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

L’objectif global de cette expérience est de fournir des données de champ d’écoulement à haute résolution pour valider les codes informatiques de dynamique des fluides numérique, en vérifiant leur capacité à simuler avec précision le transfert de chaleur dans les écoulements turbulents. Cette technique avancée de mesure de la température peut générer des milliers de points de données le long d’un seul capteur en fibre de télécommunications commerciales. Il est capable de fournir une densité de données bien supérieure à celle des capteurs traditionnels tels que les thermocouples.

Mais contrairement aux thermocouples, ces capteurs à fibre optique sont sensibles à la contrainte ainsi qu’à la température. Ainsi, la manipulation, les vibrations et les changements d’humidité influencent le signal de température. La sensibilité à la déformation est assez différente des capteurs traditionnels.

Et l’obtention de données précises nécessite des procédures et des pratiques d’exploitation spéciales que nous allons démontrer ici. Le capteur de température distribué, ou DTS, sera démontré à l’aide de cette section de test. Il s’agit d’un réservoir en verre avec deux conduits d’air hexagonaux fixés à la base.

L’air sort par un évent en haut après avoir mélangé l’intérieur. À l’intérieur du panneau supérieur, se trouve un écran en polymère noir au-dessus de l’emplacement du DTS. Accédez à l’intérieur de la section d’essai en retirant les panneaux en haut et sur les côtés.

Sur le dessus de la section d’essai, on trouve un fil d’acier au pas de 20 millimètres. Sur la zone de mesure, les fils supportent la fibre optique, du capteur de température distribué. Les fibres optiques sont perpendiculaires au fil d’acier et sont espacées de 10 millimètres.

Le début du DTS a environ un mètre de fibre réservé pour l’épissage et la terminaison finale. Les segments sont tissés à travers des fils adjacents d’un côté à l’autre de la zone de mesure. La fibre est bouclée pour être le segment adjacent et les extrémités sont fixées à la section de test avec du ruban adhésif.

Il s’agit d’un schéma de la disposition finale de la section d’essai vue ci-dessus. Les fils d’acier couvrent une région qui comprend les conduits. La fibre du capteur de température distribué est tissée à travers les fils dans la zone au-dessus des conduits.

Pour tisser la fibre optique du DTS, suivez ces étapes. Commencez avec une bobine de fibre de 50 mètres et déroulez-la suffisamment pour créer la réserve pour l’épissage à un connecteur à l’extérieur du réservoir. Ancrez la fibre au-delà de la réserve au couvercle de la section de test.

Ensuite, déroulez environ un demi-mètre de fibre qui sera utilisé pour démarrer les premiers nouveaux segments de capteurs. Posez quelques centaines de millimètres de fibre sur le treillis métallique et façonnez-le en une boucle. Tisser la boucle à travers les fils de support en alternant entre le passage au-dessus et en dessous des fils adjacents.

Lorsque le côté opposé du réservoir est atteint, la fibre des deux premiers segments du capteur est prête à être collée en position. Tirez le premier segment tendu et collez-le en position sur la face inférieure du couvercle. Une règle collée sur le couvercle est utilisée pour indiquer la position et contrôler l’espacement des segments.

Nous voulons qu’il soit suffisamment tendu pour qu’il reste en position pendant l’écoulement, mais pas au point que la déformation au niveau de la section d’essai sollicite le capteur et provoque une erreur de mesure. Maintenant, formez une boucle d’environ 30 millimètres de diamètre dans la partie non ancrée de la fibre et collez-la à 10 millimètres du premier segment. Ancrez l’autre extrémité du deuxième segment au couvercle du réservoir.

Déroulez environ un demi-mètre de fibre pour commencer la paire suivante de segments de capteur. Répétez les étapes utilisées pour les deux premiers segments de détecteur afin de créer des paires de segments supplémentaires. Une fois le réseau de détection en place, épissez un connecteur à l’extrémité de la fibre.

Branchez le capteur dans le câble de retard jaune qui reliera le capteur à l’interrogateur. Connectez le câble de retard à l’interrogateur et terminez les étapes de configuration. L’interrogateur de capteur est basé sur l’interférométrie de longueur d’onde rapide.

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 réparti entre les jambes de référence et de mesure. La lumière diffusée par le capteur est combinée au signal de référence, pour générer des signaux d’interférence au niveau des détecteurs.

La sortie du détecteur est utilisée pour récupérer le signal de diffusion de relâchement. Les positions des capteurs doivent maintenant être cartographiées. Pour ce faire, connectez un fer à souder à un transformateur variable, réglé à environ 40 %.

Sur l’ordinateur, utilisez le logiciel d’interrogation pour afficher les données en direct à l’écran. Prenez le fer à souder et approchez-vous du début du premier segment du capteur, tenez le fer près du capteur et touchez-le brièvement jusqu’au point final. Au niveau de l’ordinateur, arrêtez l’acquisition de données pour figer le pic.

Zoomez ensuite sur le pic de température pour enregistrer la position du pic et l’emplacement physique. Collectez 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 de l’EFT. Montez le thermocouple près de la fibre du DTS.

Une fois les travaux terminés à l’intérieur, fermez le réservoir en remettant tous les panneaux à leur place. Continuez en enveloppant le réservoir dans une forme d’isolant. Une fois enveloppé, laissez-le reposer suffisamment longtemps pour établir une atmosphère isotherme autour du capteur.

Lorsque le système est prêt, démarrez le logiciel de l’interrogateur et commencez les mesures. Pour obtenir la ligne de base, arrêtez d’abord la mesure. Sélectionnez ensuite Ligne de base et entrez un nom de fichier dans le champ prévu à cet effet.

Sélectionnez une plage de mesure et cliquez sur OK pour être le processus de référence. Enregistrez simultanément la lecture de la température du thermocouple pour l’étalonnage. Une fois que le logiciel a terminé la ligne de base, passez en mode de mesure.

Le signal doit maintenant être nul sur toute la longueur du capteur et ne pas dériver au fil du temps si le système est dans un état thermiquement stable. À ce stade, passez aux commandes de débit et de chauffage pour vous préparer à une course. Avec le débit d’air activé, ajustez les débits dans les canaux en conséquence.

Ajustez le contrôleur de puissance pour chauffer un jet et établissez la température différentielle souhaitée entre les jets. Revenez au système après qu’il ait fonctionné toute la nuit pour atteindre l’équilibre. Examinez le signal DTS en direct pour accéder aux niveaux de bruit et choisissez la longueur de jauge appropriée.

Utilisez le système de température distribuée 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 à la limite du système désignée par l’extrémité est.

En se déplaçant vers la droite, la fibre s’enroule d’avant en arrière vers l’extrémité ouest. Les pics se produisent lorsque le capteur se trouve directement au-dessus du jet chaud. Le bruit vers l’extrémité ouest est dû aux vibrations induites par l’écoulement.

Ici, les données brutes sont mises en correspondance avec les positions dans la section de test. Le point de vue est au-dessus de la plaine de mesure sur le réseau DTS. Les contours des canaux hexagonaux sont orientés de A.

L’interpolation linéaire entre les points de données permet de créer une carte des contours de température en 2D pour donner une idée du motif thermique sous le couvercle. La zone rouge indique une région chaude au-dessus du jet est mais non centrée sur celle-ci. Les données du capteur peuvent également être utilisées pour cartographier le carré moyen de l’itinéraire des fluctuations de température.

La région magenta est celle de fortes fluctuations de température et de fortes turbulences où les deux jets ascendants interagissent lorsqu’ils entrent en collision avec le couvercle. Nous avons vu comment un seul capteur à fibre optique, basé sur la diffusion de Rayleigh, peut générer des milliers de mesures de température pour fournir une image détaillée du champ complet qui serait impossible à obtenir avec des thermocouples. Pour garantir la précision de la mesure, accordez toujours une attention particulière au contrôle de la déformation après la ligne de base et minimisez les vibrations induites par l’écoulement grâce à une conception réfléchie de la configuration du 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 inadaptées aux techniques optiques qui reposent sur des lasers et des caméras.