La hauteur d&#39;ancrage peut être modifiée en fonction de la taille de la section d&#39;essai et le chargement dynamique attendue de flux. Le pas de 20 mm utilisé ici prouvé stable avec un minimum de vibrations dans l&#39;écoulement près de 1 m / sec. Vibration corrompt DTS signaux et est plus problématique avec de longs capteurs 15,16. </li><li> Chaîne un segment de fil d&#39;acier d&#39;un diamètre de 127 um à travers la section d&#39;essai en l&#39;attachant à une ancre de cuivre à chaque extrémité du réservoir. Répétez jusqu&#39;à ce que il y a un total de 47 segments de fil enfilées à travers le réservoir. </li><li> Coupez 50 m de fibre optique à l&#39;aide de communications / électriciens ciseaux avec réserve pour être consommé dans le connecteur de raccordement et de la fibre de terminaison (probablement &lt;0,5 m, mais dépend de la compétence à l&#39;épissage). Collecter ces fibres sur une petite bobine, ~ 50 mm de diamètre. </li><li> Poser le premier segment de capteur sur un bord de la zone choisie pour mesurer l&#39;esprit de températureh, le réseau de capteurs. NOTE: Après le premier segment est fixé en position, la fibre sera bouclée pour un segment adjacent, en position fixe, et plus de fibres distribué pour le segment suivant dans un processus répétitif qui construit le réseau jusqu&#39;à ce que toute la fibre est utilisée. </li><li> Tisser la fibre au-dessus et au-dessous des fils adjacents, travaillant d&#39;un côté de la cuve à l&#39;autre, de la fibre de distribution de la bobine selon les besoins. REMARQUE: La fibre est perpendiculaire au fil , comme illustré sur la Fig. 3 avec le tissu de support contre la force de gravité dans une direction et l&#39; écoulement dans l&#39;autre. </li><li> Attachez chaque extrémité du premier segment de fibre sur le couvercle avec du ruban adhésif transparent classique ou d&#39;une bande de film de polyimide. Le premier segment du réseau est maintenant en place. REMARQUE: Ne pas fixer le capteur tendu comme une corde de guitare, mais plutôt assez tendu pour être droite et prendre le mou visible. Si le capteur est mis sous tension, de petites déformations dans le support, par exemple thermique expansion du couvercle, va changer cette tension et générer des décalages de signal anormal et des erreurs de mesure. </li><li> Boucle de la fibre de 180 degrés pour revenir en arrière pour le segment suivant , comme indiqué sur la figure. 4 et la bande au couvercle à une distance de 10 mm du premier segment. REMARQUE: Réduire le diamètre de la boucle car il est «fibre gaspillé» (ne faisant pas partie du tableau), mais il devrait être d&#39;environ 30 mm ou plus pour des contraintes tolérables. La fibre utilisée ici a toléré un diamètre de 30 mm boucles pendant plusieurs mois sans perte de signal perceptible, mais les limites varient avec le type de fibre. Pour la fibre utilisée ici, le fabricant indique le &quot;court terme&quot; limite de rayon de courbure que ≥ 10 mm et &quot;à long terme&quot; limite de ≥ 17 mm. </li><li> Tisser à nouveau la fibre entre les fils vers le côté opposé de la cuve et la bande en position. Répétez le processus en boucle, ruban adhésif, et le tissage jusqu&#39;à ce que toute la fibre est utilisée. </li></ol> 3. Connecteur d&#39;épissure et Termination à fibre <ol><li> Épisser un connecteur monomode de type LC à une extrémité de la fibre en utilisant un appareil d&#39;épissurage selon les instructions du fabricant 17. </li><li> Couper ~ 0,25 m terminaison fibre avec les ciseaux / communication électricien et raccorder à l&#39;autre extrémité de la fibre, à nouveau avec une colleuse de fusion suivant les instructions du fabricant. NOTE: Cet ensemble (fibre, connecteur, et la terminaison) seront désormais désignés comme un «capteur». La fibre de terminaison disperse signal résiduel de l&#39;impulsion laser pour l&#39;empêcher de retourner à l&#39;interrogateur. </li></ol> 4. Configuration du capteur <ol><li> Branchez l&#39;extrémité du connecteur de type LC du capteur dans le port d&#39;interrogateur et de lancer le logiciel de configuration. </li><li> Générer des données capteur d&#39;amplitude en sélectionnant «acquérir» (distinct des données de température), qui est automatiquement affiché lorsque l&#39;analyse est terminée. NOTE: La trace d&#39;un capteur avec de bons épissures aura le gèneral caractéristiques représentées sur la Fig. 5. Un pauvre épissure peut être indiquée par un plancher de bruit indistinct ou de réflexion dominante où il est prévu le connecteur. Si un mauvais épissage est suspectée, revenir à l&#39;étape 3 et répétez la procédure d&#39;épissage. </li><li> Sélectionnez la partie active du capteur en faisant glisser le curseur jaune apparaît sur l&#39;écran au début du capteur et le curseur rouge à la fin. </li><li> Donnez le capteur un nom et sélectionnez &quot;enregistrer des fichiers de capteurs&quot;. NOTE: Le capteur est maintenant configuré et prêt à l&#39;emploi. </li><li> Fermez le logiciel de configuration et de basculer vers le logiciel de mesure. </li></ol> 5. Carte du capteur de position de la section d&#39;essai <ol><li> Démarrez le logiciel de mesure d&#39;interrogateur et de charger le capteur vient d&#39;être configurée. </li><li> Branchez un fer à souder à un transformateur variable fixé à environ 40%, le préchauffage pendant 5-10 min. NOTE: Le fer à souder génère des pointes locales de température pour la cartographie. Un fer à souder peut mELT le revêtement de la fibre et la ruine du capteur afin de commencer avec un réglage bas du transformateur, en utilisant juste assez de puissance pour obtenir des pointes claires. Un C pic 10-20 ° suffit pour ce processus. </li><li> Sélectionnez &quot;mesure&quot; dans le logiciel d&#39;interrogation pour tracer des données en direct sur l&#39;écran. </li><li> Zoom arrière pour afficher l&#39;ensemble du capteur sur l&#39;écran. </li><li> Tenir le fer à souder à proximité de capteur et brièvement toucher au premier point de la cartographie, voici le plus segment de l&#39;évent où il rencontre le couvercle (Fig. 4). </li><li> Position d&#39;enregistrement du pic de température comme indiqué par le logiciel ainsi que l&#39;emplacement physique correspondant à l&#39;intérieur section d&#39;essai. </li><li> Répétez 5,5-5,6 pour cartographier les points de tous les 49 segments d&#39;extrémité. </li></ol> 6. Capteur de référence: Le lien vers température absolue <ol><li> Position une ou plusieurs températures standards, par exemple, TC ou détecteur de température à résistance (RTD), à proximité des DTS pour servir de la norme reliant DTS lectures à te absoluempérature. </li><li> Fermer le réservoir par le remplacement de la plaque latérale longue du verre qui a été enlevé à l&#39;étape 2.1. </li><li> Isoler le réservoir en l&#39;enveloppant dans des couvertures ou des panneaux isolants conventionnels et laisser reposer toute la nuit pour établir une atmosphère isotherme. </li><li> Démarrez le logiciel d&#39;interrogation, sélectionnez &quot;référence&quot; (ou &quot;tare&quot;), et en même temps noter / enregistrer le TC (ou RTD) lecture. Lorsque le logiciel est fini avec la ligne de base, sélectionnez &quot;mesure&quot; pour tracer des données en direct pour examiner la qualité de la ligne de base. NOTE: Cette étape critique établit la ligne de base et le signal DTS doit maintenant indiquer zéro, c. -à- AT (x) = 0 ± une fraction de degré. A partir de maintenant, le signal varie en température du réservoir diverge de la température de référence: AT (x) = T (x) abs - T base, où T (x) abs est la température absolue le long de la fibre et T base est la ligne de base température 6,18. Si le test section est non isotherme, T de base sera fonction de la position, à savoir T base (x), et la précision sera compromise à moins T base (x) est mappé avec plus d&#39;un TC ou RTD (voir la section de discussion). Ne pas bouger ou touchez le capteur jusqu&#39;à ce que l&#39; étape 7 est terminée. Oeillet en aucune façon peut introduire des décalages qui peuvent dégrader la précision de mesure. </li><li> Examinez le signal en direct, qui ne doit pas dériver loin de zéro. Si la dérive est excessive pour l&#39;application (notre limite est d&#39;environ 0,5 ° C après ~ 5 min), laisser plus de temps pour la section d&#39;essai pour atteindre l&#39;équilibre thermique et / ou améliorer l&#39;isolation (voir note ci-dessous), puis répétez l&#39;étape 6.4. NOTE: La qualité du signal est toujours préférable immédiatement après la ligne de base et la dérive au fil du temps en fonction de la répartition de la température au sein de la section d&#39;essai. Bonne périodes d&#39;isolation et de longue attente avant la doublure de base permettra de réduire la dérive et l&#39;erreur de mesure. Sizeable, dérives rapides indiquent la section d&#39;essai est pasisothermes, qui finira par conduire à des mesures inexactes. </li><li> Sélectionnez la fonction d&#39;enregistrement dans le logiciel d&#39;interrogateur et enregistrer 10-100 scans de données DTS pour les mêmes conditions stagnante, isothermes simplement utilisées pour générer la ligne de base. Enregistrez également la lecture TC / RTD. NOTE: Ce sont des données de réserve pour les contrôles post-test des décalages qui peuvent être générés par la souche de flux ou de déformation inattendue de la section ou supports test. </li></ol> 7. Test <ol><li> Allumez le compresseur pour générer un flux d&#39;air et régler les régulateurs de débit pour correspondre à des débits à 1,25 kg / s à chaque canal. NOTE: vitesse d&#39;entrée moyenne est de 1,1 m / s et le nombre de Reynolds est de 10.000. </li><li> Réglez la puissance de chauffage à 600 W pour réchauffer le jet est de 20 ° C au-dessus du jet ouest, qui est à la température ambiante. </li><li> Permettre au système de fonctionner pendant la nuit pour atteindre l&#39;équilibre. </li><li> Le lendemain examiner signal en direct DTS pour évaluer les niveaux de bruit. Sélectionnez le capteur &quot;gage longueur &quot;dans le logiciel d&#39;atteindre des niveaux de bruit acceptables (30 mm Gabarit est utilisé ici). NOTE: la longueur Gage correspond au capteur résolution spatiale. En général, le signal augmente de bruit que la longueur de la jauge diminue et que les vibrations induites par les augmentations de flux (voir mode d&#39;emploi et de référence 13 et 14). </li><li> Log 2.000 DTS scans à 4 Hz. </li><li> Coupez l&#39;alimentation électrique de chauffage et le débit d&#39;air. Laissez le réservoir reposer pendant la nuit pour atteindre l&#39;équilibre et enregistrer 10-100 DTS scans pour compléter l&#39;ensemble de données pré-test enregistrées pour posttest compenser les chèques. </li></ol> Analyse 8. Données <ol><li> Sélectionnez la fonction de post-traitement dans la fenêtre principale du logiciel d&#39;interrogation et d&#39;importer les données de test, qui est dans un format binaire propriétaire. </li><li> Exporter les données sous forme de fichier texte brut qui peut être lu par des tableurs classiques. NOTE: Ces données représentent AT mesurée le long de la fibre où AT (x) = T (x) abs - base de T. Il ne contient aucune référence àposition dans la section d&#39;essai (voir Fig . 6). Des détails supplémentaires sont disponibles dans le guide de l&#39;utilisateur interrogateur et références 6 et 16 pour cette étape et la suivante. </li><li> Les données de texte d&#39;importation dans un tableur classique et convertir à la température absolue en ajoutant T de base, mesurée par TC ou RTD à l&#39; étape 6.4, à toutes les données. REMARQUE: La conversion à la température absolue est tout simplement une correction unique valeur de décalage: T (x) = abs AT (x) + T de base étant donné que nous avons stipulé que la section d&#39;essai était isothermes pendant la ligne de base. </li><li> Utiliser un logiciel de tableur ou un programme similaire de manipulation de données pour décomposer T (x) des données et plan à des positions physiques au sein de la section d&#39;essai tel que celui représenté sur les figures 7 et 8. NOTE: Le programme utilisera les données recueillies avec le fer à souder à l&#39;étape 5. </li></ol>

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Nous avons démontré l&#39;utilisation d&#39;un DTS dans une expérience de la dynamique des fluides. Le principal avantage de ces capteurs est grand nombre de points de mesure qui peuvent être obtenus à partir d&#39;un seul capteur. Les DTS utilisées ici ont généré des données à 4067 points de travers un plan de 0,5 x 0,8 m, bien au-delà des limites possibles de capteurs ponctuels classiques tels que thermocouples. Bien qu&#39;une telle densité de données peut être dépassée par les techniques optiques telles que la fluorescence induite par laser (LIF), d&#39;un DTS fonctionner dans des fluides opaques et des applications qui ne disposent pas d&#39;accès optique. La densité de données élevée d&#39;un DTS est adapté pour des expériences impliquées dans la dynamique des fluides validation du code de calcul. Baselining est l&#39;étape critique dans le protocole et central dans la détermination de la précision de mesure. Une section de test isotherme est indispensable pour assurer l&#39;ensemble de DTS est à une température lorsque baselined. Si cela est impossible, T base devient T base (x), qui devrait être MAPPed par plusieurs TCs placés à proximité des DTS. Bien que la qualité de base peut être améliorée de cette façon, cela complique le processus de cartographie de la ligne de base DTS aux normes pour la conversion à la température absolue. Toujours être à l&#39;affût des sources de tension après la ligne de base, ce qui peut introduire des changements de signaux imprévisibles. Ces sources sont, par exemple, la section d&#39;essai dilatation thermique qui étend le capteur, le mouvement des supports, le chargement dynamique de débits élevés, ou les vibrations induites par l&#39;écoulement. Les pré et post-test mesures dans des conditions isothermes aideront à identifier de tels problèmes. la sensibilité de la souche est le principal défaut de cette Rayleigh DTS basée diffusion. A la différence des capteurs conventionnels tels que des thermocouples, elle est sensible à la manipulation, l&#39;humidité et les vibrations. Ces questions sont les plus pertinents pour la configuration du capteur nue démontré ici, mais beaucoup moins important pour les capteurs logés dans les capillaires. Contrairement aux capteurs conventionnels, un DTS ne peut pas être acheté avec de la paperasse traçage à un étalon reconnu tel que le NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ étalonnages sont nécessaires, de préférence avec une section de test isotherme, qui peut être difficile dans certains applications. La vibration est particulièrement préoccupante pour la fibre nue tendu à travers une grande section de test. Nous avons eu un succès mitigé avec un réseau orienté verticalement qui enjambe le grand axe de la cuve à des longueurs de segments de 1,7 m. Une configuration avec 28 m de fibre et 16 segments bien performé au cours d&#39; une étude de 18, mais les tentatives de l&#39; étendre à 53 m avec 29 segments a échoué 16. D&#39;une manière générale, le signal de bruit pour toute la longueur du capteur et la configuration peut être diminuée en augmentant la longueur de la jauge sur lequel le logiciel d&#39;interrogation calcule le décalage du signal de Rayleigh, mais cela réduit la résolution spatiale effective. Chaque application doit trouver son propre équilibre entre le bruit du signal et la résolution spatiale. Là encore, de telles difficultés peuvent être évitées en grande partie en logeant le capteur dans un tube capillaire au détriment de l&#39;étendue du temps de réponse thermique. Cette technologie relativement nouvelle de mesure de température nécessite le développement afin de réduire la sensibilité aux vibrations. Une grande partie de ce travail sera nécessairement impliquer le matériel et le logiciel interrogateur. Les capteurs eux-mêmes peuvent également être améliorées pour réduire la sensibilité à la manipulation et de l&#39;humidité, les changements qui sont affectés par les revêtements de fibres. Les travaux pourraient se concentrer sur le développement de revêtements supérieurs à la polyimide et les fibres acryliques revêtues actuellement disponibles dans le commerce.

la dynamique des fluides computationnelle (CFD) codes sont utilisés pour simuler une grande variété de systèmes de fluides, de flux d&#39;air autour des avions et des voitures vers le flux sanguin artériel. La portée et la fidélité de ces simulations ont grandi avec la disponibilité de la puissance de calcul. Cependant, malgré la sophistication des simulations avancées, leur précision et leur fiabilité sont souvent difficiles à quantifier. Dans la pratique, la précision des codes CFD est évaluée en comparant des simulations avec des données expérimentales dans une validation de code de processus appelé. Un ensemble de données expérimentales typique se compose principalement de mesures de vitesse et de température, à la fois idéalement résolution spatiale et temporelle de haute pour faciliter la validation de code rigoureux. Champs de vélocité peuvent être mappés à haute résolution à l&#39; aide d&#39; images de particules (PIV), une technique optique 1,2 bien établie. En revanche, il est difficile de cartographier les champs de température avec une résolution comparable à celle de PIV. Optical des techniques telles que la fluorescence induite par laser sont disponibles 3,4, mais ils nécessitent des caméras et relativement lasers de haute puissance, et ne conviennent pas pour les fluides opaques. Une alternative est disponible dans la technique relativement nouvelle de détection de température distribuée sur la base de la diffusion de Rayleigh et de balayage de longueur d&#39; onde interférométrie (SWI) 5-7. Des milliers de mesures de température peuvent être acquises le long d&#39;une seule fibre optique. Un capteur de température distribuée (DTS) peut couvrir de grands champs et la fonction flux dans des environnements qui ne sont pas adaptés pour les techniques basées sur l&#39; image 8. Il y a aussi DTSS basé sur Raman et Brillouin 9,10, mais les capteurs basés sur la diffusion Rayleigh et SWI offrent une résolution spatiale et temporelle plus approprié pour typiques des expériences de dynamique des fluides. Bien que la densité des données d&#39;offre DTSS bien au-delà des capteurs traditionnels tels que des thermocouples (TC), des capteurs à base de Rayleigh scatteanneau répondent à la souche ainsi que la température 11. Si le revêtement de fibre est hygroscopique, les capteurs répondent également à l&#39; humidité change 12,13. Absorption de vapeur d&#39;eau gonfle le revêtement tandis que la désorption se rétrécit , il 14 qui étend la fibre de verre sous - jacent , et modifie le signal. Par conséquent, la précision est influencée par la manipulation, des vibrations et des changements dans l&#39;humidité relative. Ceci est tout à fait différent des capteurs traditionnels et les méthodes d&#39;installation et de mesure afin non conventionnelles doivent être respectées pour obtenir des données précises. Cet article démontre l&#39;utilisation d&#39;un DTS dans une expérience de mélange thermique, présentant un protocole et des lignes directrices pour assurer l&#39;exactitude. DTS utilisées ici sont basées sur la détection et l&#39;analyse de la diffusion de Rayleigh dans un guide d&#39;ondes à fibre optique. Une distribution aléatoire des impuretés et des variations de structure le long du noyau de la fibre donne naissance à un motif de rétrodiffusion qui est unique à la fibre et généralement stable. Le spectre d&#39;amplitude etde ce modèle peut être lu pour servir de signature de la fibre. Les changements physiques tels que des changements ou de la souche température modifient la signature d&#39;une manière reproductible, et la détection de variations de signature est la base pour l&#39;utilisation de la fibre comme un capteur. La figure 1 illustre les composants principaux du dispositif de détection opto - électronique, appelé un interrogateur de capteur optique distribué et dénotées ici simplement &quot;interrogateur&quot;. Dans une technique connue sous le balayage de longueur d&#39; onde interférométrie, une faible puissance laser accordable lance un signal à bande étroite dans la fibre pour les fins de l&#39; enregistrement résultant rétrodiffusion 5-7. Le laser est balayé à travers un intervalle de quelques nanomètres et le signal divisé entre les branches de référence et de mesure. la lumière diffusée par le capteur est combiné avec le signal de référence pour générer des signaux d&#39;interférence sur les détecteurs. la sortie du détecteur est numérisé et analysé pour extraire le signal de diffusion de Rayleigh. Le Raylesignature aute des changements de capteurs en cas de température du capteur (contrainte, ou d&#39;humidité) les changements de longueur d&#39;onde. L&#39;amplitude de ce décalage de longueur d&#39;onde est liée à la sensibilité du capteur, ce qui est une constante physique associée au type de fibre, qui a un facteur d&#39;étalonnage analogue au coefficient de Seebeck d&#39;un CT. La figure 2 montre la cuve en verre qui sert de section d&#39;essai utilisé dans cette étude. La caméra derrière le réservoir donne une idée de l&#39;échelle. L&#39;air entre par deux canaux hexagonaux et se mélange avant de sortir par un évent. Pour mettre en évidence les jets, un courant d&#39;écoulement a été ensemencé avec brouillard d&#39;huile tandis que l&#39;autre est resté l&#39;air pur. Le couvercle du réservoir a une fenêtre recouverte d&#39;un écran de polymère noir. Bien que non visible sur la photo, le DTS est suspendu au-dessous de l&#39;écran noir. A 50 m de long DTS a été monté au- dessous du couvercle du réservoir , comme illustré sur la Fig. 3. Il a été façonné à partir de 155 um de diamètre des fibres optiques en polyimide revêtuet accroché à 127 um de diamètre de fil d&#39;acier tendu entre les panneaux d&#39;extrémité du réservoir. Le capteur a été tissé à travers le fil dans un motif alterné et en boucle avant et en arrière à travers le réservoir 49 fois. Elle couvre un plan de 0,5 x 0,8 m et génère 1.355 points indépendants de données à 4 Hz et une résolution spatiale de 30 mm, 4067 points de données lorsque suréchantillonné avec un espacement de 10 mm. Ces données de température haute densité complète des données de vitesse et augmente la valeur des ensembles de données pour la validation CFD. Le protocole décrit le processus de sélection du capteur, la fabrication et la configuration tout en se concentrant sur les préoccupations particulières à utiliser les DTS dans une expérience de la dynamique des fluides.

<table><tbody><tr><td>Interrogateur de capteurs</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-A et -B</td><td>Les deux systèmes diffèrent principalement par la vitesse et la résolution spatiale</td></tr><tr><td>Épissure par fusion</td><td>Fujikura</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>Couperet</td><td>Fujikura</td><td>CT-3A</td><td></td></tr><tr><td>Décapant de gaine 3 trous</td><td>Instrument de fibre Vente</td><td>F11301T</td><td></td></tr><tr><td>Fibres</td><td>optiques OFS, Division Photonique spécialisée</td><td>BF06160-02</td><td>Revêtement polyimide</td></tr><tr><td>Optique fibres</td><td>Newport Corp.</td><td>F-SM1500-4.2/50</td><td>Connecteur de revêtement acrylate</td></tr><tr><td></td><td>AFL Global</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>Terminaison fibre</td><td>OFS, Division Photonique Spécialisée</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

fibre optique capteurs distribués pour haute résolution cartographie des champs de température

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

La fiabilité de la dynamique des fluides (CFD) codes est vérifiée en comparant des simulations avec des données expérimentales. Un ensemble de données typique se compose principalement de la vitesse et de la température, les deux ayant idéalement une résolution spatiale et temporelle élevée pour faciliter la validation de code rigoureux. Bien que les données de vitesse de haute résolution est facilement obtenue grâce à des techniques de mesure optiques tels que l&#39;image de particules vélocimétrie, il a été difficile d&#39;obtenir des données de température avec une résolution similaire. capteurs traditionnels tels que les thermocouples ne peuvent pas remplir ce rôle, mais le développement récent de la détection distribuée basée sur la diffusion de Rayleigh et interférométrie balayé onde offre la résolution appropriée pour les travaux de validation du code CFD. Des milliers de mesures de température peuvent être générés sur une seule fibre optique mince à des centaines de Hertz. Capteurs fonctionnent sur de grandes plages de température et dans les fluides opaques où les techniques optiques ne sont pas adaptés. Mais ce type de capteurest sensible à la déformation et à l&#39;humidité ainsi que la température et ainsi la précision est affectée par la manipulation, les vibrations, et les changements dans l&#39;humidité relative. Un tel comportement est tout à fait à la différence des capteurs traditionnels et les procédures d&#39;installation et d&#39;exploitation de manière non conventionnelles sont nécessaires pour assurer des mesures précises. Ce document démontre la mise en œuvre d&#39;un capteur de température distribuée de diffusion de type Rayleigh dans une expérience de mélange thermique impliquant deux jets d&#39;air à 25 et 45 ° C. Nous présentons des critères pour guider le choix de la fibre optique pour le capteur et de décrire la configuration d&#39;installation pour une expérience jet de mélange. Nous illustrons baselining du capteur, qui relie les lectures à un niveau de température absolue, et de discuter de questions pratiques telles que les erreurs dues à l&#39;écoulement induite par les vibrations. Ce matériel peut aider les personnes intéressées par des mesures de température ayant une densité de données élevée et la bande passante pour la dynamique des fluides expériences et des applications similaires. Nous mettons en évidence les pièges spécifiques à ces capteurs pour consideration dans la conception et le fonctionnement expérience.

Les données brutes DTS est tracée sur la figure. 6 montrant AT mesuré à partir de la température de base (environ 20 ° C) en fonction de la distance le long du capteur. Les données sont &quot;brutes&quot; dans le sens où elle n&#39;a ni été convertie à la température absolue, ni mappé à des positions physiques dans la section d&#39;essai. Les données sont basées sur une longueur de jauge de 30 mm, ce qui fournit des 1.666 mesures indépendantes sur la longueur du capteur plein de 50 m. 30 mm de calibre est appliqué à des intervalles de 10 mm dans un mode de suréchantillonnage qui augmente le nombre de points de données à 5000. Une telle densité de données ne sont pas possible avec des capteurs classiques tels que TCs. A x = 0 sur la Fig. 6 le capteur est à l&#39;extrémité est de la cuve, et que x augmente , il revient en boucle et en arrière vers l&#39;extrémité ouest. Peaks se produisent lorsque le capteur passe au-dessus du jet d&#39;est chaud, puis se fanent où il est sur je ouest froidt. L&#39;intrigue illustre comment même le signal brut à partir d&#39;un seul DTS peut fournir une représentation de base de la température sur une assez large région. Notez le bruit du signal vers l&#39;extrémité ouest de la fibre, qui est due à des vibrations induites par l&#39;écoulement. Bien que la vibration était pas visible à l&#39;œil nu, il suffisait de dégrader le signal et nous voyons ce problème le plus souvent avec des capteurs longues (&gt; 10 m). Les données brutes sont mis en correspondance avec la section d&#39;essai sur la Fig. 7, qui montre la température à travers le plan de mesure de 0,5 x 0,8 m formé par la matrice DTS. Le point de vue est au-dessus du réservoir regardant vers le bas sur le couvercle. Les grandes lignes des canaux hexagonaux sont inclus comme une aide à l&#39;orientation. Le contour est basé sur 4067 points de données depuis les boucles enregistrées sous le couvercle sont exclus. interpolation linéaire entre des segments de capteur adjacents a été utilisé pour créer le contour 2D. the contour donne un sens clair du motif thermique sous le couvercle avec une région chaude sur le jet d&#39;est, mais pas centré autour d&#39;elle. Il est aussi évident une symétrie rugueuse autour du plan médian du réservoir, qui est y = 0 sur le terrain. Ce type de données de température est un complément utile à des données de vitesse dans la dynamique des fluides études impliquant un mélange thermique et transfert thermique. validation du code Rigoureuse nécessite de telles données à haute résolution pour les deux champs de température et de vitesse. Les mêmes données de capteurs peuvent être traités pour révéler l&#39;amplitude des fluctuations de température. Le RMS (Root Mean Square) du balayage ensemble de données de 2000 est tracée sur la figure 8. Magenta marque la région où les fluctuations de température sont relativement élevés. Ceci est également une région de forte turbulence où les deux jets interagissent comme la hausse des empiètent sur le couvercle. RMS données est utile pour la modélisation de la turbulence dans le contexte du mélange thermique. Figure 1. Interrogator schématique. Composants Principe de optique interrogateur de capteurs distribués pour les mesures de température. Le système est basé sur balayé longueur d&#39; onde interférométrie, qui caractérise la signature de Rayleigh de rétrodiffusion du capteur. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figure 2. Coupe d&#39;essai à jet d&#39; air de mélange expérience:. L&#39; air pénètre dans le réservoir à travers la base via deux conduits et les mélanges hexagonales avant de sortir par le haut évent. L&#39;écran noir recouvrant la fenêtre du couvercle est de 3 mm au- dessus des DTS (non visible). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>facilité cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figure 3. DTS configuration de montage. Vue de dessus de la cuve montrant DTS tissé entre les fils de support en acier tendus à travers le grand axe de la cuve. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figure 4. DTS close-up. Close-up photo de DTS avec vue depuis l&#39; intérieur du réservoir vers le haut à couvercle pour mettre en évidence les boucles de détection, l&#39; attachement et l&#39; emplacement du premier point de test pour être mappé avec le fer à souder. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette fi</a>gurer. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figure 5. signal de diffusion Rayleigh. Signal de diffusion de Rayleigh typique enregistré avec l&#39; utilitaire de configuration du capteur (capteur court montré ici pour plus de clarté). terminaison appropriée va générer baisse de signal forte au niveau de bruit. La légère étape du signal et la réflexion modeste au niveau du connecteur est caractéristique d&#39;un connecteur correctement épissé. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figure 6. Les données brutes DTS. Une analyse simple des données DTS premières avec le jet est chaude à 45 ° C et le froid jet ouest à 25 ° C Peaks se produisent lorsque le capteur est directement<html> dessus jet chaud. Rappelons que le capteur est en boucle et - vient entre les parois du réservoir. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figure 7. La température mesurée de l&#39; air en dessous de couvercle. DTS données brutes converties en température absolue et cartographiés à la position physique dans le réservoir. Les données sur la base de 2000 scans enregistrés à 4 Hz. l&#39;espacement des données de 10 mm pour un total de 4067 points de données tracés. L&#39;interpolation linéaire utilisé pour remplir les régions entre les segments de capteurs. Hexagones montrent les positions des entrées. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figure 8. Moyenne quadratique (RMS) de la température mesurée. RMS de données représentées sur la figure. 7. Magenta indique les variations de température élevée et un mélange de jets thermiques chauds et froids. Hexagones montrent les positions des entrées. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Tableau 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tableau 1. Ordre du temps de réponse thermique de grandeur pour les types de fibres sélectionnés et des configurations de logement en écoulement transversal à 1 m / s et 20 ° C. <img alt="Tableau 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tableau 2. approximatives des limites de température de fonctionnement et des sensibilités d&#39;humidité pour les configurations de revêtement sélectionnés.

Nous démontrons l&#39;utilisation d&#39;un capteur à fibre optique distribué pour cartographier le domaine de mélange des jets d&#39;air de température. Le capteur basé sur la diffusion Rayleigh génère des milliers de points de données le long d&#39;une seule fibre pour fournir une résolution spatiale exceptionnelle qui est impossible à atteindre avec les capteurs traditionnels tels que des thermocouples.

Fibre optique Capteurs distribués pour haute résolution cartographie des champs de température

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

L'objectif général de cette expérience est de fournir des données haute résolution sur le champ d'écoulement afin de valider les codes informatiques de dynamique des fluides numériques, en vérifiant leur capacité à simuler précisément le transfert de chaleur dans les écoulements turbulents. Cette technique de mesure avancée de la température peut générer des milliers de points de données le long d'un capteur unique fabriqué à partir d'une fibre de télécommunication commerciale. Elle est capable de fournir une densité de données largement supérieure à celle des capteurs traditionnels comme les thermocouples.Mais contrairement aux thermocouples, ces capteurs à fibres optiques sont sensibles à la contrainte ainsi qu'à la température. Ainsi, la manipulation, les vibrations et les variations d'humidité influencent le signal de température. La sensibilité à la contrainte est très différente de celle des capteurs traditionnels.Et l'obtention de données précises nécessite des procédures et des pratiques opérationnelles particulières que nous allons démontrer ici. Le capteur de température distribué, ou DTS, sera mis en œuvre à l'aide de cette section de test. Il s'agit d'un réservoir en verre auquel sont fixés à la base deux conduits d'air hexagonaux.L'air s'échappe par une ouverture située en haut après avoir été mélangé à l'intérieur. À l'intérieur du panneau supérieur, un écran en polymère noir se trouve au niveau du DTS. Accédez à l'intérieur de la section d'essai en retirant les panneaux situés en haut et sur le côté.Disposés en travers de la partie supérieure de la section de test, des fils d'acier présentent un pas de 20 millimètres. Au-dessus de la zone de mesure, les fils supportent la fibre optique du capteur de température distribué. Les fibres optiques s'étendent perpendiculairement aux fils d'acier et sont espacées de 10 millimètres.Le début du DTS dispose d'environ un mètre de fibre réservé pour l'épissage et la terminaison. Les segments sont tissés à travers les fils adjacents d'un côté de la zone de mesure à l'autre. La fibre est bouclée pour amorcer le segment adjacent, et les extrémités sont fixées à la section d'essai à l'aide de ruban adhésif.Il s'agit d'un schéma de la disposition finale de la section d'essai vue d'en haut. Les fils d'acier couvrent une zone incluant les conduits. La fibre du capteur de température distribué est tissée à travers les fils dans la zone située au-dessus des conduits.Pour tisser la fibre optique du DTS, suivez ces étapes. Commencez par une bobine de 50 mètres de fibre et déroulez suffisamment de fibre pour créer une réserve destinée à l'épissage à un connecteur à l'extérieur du réservoir. Fixez la fibre au-delà de cette réserve sur le couvercle de la section d'essai.Ensuite, déroulez environ un demi-mètre de fibre qui servira à démarrer les premiers nouveaux segments de capteur. Placez quelques centaines de millimètres de fibre sur la grille métallique et formez une boucle. Commencez à tisser la boucle à travers les fils de support en alternant au-dessus et en dessous des fils adjacents.Lorsque l'extrémité opposée du réservoir est atteinte, la fibre du premier segment de deux capteurs est prête à être fixée avec du ruban adhésif. Tirez le premier segment afin de le tendre et fixez-le en place sur la face inférieure du couvercle. Une règle collée sur le couvercle sert à indiquer la position et à contrôler l'espacement des segments.Nous voulons que ce soit suffisamment tendu pour rester en place pendant l'écoulement, mais pas trop tendu au point que la déformation dans la section de test n'étire le capteur et provoque une erreur de mesure. Formez maintenant une boucle d'environ 30 millimètres de diamètre dans la partie non fixée de la fibre, puis fixez-la avec du ruban adhésif à 10 millimètres du premier segment. Fixez l'autre extrémité du deuxième segment sur le couvercle du réservoir.Déroulez environ un demi-mètre de fibre pour commencer la paire suivante de segments capteurs. Répétez les étapes utilisées pour les deux premiers segments détecteurs afin de créer des paires supplémentaires. Une fois le réseau de détection en place, raccordez un connecteur à l'extrémité de la fibre.Branchez le capteur au câble de délai jaune qui reliera le capteur à l'interrogateur. Connectez le câble de délai à l'interrogateur et terminez les étapes de configuration. L'interrogateur de capteur est basé sur l'interférométrie rapide par longueur d'onde.Un laser à diode accordable de faible puissance envoie un signal à bande étroite dans la fibre. Le laser est balayé sur plusieurs nanomètres, et le signal est divisé entre les branches de référence et de mesure. La lumière diffusée provenant du capteur est combinée avec le signal de référence afin de générer des signaux d'interférence au niveau des détecteurs.La sortie du détecteur est utilisée pour récupérer le signal de diffusion dû au relâchement. Les positions des capteurs doivent maintenant être cartographiées. Pour ce faire, reliez un fer à souder à un transformateur variable réglé à environ 40 pour cent.Au niveau de l'ordinateur, utilisez le logiciel de l'interrogateur pour afficher en temps réel les données à l'écran. Prenez le fer à souder et approchez-le du début du premier segment du capteur, maintenez le fer près du capteur et touchez brièvement son point d'extrémité. Au niveau de l'ordinateur, arrêtez l'acquisition des données pour figer le pic.Ensuite, effectuez un zoom sur la pointe de température pour enregistrer la position du pic et l'emplacement physique. Recueillez les données de la même manière pour les points de départ et d'arrivée de chaque segment. Après avoir cartographié les positions des capteurs, préparez un ou plusieurs étalons de température.Dans ce cas, utilisez le thermocouple pour la tâche. Sélectionnez une région dans la zone de mesure du DTS. Montez le thermocouple près de la fibre du DTS.Après avoir terminé les travaux à l'intérieur, refermez le réservoir en remettant toutes les plaques en place. Ensuite, enveloppez le réservoir avec un type d'isolation quelconque. Une fois enveloppé, laissez reposer suffisamment longtemps pour établir une atmosphère isotherme autour du capteur.Lorsque le système est prêt, lancez le logiciel de l'interrogateur et commencez les mesures. Pour obtenir la ligne de base, arrêtez d'abord la mesure. Ensuite, sélectionnez la ligne de base et saisissez un nom de fichier dans le champ prévu à cet effet.Sélectionnez une plage de mesure et cliquez sur OK pour démarrer le processus de ligne de base. Enregistrez simultanément la lecture de température du thermocouple à des fins d'étalonnage. Une fois que le logiciel a terminé la ligne de base, passez en mode mesure.Le signal doit maintenant être nul sur toute la longueur du capteur et ne pas dériver au fil du temps si le système se trouve dans un état thermiquement stable. À ce stade, accédez aux commandes de débit et de chauffage pour vous préparer à une expérience. Avec le flux d'air activé, ajustez les débits dans les canaux afin qu'ils correspondent.Régler le contrôleur de puissance pour chauffer un jet et établir la différence de température souhaitée entre les jets. Revenir au système après qu'il ait fonctionné toute la nuit pour atteindre l'équilibre. Examiner le signal DTS en temps réel pour évaluer les niveaux de bruit et choisir la longueur de jauge appropriée.Utilisez le système de température distribué pour enregistrer 2000 balayages à 4 hertz. Il s'agit de données brutes de la différence de température mesurée par rapport à la température de référence. L'extrémité gauche de l'axe horizontal correspond à un segment de fibre situé à la limite du système, désigné comme l'extrémité est.En se déplaçant vers la droite, la fibre fait des allers-retours en direction de l'extrémité ouest. Des pics apparaissent là où le capteur se trouve directement au-dessus du jet chaud. Le bruit à l'extrémité ouest est dû aux vibrations induites par l'écoulement.Ici, les données brutes sont mappées sur des positions dans la section de test. Le point de vue est situé au-dessus du plan de mesure de la matrice DTS. Les contours des canaux hexagonaux correspondent à une orientation de A à.L'interpolation linéaire entre les points de données permet de créer une carte de contour thermique en deux dimensions afin de visualiser le motif thermique sous le couvercle. La zone rouge indique une région chaude située au-dessus du jet oriental, mais non centrée sur celui-ci. Les données du capteur peuvent également être utilisées pour cartographier la moyenne quadratique des fluctuations de température.La région magenta correspond à une zone de fortes fluctuations de température et de forte turbulence, où les deux jets ascendants interagissent en heurtant le couvercle. Nous avons vu comment un capteur unique à fibre optique, fondé sur la diffusion de Rayleigh, peut produire des milliers de mesures de température afin de fournir une image détaillée du champ complet, image impossible à obtenir avec des thermocouples. Pour garantir la précision des mesures, accordez toujours une attention particulière au contrôle de la déformation après l'établissement de la ligne de base et minimisez les vibrations induites par l'écoulement grâce à une conception réfléchie de la configuration de support du capteur.Cette technique de détection distribuée offre de nouvelles possibilités pour les mesures de température dans les fluides opaques et d'autres applications incompatibles avec les techniques optiques fondées sur des lasers et des caméras.

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