חיישני סיבים אופטיים מבוזרת עבור מיפוי שדה הטמפרטורה גבוהה ברזולוציה
7 בנובמבר 2016
אנו מדגימים שימוש בחיישן מופץ סיבים אופטיים למיפוי שדה הטמפרטורה של ערבוב מטוסי אוויר. חיישן הפיזור מבוסס ריילי מייצר אלף נקודות נתונים לאורך סיב בודד לספק רזולוציה מרחבית חריגה היא בלתי ניתן להשגה עם חיישנים מסורתיים כגון צמדים.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לספק נתוני שדה זרימה ברזולוציה גבוהה כדי לאמת קודי מחשב של דינמיקת נוזלים חישובית, ולבדוק את יכולתם לדמות במדויק העברת חום בזרימות סוערות. טכניקת מדידת טמפרטורה מתקדמת זו יכולה ליצור אלפי נקודות נתונים לאורך חיישן יחיד העשוי מסיבי טלקום מסחריים. הוא מסוגל לספק צפיפות נתונים שהיא הרבה מעבר לחיישנים מסורתיים כמו צמדים תרמיים.
אך בניגוד לצמדים תרמיים, חיישני סיבים אופטיים אלה רגישים למתח כמו גם לטמפרטורה. אז טיפול, רטט ושינויים בלחות משפיעים על אות הטמפרטורה. רגישות המתח אינה דומה לחיישנים מסורתיים.
והשגת נתונים מדויקים, דורשת נהלי הפעלה ונהלים מיוחדים שנדגים כאן. חיישן הטמפרטורה המבוזר, או DTS יודגם באמצעות סעיף בדיקה זה. זהו מיכל זכוכית עם שתי תעלות אוויר משושה המחוברות לבסיס.
האוויר יוצא דרך פתח אוורור בחלקו העליון לאחר ערבוב הפנים. בחלק הפנימי של הפאנל העליון, מסך פולימרי שחור מעל מיקום ה- DTS. גש לחלק הפנימי של קטע הבדיקה על ידי הסרת לוחות בחלק העליון ובצד.
מתוח על פני החלק העליון של קטע הבדיקה, חוט פלדה עם גובה של 20 מילימטר. מעל שטח המדידה, החוטים תומכים בסיב האופטי, של חיישן הטמפרטורה המבוזר. הסיבים האופטיים עוברים בניצב לחוט הפלדה ומרוחקים 10 מילימטרים זה מזה.
בתחילת ה-DTS יש בערך מטר סיבים השמור לשחבור ולסיום הקצה. קטעים נארגים דרך חוטים סמוכים מצד אחד של אזור המדידה לצד השני. הסיב מסובך להיות הקטע הסמוך והקצוות מאובטחים לקטע הבדיקה בעזרת סרט.
זוהי סכימה של פריסת קטע המבחן הסופי מלמעלה. חוטי הפלדה מכסים אזור הכולל את התעלות. הסיב של חיישן הטמפרטורה המבוזר שזור דרך החוטים באזור מעל התעלות.
כדי לארוג את הסיב האופטי של ה-DTS, בצע את השלבים הבאים. התחל עם סליל סיבים באורך 50 מטר, ושחרר את הסליל מספיק כדי ליצור את השמורה לשחבור למחבר מחוץ למיכל. עוגן את הסיב מעבר לשמורה למכסה קטע הבדיקה.
לאחר מכן, פרקו כחצי מטר של סיבים שישמשו להפעלת מקטעי החיישנים החדשים הראשונים. הניחו כמה מאות מילימטרים של סיבים על רשת התיל ועצבו אותה ללולאה. אריגת הלולאה דרך חוטי התמיכה לסירוגין בין מעבר מעל ומתחת לחוטים סמוכים.
כאשר מגיעים לצד הנגדי של המיכל, הסיב עבור שני מקטעי החיישן הראשונים מוכן להדבקה למקומו. משוך את הקטע הראשון מתוח והדביק אותו למקומו בצד התחתון של המכסה. סרגל המודבק למכסה משמש לציון מיקום ושליטה במרווח הקטעים.
אנו רוצים שזה מתוח מספיק כדי שיישאר במקומו במהלך הזרימה אך לא כל כך מתוח שעיוות בקטע הבדיקה מאמץ את החיישן וגורם לשגיאת מדידה. כעת, צרו לולאה בקוטר של כ-30 מילימטרים בחלק הלא מעוגן של הסיב והדביקו אותה 10 מילימטרים מהקטע הראשון. עוגן את הקצה השני של הקטע השני למכסה המיכל.
פרקו כחצי מטר של סיבים כדי להתחיל את זוג מקטעי החיישן הבא. חזור על השלבים המשמשים עבור שני מקטעי הגלאי הראשונים כדי ליצור זוגות מקטעים נוספים. כאשר מערך החישה במקומו, חבר מחבר לקצה הסיב.
חבר את החיישן לכבל ההשהיה הצהוב שיקשר את החיישן לחוקר. חבר את כבל ההשהיה לחוקר והשלם את שלבי התצורה. חוקר החיישנים מבוסס על אינטרפרומטריה מהירה של אורכי גל.
לייזר דיודה מתכוונן בהספק נמוך שולח אות פס צר לתוך הסיב. הלייזר נסחף על פני מספר ננומטרים, והאות מפוצל בין רגלי ייחוס ומדידה. אור מפוזר מהחיישן, משולב עם אות הייחוס, כדי ליצור אותות הפרעה בגלאים.
פלט הגלאי משמש לאחזור אות פיזור השחרור. כעת יש למפות את מיקומי החיישן. לשם כך, חבר מלחם לשנאי משתנה, המוגדר לכ- 40 אחוז.
במחשב, השתמש בתוכנת החוקר כדי להציג נתונים חיים על המסך. קח את המגהץ והתקרב לתחילת הקטע הראשון של החיישן, החזק את המגהץ ליד החיישן וגע בו בקצרה עד לנקודת הסיום. במחשב, הפסק את איסוף הנתונים כדי להקפיא את השיא.
לאחר מכן התקרב לעליית הטמפרטורה כדי לתעד את מיקום השיא ואת המיקום הפיזי. אסוף נתונים באותו אופן עבור נקודות ההתחלה והסיום של כל מקטע. לאחר מיפוי מיקומי החיישן, הכינו תקן טמפרטורה אחד או יותר.
במקרה זה, השתמש בצמד התרמי למשימה. בחר אזור באזור המדידה של ה-DTS. התקן את הצמד התרמי ליד סיב ה- DTS.
לאחר סיום העבודה בפנים, סגור את המיכל על ידי החזרת כל הפאנלים למקומם. המשך בעטיפת המיכל בצורה כלשהי של בידוד. לאחר העטיפה, הניחו לו לשבת מספיק זמן כדי ליצור אווירה איזותרמית סביב החיישן.
כשהמערכת מוכנה, הפעל את תוכנת החוקר והתחל במדידות. כדי לקבל את קו הבסיס, תחילה עצור את המדידה. לאחר מכן בחר תוכנית בסיסית והזן שם קובץ בשדה שסופק.
בחר טווח מדידה ולחץ על אישור כדי להיות תהליך הבסיס. הקלט בו זמנית את קריאת טמפרטורת הצמד התרמי לכיול. לאחר שהתוכנה השלימה את קו הבסיס, עבור למצב המדידה.
האות צריך להיות כעת אפס לכל אורך החיישן ולא להיסחף שעות נוספות אם המערכת שלה במצב יציב מבחינה תרמית. בשלב זה, עבור אל בקרות הזרימה והחימום כדי להתכונן לריצה. כאשר זרימת האוויר פועלת, התאם את קצבי הזרימה בערוצים כך שיתאימו.
כוונן את בקר הכוח כדי לחמם סילון אחד ולקבוע את הטמפרטורה ההפרש הרצויה בין הסילונים. חזור למערכת לאחר שהיא פעלה במהלך הלילה כדי להגיע לשיווי משקל. בדוק את אות ה-DTS החי כדי לגשת לרמות הרעש ובחר את אורך המד המתאים.
השתמש במערכת הטמפרטורה המבוזרת כדי לרשום 2000 סריקות ב-4 הרץ. אלה נתונים גולמיים של הפרש הטמפרטורה הנמדד מטמפרטורת הבסיס. הקצה השמאלי של הציר האופקי מתאים לקטע סיבים בגבול המערכת המסומן כקצה המזרחי.
בתנועה ימינה, הסיב מסתובב קדימה ואחורה לכיוון הקצה המערבי. שיאים מתרחשים כאשר החיישן נמצא ישירות מעל הסילון החם. הרעש לכיוון הקצה המערבי נובע מרטט הנגרמת על ידי זרימה.
כאן, הנתונים הגולמיים ממופים למיקומים בסעיף הבדיקה. נקודת המבט היא מעל מישור המדידה במערך ה-DTS. קווי המתאר של הערוצים המשושים הם כיוון A ל.
אינטרפולציה ליניארית בין נקודות הנתונים מאפשרת יצירת מפת מתאר טמפרטורה דו-ממדית כדי לספק תחושה של הדפוס התרמי מתחת למכסה. האזור האדום מציין אזור חם מעל הסילון המזרחי אך לא מרוכז בו. ניתן להשתמש בנתוני החיישן גם כדי למפות את הריבוע הממוצע של המסלול של תנודות הטמפרטורה.
אזור המג'נטה הוא אזור של תנודות טמפרטורה גבוהות ומערבולות גבוהות שבו שני הסילונים העולים מתקשרים כשהם מתנגשים במכסה. ראינו כיצד חיישן סיב אופטי יחיד, המבוסס על פיזור ריילי, יכול לייצר אלפי מדידות טמפרטורה כדי לספק תמונה מפורטת של השדה המלא שלא ניתן יהיה להשיג עם צמדים תרמיים. כדי להבטיח דיוק מדידה, הקדישו תמיד תשומת לב מיוחדת לבקרת מתח לאחר קו הבסיס ולמזער רעידות הנגרמות על ידי זרימה באמצעות תכנון מתחשב של תצורת תמיכת החיישן.
טכניקת חישה מבוזרת זו מספקת אפשרויות חדשות למדידות טמפרטורה בנוזלים אטומים ויישומים אחרים שאינם מתאימים לטכניקות אופטיות המסתמכות על לייזרים ומצלמות.
סקירה כללית
המחקר הזה מדגים את השימוש בחיישן סיב אופטי מבוזר למיפוי שדה הטמפרטורה של סילוני אוויר מתערבלים. החיישן משתמש בפיזור ריילי כדי ליצור אלפי נקודות נתונים לאורך סיב בודד, ומשיג רזולוציה מרחבית יוצאת מן הכלל בהשוואה לחיישנים מסורתיים.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- דינמיקה של זורמים
- טכניקות מדידת טמפרטורה
רקע
- נתוני שדה זרימה ברזולוציה גבוהה הם חיוניים לאימות קודי דינמיקה של זורמים ממוחשבים.
- חיישנים מסורתיים כמו צמדי תרמו מעניקים צפיפות נתונים מוגבלת.
- חיישני סיב אופטי רגישים הן למאמץ והן לטמפרטורה.
- נהלים מיוחדים נדרשים לאיסוף נתונים מדויק.
מטרת המחקר
- לאימות סימולציות דינמיקה של זורמים ממוחשבות של העברת חום בזרימות טורבולנטיות.
- להדגים את ההתקנה והפעולה של חיישן טמפרטורה מבוזר (DTS).
- להשוות את הביצועים של חיישני סיב אופטי לשיטות מסורתיות של מדידת טמפרטורה.
שיטות ששימשו
- בניית קטע בדיקה עם תעלות אוויר משושות לסילוק סילוני אוויר.
- אריגת סיבים אופטיים דרך חוטי תמיכה ליצירת מערך חיישנים.
- שימוש בשואל חיישן מבוסס לייזר למדידת נתוני טמפרטורה.
- מיפוי עמדות חיישנים וכיול עם צמדי תרמו.
תוצאות עיקריות
- החיישן האופטי הסיבי סיפק נתוני טמפרטורה בצפיפות גבוהה על פני אזור המדידה.
- מיפוי מדויק של עמדות החיישנים הושג באמצעות חשמל ותוכנה.
- מדידות בסיס הראו תנאים תרמיים יציבים במהלך הניסויים.
- בקרות זרימה וחימום הקימו בהצלחה את הפרשי הטמפרטורה הרצויים.
מסקנות
- חיישנים מבוזרים אופטי-סיביים מציעים יתרונות משמעותיים על פני צמדי תרמו מסורתיים.
- יש צורך בטכניקות מיוחדות כדי למתן את השפעות המאמץ על המדידות.
- שיטה זו משפרת את ההבנה של העברת חום בזרימה טורבולנטית.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
High-resolution temperature field mapping using fiber optic distributed sensors enables rigorous validation of computational fluid dynamics (CFD) models, which are critical for predictive process development in biopharma R&D. The ability to generate thousands of spatially resolved temperature data points supports mechanistic de-risking and enhances confidence in simulation-driven decision making. This capability is particularly relevant for optimizing complex fluid handling, mixing, and thermal control in bioprocessing environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of thermal gradients in experimental systems relevant to process development.
- Supports mechanistic de-risking by providing high-density data for validating heat transfer models.
- Improves predictive confidence in simulation-based process optimization.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated thermal environments for downstream assay workflows.
- Enables reproducible and quantitative temperature mapping across complex geometries.
- Supports standardization of thermal control in high-throughput screening platforms.
Translational & Preclinical Research
- Provides continuity from discovery-scale thermal mapping to pilot and preclinical process validation.
- Enables risk-adjusted advancement of process designs based on robust thermal data.
- Supports alignment of experimental conditions with translational process requirements.
Pipeline & Workflow Integration
This distributed sensing method integrates into the process development continuum, from early discovery through scale-up and preclinical validation, wherever precise thermal mapping is required.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling accurate thermal environment characterization.
- Screening: Provides reproducible, high-density temperature data for assay standardization and scalability.
- Analytics: Delivers quantitative outputs and spatially resolved measurements for robust comparison of process conditions.
- Translational Research: Bridges laboratory-scale findings to preclinical process validation through consistent thermal mapping.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for high-resolution temperature monitoring across diverse experimental setups.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in process modeling.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable temperature measurement capabilities.
- Strategic Value: Informs better go/no-go decisions and improves capital efficiency by reducing late-stage process risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of process development candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fiber optic sensor installation and calibration.
- Demands specialized instrumentation for Rayleigh scattering and interferometric analysis.
- Necessitates cross-team standardization of handling and environmental controls to ensure data integrity.
- Adaptation across different model systems may require custom support structures and baseline procedures.
- Accuracy is sensitive to strain, vibration, and humidity, necessitating careful experimental design and operation.
