Fibre ottiche sensori distribuiti per alta risoluzione Mappatura temperatura Campo

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di fornire dati di campo di flusso ad alta risoluzione per convalidare i codici di calcolo della fluidodinamica computazionale, verificando la loro capacità di simulare accuratamente il trasferimento di calore in flussi turbolenti. Questa tecnica avanzata di misurazione della temperatura può generare migliaia di punti dati lungo un singolo sensore realizzato in fibra commerciale per le telecomunicazioni. È in grado di fornire una densità di dati che va ben oltre i sensori tradizionali come le termocoppie.

Ma a differenza delle termocoppie, questi sensori in fibra ottica sono sensibili alla deformazione e alla temperatura. Pertanto, la manipolazione, le vibrazioni e le variazioni di umidità influenzano il segnale della temperatura. La sensibilità alla deformazione è molto diversa dai sensori tradizionali.

E ottenere dati accurati, richiede procedure e pratiche operative speciali che dimostreremo qui. Il sensore di temperatura distribuito, o DTS, sarà dimostrato utilizzando questa sezione di prova. Si tratta di un serbatoio in vetro con due condotti d'aria esagonali fissati alla base.

L'aria esce attraverso una presa d'aria nella parte superiore dopo aver mescolato l'interno. All'interno del pannello superiore, c'è uno schermo in polimero nero sopra la posizione del DTS. Accedi all'interno della sezione di prova rimuovendo i pannelli nella parte superiore e laterale.

Lungo la parte superiore della sezione di prova, c'è un filo di acciaio con un passo di 20 millimetri. Sopra l'area di misurazione, i fili supportano la fibra ottica del sensore di temperatura distribuito. Le fibre ottiche corrono perpendicolarmente al filo di acciaio e sono distanziate di 10 millimetri l'una dall'altra.

L'inizio del DTS ha circa un metro di fibra riservata per la giunzione e la terminazione finale. I segmenti sono intrecciati attraverso fili adiacenti da un lato all'altro della regione di misurazione. La fibra è avvolta per essere il segmento adiacente e le estremità sono fissate alla sezione di prova con nastro adesivo.

Questo è uno schema del layout della sezione di test finale dall'alto. I fili di acciaio coprono una regione che comprende i condotti. La fibra del sensore di temperatura distribuito è tessuta attraverso i fili nell'area sopra i condotti.

Per tessere la fibra ottica del DTS seguire questi passaggi. Inizia con una bobina di fibra di 50 metri e srotola quanto basta per creare la riserva per la giunzione a un connettore all'esterno del serbatoio. Ancorare la fibra oltre la riserva al coperchio della sezione di prova.

Successivamente, srotolare circa mezzo metro di fibra che verrà utilizzato per avviare i primi nuovi segmenti di sensori. Stendere qualche centinaio di millimetri di fibra sulla rete metallica e modellarla in un anello. Essendo l'intreccio dell'anello attraverso i fili di supporto alternando tra l'andare sopra e sotto i fili adiacenti.

Quando viene raggiunto il lato opposto del serbatoio, la fibra per i primi due segmenti del sensore è pronta per essere fissata con nastro adesivo in posizione. Tendere il primo segmento e fissarlo con del nastro adesivo sul lato inferiore del coperchio. Un righello incollato al coperchio, viene utilizzato per indicare la posizione e controllare la spaziatura dei segmenti.

Vogliamo che sia sufficientemente teso da rimanere in posizione durante il flusso, ma non così teso da affaticare il sensore e causare errori di misurazione. Ora, forma un anello di circa 30 millimetri di diametro nella parte non ancorata della fibra e fissalo con nastro adesivo a 10 millimetri dal primo segmento. Ancorare l'altra estremità del secondo segmento al coperchio del serbatoio.

Srotolare circa mezzo metro di fibra per iniziare la successiva coppia di segmenti del sensore. Ripetere i passaggi utilizzati per i primi due segmenti del rivelatore per creare ulteriori coppie di segmenti. Con l'array di rilevamento in posizione, unire un connettore all'estremità della fibra.

Collegare il sensore al cavo di ritardo giallo che collegherà il sensore all'interrogatore. Collegare il cavo di ritardo all'interrogatore e completare i passaggi di configurazione. L'interrogatore del sensore si basa sull'interferometria a lunghezza d'onda rapida.

Un laser a diodi sintonizzabili a bassa potenza invia un segnale a banda stretta nella fibra. Il laser viene fatto scorrere su diversi nanometri e il segnale viene suddiviso tra le gambe di riferimento e quelle di misurazione. La luce diffusa dal sensore viene combinata con il segnale di riferimento per generare segnali di interferenza ai rilevatori.

L'uscita del rivelatore viene utilizzata per recuperare il segnale di scattering del rilascio. A questo punto è necessario mappare le posizioni dei sensori. Per fare ciò, collegare un saldatore a un trasformatore variabile, impostato su circa il 40 percento.

Al computer, utilizzare il software dell'interrogatore per visualizzare i dati in tempo reale sullo schermo. Prendi il saldatore e avvicinati all'inizio del primo segmento del sensore, tieni il ferro vicino al sensore e toccalo brevemente fino al punto finale. Al computer, interrompere l'acquisizione dei dati per congelare il picco.

Quindi ingrandisci il picco di temperatura per registrare la posizione del picco e la posizione fisica. Raccogli i dati allo stesso modo per i punti di inizio e fine di ciascun segmento. Dopo aver mappato le posizioni dei sensori, preparare uno o più standard di temperatura.

In questo caso, utilizzare la termocoppia per l'attività. Selezionare una regione nella zona di misurazione del DTS. Montare la termocoppia vicino alla fibra del DTS.

Dopo aver completato i lavori all'interno, chiudere il serbatoio riportando tutti i pannelli nelle loro posizioni. Continua avvolgendo il serbatoio in una qualche forma di isolamento. Una volta avvolto, lasciarlo riposare abbastanza a lungo da creare un'atmosfera isotermica attorno al sensore.

Quando il sistema è pronto, avviare il software dell'interrogatore e iniziare le misurazioni. Per ottenere la linea di base, interrompere prima la misurazione. Quindi selezionare la linea di base e immettere un nome file nel campo fornito.

Selezionare un intervallo di misurazione e fare clic su OK per essere il processo di base. Registrare contemporaneamente la lettura della temperatura della termocoppia per la calibrazione. Una volta che il software ha completato la linea di base, passare alla modalità di misurazione.

Il segnale dovrebbe ora essere zero lungo l'intera lunghezza del sensore e non deviare nel tempo se il sistema è in uno stato termicamente stabile. A questo punto, vai ai controlli del flusso e del riscaldamento per prepararti a una corsa. Con il flusso d'aria attivo, regolare le portate nei canali in modo che corrispondano.

Regolare il regolatore di potenza per riscaldare un getto e stabilire la temperatura differenziale desiderata tra i getti. Ritorna al sistema dopo che ha funzionato durante la notte per raggiungere l'equilibrio. Esamina il segnale DTS in tempo reale per accedere ai livelli di rumore e scegliere la lunghezza del calibro appropriata.

Utilizza il sistema a temperatura distribuita per registrare 2000 scansioni a 4 hertz. Si tratta di dati grezzi della differenza di temperatura misurata rispetto alla temperatura di base. L'estremità sinistra dell'asse orizzontale corrisponde a un segmento di fibra sul contorno del sistema indicato come estremità est.

Spostandosi a destra, la fibra si avvolge avanti e indietro verso l'estremità ovest. I picchi si verificano dove il sensore si trova direttamente sopra il getto caldo. Il rumore verso l'estremità ovest è dovuto alle vibrazioni indotte dal flusso.

Qui, i dati grezzi vengono mappati sulle posizioni nella sezione di test. Il punto di vista è dall'alto del piano di misurazione sull'array DTS. I contorni dei canali esagonali sono una A per l'orientamento.

L'interpolazione lineare tra i punti dati consente la creazione di una mappa 2D del contorno di temperatura per fornire un'idea del modello termico sotto il coperchio. L'area rossa indica una regione calda sopra il getto est, ma non centrata su di esso. I dati del sensore possono essere utilizzati anche per mappare il quadrato medio delle fluttuazioni di temperatura.

La regione magenta è caratterizzata da elevate fluttuazioni di temperatura e alta turbolenza, dove i due getti ascendenti interagiscono mentre colpiscono il coperchio. Abbiamo visto come un singolo sensore in fibra ottica, basato sulla diffusione di Rayleigh, possa generare migliaia di misure di temperatura per fornire un quadro dettagliato dell'intero campo che sarebbe irraggiungibile con le termocoppie. Per garantire l'accuratezza della misurazione, prestare sempre particolare attenzione al controllo della deformazione dopo la linea di base e ridurre al minimo le vibrazioni indotte dal flusso attraverso una progettazione attenta della configurazione del supporto del sensore.

Questa tecnica di rilevamento distribuito offre nuove possibilità per le misurazioni della temperatura in fluidi opachi e altre applicazioni che non sono adatte per le tecniche ottiche che si basano su laser e telecamere.