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 לצורך תיקוף קודי מחשב של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD), ובדיקת יכולתם לסמלץ במדויק מעבר חום בזרימות טורבולנטיות. טכניקה מתקדמת זו למדידת טמפרטורה יכולה להפיק אלפי נקודות נתונים לאורך חיישן בודד העשוי מסיב תקשורת מסחרי. היא מסוגלת לספק צפיפות נתונים העולה בהרבה על זו של חיישנים מסורתיים כגון צמדים תרמיים.
אך בניגוד לצמדים תרמיים, חיישני סיב אופטי אלו רגישים למאמץ כמו גם לטמפרטורה. לכן, טיפול, רטט ושינויים בלחות משפיעים על אות הטמפרטורה. הרגישות למאמץ שונה לחלוטין מזו של חיישנים מסורתיים.
וקבלת נתונים מדויקים מחייבת נהלי תפעול ופרקטיקות מיוחדים אותם נדגים כאן. חיישן הטמפרטורה המפוזר, או DTS, יודגם באמצעות מקטע בדיקה זה. זהו מיכל זכוכית עם שני תעלות אוויר משושה המחוברות לבסיס.
האוויר יוצא דרך פתח אוורור בחלק העליון לאחר ערבוב בחלל הפנימי. בחלק הפנימי של הפאנל העליון, נמצא מסך פולימר שחור מעל מיקומו של ה-DTS. ניתן לגשת לחלק הפנימי של מקטע הבדיקה על ידי הסרת הפאנלים העליונים והצדדיים.
חוטי פלדה עם פסיעה של 20 millimeter נמתחים לאורך החלק העליון של מקטע הבדיקה. מעל אזור המדידה, החוטים תומכים בסיב האופטי של חיישן הטמפרטורה המבוזר. הסיבים האופטיים עוברים בניצב לחוטי הפלדה ובמרווחים של 10 millimeters זה מזה.
בתחילת ה-DTS שוריין סיב באורך של כמעט מטר לצורך חיבור (splicing) וסגירה של הקצה. המקטעים נשזרו דרך חוטים סמוכים מצד אחד של אזור המדידה לצדו השני. הסיב מקופל בלולאה כדי להתחיל את המקטע הסמוך, והקצוות מקובעים למקטע הבדיקה באמצעות סרט דביק.
זהו תרשים של פריסת מקטע הבדיקה הסופי במבט מלמעלה. חוטי הפלדה מכסים אזור הכולל את התעלות. הסיב של חיישן הטמפרטורה המפוזר שזור בין החוטים באזור שמעל התעלות.
כדי לשזור את הסיב האופטי של ה-DTS, בצעו את השלבים הבאים. התחילו עם סליל סיב באורך 50 מטרים, ופרו ממנו כמות מספיקה ליצירת רזרבה לצורך חיבור למחבר מחוץ למכל. עגנו את הסיב, מעבר לרזרבה, למכסה של מקטע הבדיקה.
בשלב הבא, פתחו כחצי מטר של סיב שישמש לתחילת מקטעי החיישן החדשים הראשונים. הניחו כמה מאות מילימטרים של סיב על רשת התיל ועצבו אותו לצורת לולאה. התחילו לשזור את הלולאה דרך תלי התמיכה, תוך מעבר לסירוגין מעל ומתחת לתליים סמוכים.
כאשר מגיעים לצדו השני של המיכל, הסיב עבור שני מקטעי החיישן הראשונים מוכן להדבקה במיקומו. מתוחים את המקטע הראשון ומדביקים אותו לצדו התחתון של המכסה. סרגל המודבק למכסה משמש לסימון המיקום ולבקרת המרווחים בין המקטעים.
עלינו למתוח את הסיב מספיק כדי שיישאר במקומו במהלך הזרימה, אך לא עד כדי כך שדפורמציה במקטע הבדיקה תפעיל מאמץ על החשבון ותגרום לשגיאת מדידה. כעת, צרו לולאה בקוטר של כ-30 millimeters בחלק הלא מעוגן של הסיב, והדביקו אותה בעזרת סרט דבק במרחק של 10 millimeters מהמקטע הראשון. עגנו את הקצה השני של המקטע השני למכסה המיכל.
פרו כחצי מטר של סיב כדי להתחיל את זוג מקטעי החיישן הבא. חזרו על השלבים שבוצעו עבור שני מקטעי הגלאי הראשונים כדי ליצור זוגות מקטעים נוספים. לאחר שהמערך החששני במקומו, חברו באמצעות הלחמה (splice) מחבר לקצה הסיב.
חברו את החיישן לכבל ההשהיה הצהוב שיקשר בין החיישן לבין המפענח (interrogator). חברו את כבל ההשהיה למפענח והשלימו את שלבי ההגדרה. המפענח של החיישן מבוסס עלהפרומטריה של אורך גל מהירה (swift wavelength interferometry).
לייזר דיודה כיווןי בהספק נמוך שולח אות ברוחב פס צר אל הסיב. לייזר סורק טווח של מספר ננומטרים, והאות מפוצל בין זרוע ייחוס לזרוע מדידה. אור מפוזר מהחיישן משולב עם אות הייחוס כדי ליצור אותות התערבות בגלאים.
פלט הגלאי משמש לאחזור אות פיזור השחרור. כעת יש למפות את מיקומי החיישנים. לשם כך, חברו מלחאת בדיל לשנאי משתנה, המוגדר לכ-40 אחוזים.
במחשב, השתמש בתוכנת השאילתות (interrogator software) כדי להציג נתונים בזמן אמת על המסך. קח את מלחם הבדיל והתקרב לתחילת המקטע הראשון של החיישן, החזק את המלחם בקרבת החיישן ונגע בו בקצרה בנקודת הקצה. במחשב, הפסק את איסוף הנתונים כדי להקפיא את השיא.
לאחר מכן, בצעו זום-אין על זינוק הטמפרטורה כדי לתעד את מיקום השיא ואת המיקום הפיזי. אספו נתונים באופן דומה עבור נקודות ההתחלה והסיום של כל מקטע. לאחר מיפוי מיקומי החיישנים, הכינו סטנדרט טמפרטורה אחד או יותר.
במקרה זה, השתמשו בתרמוקופל לצורך המשימה. בחרו אזור בתוך אזור המדידה של ה-DTS. התקינו את התרמוקופל בקרבת הסיב של ה-DTS.
לאחר סיום העבודה בחלק הפנימי, סגרו את המיכל על ידי החזרת כל הפאנלים למקומם. המשיכו בעטיפת המיכל בשכבת בידוד כלשהי. לאחר העטיפה, המתינו מספיק זמן כדי להבטיח התבססות של אטמוספירה איזותרמית סביב החיישן.
כאשר המערכת מוכנה, הפעל את תוכנת המדידה (interrogator) והתחל בביצוע המדידות. כדי לקבל את קו הבסיס (baseline), עצור תחילה את המדידה. לאחר מכן, בחר ב-baseline והזן שם קובץ בשדה המיועד לכך.
בחר טווח מדידה ולחץ על OK כדי להתחיל בתהליך קו הבסיס (baseline). במקביל, רשום את קריאת הטמפרטורה של הטרמוקופל לצורך כיול. לאחר שהתוכנה השלימה את קו הבסיס, עבור למצב מדידה.
האות צריך להיות כעת אפס לאורך כל החיישן ולא לסטות עם הזמן, במידה והמערכת נמצאת במצב תרמי יציב. בנקודה זו, עברו לבקרת הזרימה והחימום כדי להיערך להרצה. כאשר זרימת האוויר פועלת, כווננו את קצבי הזרימה בערוצים כך שיהיו תואמים.
כווננו את בקר ההספק כדי לחמם סילון אחד וליצור את הפרש הטמפרטורה הרצוי בין הסילונים. חזרו למערכת לאחר שהפעילה את עצמה במהלך הלילה כדי להגיע לשיווי משקל. בחנו את אות ה-DTS בזמן אמת כדי להעריך את רמות הרעש ולבחור את אורך המדד המתאים.
השתמש במערכת הטמפרטורה המבוזרת כדי לתעד 2000 סריקות בתדר של 4 hertz. אלו הם נתונים גולמיים של הפרש הטמפרטורה שנמדד ביחס לטמפרטורת הבסיס. הקצה השמאלי של הציר האופקי מתאים למקטע סיב בגבול המערכת המסומן כקצה המזרחי.
בתנועה ימינה, הסיב נמתח הלוך ושוב לעבר הקצה המערבי. שיאים מופיעים כאשר החיישן נמצא ישירות מעל הסילון החם. הרעש לקראת הקצה המערבי נובע מרטט מושרה זרימה.
כאן, הנתונים הגולמיים ממופים לעמדות בחלק הבדיקה. נקודת המבט היא מלמעלה, מעל מישור המדידה של מערך ה-DTS. קווי המתאר של התעלות המשושיות הם בהתאם לאוריינטציית A.
אינטרפולציה לינארית בין נקודות הנתונים מאפשרת יצירה של מפת קווי מתאר (contour map) דו-ממדית של הטמפרטורה, כדי לספק תחושה של התבנית התרמית מתחת למכסה. האזור האדום מצביע על אזור חם מעל הסילון המזרחי (east jet), אך לא מרוכז עליו. ניתן להשתמש בנתוני החיישן גם כדי למפות את השורש הממוצע של ריבועי התנודות בטמפרטורה (route mean square).
האזור המגנטה הוא אזור של תנודות טמפרטורה גבוהות וטורבולנציה רבה, שבו שני הסילונים העולים מקיימים אינטראקציה בעת פגיעתם במכסה. ראינו כיצד חיישן סיב אופטי בודד, המבוסס על פיזור ריילי (Rayleigh scattering), יכול להפיק אלפי מדידות טמפרטורה כדי לספק תמונה מפורטת של השדה המלא, דבר שלא ניתן היה להשיג באמצעות צמדים תרמיים (thermocouples). כדי להבטיח את דיוק המדידה, יש להקדיש תמיד תשומת לב מיוחדת לבקרת מאמץ (strain control) לאחר קביעת קו הבסיס, ולמזער רעידות הנגרמות מהזרימה באמצעות תכנון מושכל של תצורת תמיכת החיישן.
טכניקת חישוש מבוזר זו מספקת אפשרויות חדשות למדידות טמפרטורה בנוזלים אטומים וביישומים אחרים שאינם מתאימים לטכניקות אופטיות המסתמכות על לייזרים ומצלמות.
סקירה כללית
מחקר זה מדגים את השימוש בחשש סיב אופטי מפוזר למיפוי שדה הטמפרטורה של סילוני אוויר המתערבבים. החשש משתמש בפיזור ריילי כדי להפיק אלפי נקודות נתונים לאורך סיב בודד, ובכך משיג רזולוציה מרחבית יוצאת דופן בהשוואה לחששים מסורתיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- דינמיקת נוזלים
- טכניקות למדידת טמפרטורה
רקע
- נתוני שדה זרימה ברזולוציה גבוהה חיוניים לתיקוף קודי דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD).
- חיישנים מסורתיים, כגון צמדי תרמוקופל, מספקים צפיפות נתונים מוגבלת.
- חיישני סיב אופטי רגישים הן למאמץ והן לטמפרטורה.
- נדרשים נהלי עבודה מיוחדים לאיסוף נתונים מדויק.
מטרת המחקר
- לאימות סימולציות של דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) של מעבר חום בזרימות טורבולנטיות.
- להדגמת ההקמה והתפעול של חיישן טמפרטורה מבוזר (DTS).
- להשוואת ביצועיהם של חיישני סיב אופטי אל מול שיטות מסורתיות למדידת טמפרטורה.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- בניית מקטע בדיקה עם תעלות אוויר משושאות לערבוב סילוני אוויר.
- שזירת סיבים אופטיים דרך חוטי תמיכה ליצירת מערך חיישנים.
- שימוש במערכת שאילתת חיישנים מבוססת לייזר למדידת נתוני טמפרטורה.
- מיפוי מיקומי החיישנים וכיול באמצעות צמדים תרמיים (thermocouples).
תוצאים עיקריים
- החיישן הסיב האופטי סיפק נתוני טמפרטורה בצפיפות גבוהה על פני אזור המדידה.
- מיפוי מדויק של מיקומי החיישנים הושג באמצעות מלחם ותוכנה.
- מדידות בסיס הצביעו על תנאים תרמיים יציבים במהלך הניסויים.
- בקרות הזרימה והחימום יצרו בהצלחה את הפרשי הטמפרטורה הרצויים.
מסקנות
- חיישנים מבוזרים מסיבים אופטיים מציעים יתרונות משמעותיים על פני צמדים תרמיים מסורתיים.
- נחוצות טכניקות ייעודיות כדי לצמצם את השפעות המאמץ על המדידות.
- שיטה זו משפרת את ההבנה של מעבר חום בזרימה טורבולנטית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מיפוי שדה טמפרטורה ברזולוציה גבוהה באמצעות חיישנים מבוזרים של סיבים אופטיים מאפשר תיקוף קפדני של מודלים של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD), שהם קריטיים לפיתוח תהליכים חזויים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה. היכולת להפיק אלפי נקודות נתוני טמפרטורה ברזולוציה מרחבית תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית ומגבירה את הביטחון בקבלת החלטות מונחית-סימולציה. יכולת זו רלוונטית במיוחד לאופטימיזציה של טיפול בנוזלים מורכבים, ערבוב ובקרה תרמית בסביבות של עיבוד ביולוגי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה מדויקת של מדרגי טמפרטורה במערכות ניסוייות הרלוונטיות לפיתוח תהליכים.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית על ידי אספקת נתונים בצפיפות גבוהה לתיקוף מודלים של מעבר חום.
- משפר את רמת הוודאות החזויה באופטימיזציה של תהליכים מבוססת סימולציה.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- מקל על הכנת סביבות תרמיות עובדות (validated) עבור תהליכי עבודה של בדיקות המשך.
- מאפשר מיפוי טמפרטורה כמותי וניתן לשחזור על פני גיאומטריות מורכבות.
- תומך בסטנדרטיזציה של בקרת טמפרטורה בפלטפורמות של סריקה בתוספת גבוהה (high-throughput screening).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק רצף ממיפוי תרמי בקנה מידה של שלב הגילוי ועד לתיקוף תהליכים בשלב הפיילוט והשלב הפרה-קליני.
- מאפשר קידום של תכנוני תהליכים מותאם סיכונים, בהתבסס על נתונים תרמיים חסונים.
- תומך בהתאמת התנאים הניסויים לדרישות תהליכי התרגום (translational process).
אינטגרציה של תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטת חישוש מבוזרת זו משתלבת ברצף פיתוח התהליכים, החל משלב הגילוי המוקדם, דרך הגדלת קנה המידה (scale-up) ועד לתיקוף פרה-קליני, בכל מקום שבו נדרש מיפוי תרמי מדויק.
- ביולוגיית גילוי: תומכת בבדיקת השערות ובבירור מסלולים ביולוגיים על ידי מתן אפשרות לאפיון מדויק של הסביבה התרמית.
- סריקה: מספקת נתוני טמפרטורה בעצימות גבוהה וניתנים לשחזור לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות ויכולת הרחבה.
- אנליטיקה: מספקת פלטים כמותיים ומדידות ברזולוציה מרחבית להשוואה חסונה של תנאי תהליך.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין ממצאים בקנה מידה מעבדתי לתיקוף תהליכים פרה-קליניים באמצעות מיפוי תרמי עקבי.
- שימוש חוזר בארגון: מציעה פלטפורמה לשימוש חוזר לניטור טמפרטורה ברזולוציה גבוהה במגוון הגדרות ניסוייות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במידול תהליכים.
- ערך תפעולי: מספק יכולות מדידת טמפרטורה סטנדרטיות, הניתנות לשחזור וניתנות להרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת יותר לגבי המשך התהליך (go/no-go) ומשפר את יעילות ההון על ידי הפחתת סיכונים בשלבים מאוחרים של התהליך.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף וקידום של מועמדים לפיתוח תהליכים בהתאם לסיכון המותאם.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהתקנה וכיול של חיישני סיבים אופטיים.
- דורש מיכשור ייעודי עבור פיזור ריילי ואנליזה אינטרפרומטרית.
- מצריך סטנדרטיזציה בין-צוותית של הטיפול ובקרות סביבתיות כדי להבטיח את שלמות הנתונים.
- התאמה למערכות מודל שונות עשויה לדרוש מבני תמיכה מותאמים אישית ונהלי בסיס.
- הדיוק רגיש למאמץ, רעידות וללחות, דבר המצריך תכנון וביצוע ניסיוניים קפדניים.
