Fibre ottiche sensori distribuiti per alta risoluzione Mappatura temperatura Campo

L'obiettivo generale di questo esperimento è fornire dati ad alta risoluzione sul campo di flusso per convalidare i codici informatici della dinamica dei fluidi computazionale, verificandone la capacità di simulare con precisione 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 ottica per telecomunicazioni commerciali. È in grado di fornire una densità di dati molto superiore a quella dei sensori tradizionali come le termocoppie.

A differenza delle termocoppie, questi sensori in fibra ottica sono sensibili sia alla deformazione che alla temperatura. Pertanto, manipolazione, vibrazioni e variazioni di umidità influenzano il segnale di temperatura. La sensibilità alla deformazione è molto diversa rispetto ai sensori tradizionali.

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

L'aria esce attraverso un'apertura in alto dopo essersi mescolata all'interno. Sulla parte interna del pannello superiore, è presente una griglia in polimero nero nella posizione del DTS. Accedere all'interno della sezione di prova rimuovendo i pannelli superiore e laterale.

Posizionato lungo la parte superiore della sezione di prova, c'è un filo d'acciaio con un passo di 20 millimetri. Sull'area di misurazione, i fili sostengono la fibra ottica del sensore di temperatura distribuito. Le fibre ottiche si estendono perpendicolarmente al filo d'acciaio e sono distanziate di 10 millimetri l'una dall'altra.

All'inizio del DTS è riservato circa un metro di fibra per la saldatura e la terminazione finale. I segmenti sono intrecciati attraverso i fili adiacenti da un lato della zona di misurazione all'altro. La fibra viene riportata indietro per iniziare il segmento adiacente e le estremità vengono fissate alla sezione di prova con del nastro.

Questo è uno schema della disposizione finale della sezione di prova vista dall'alto. I fili d'acciaio coprono una zona che comprende i condotti. La fibra del sensore distribuito di temperatura è intrecciata tra i fili nella zona sopra i condotti.

Per intrecciare la fibra ottica del DTS, seguire questi passaggi. Iniziare con una bobina di fibra da 50 metri e svolgere una lunghezza sufficiente per creare la riserva necessaria per la saldatura a un connettore all'esterno del serbatoio. Fissare la fibra oltre la riserva al coperchio della sezione di prova.

Successivamente, svolgere circa mezzo metro di fibra che verrà utilizzato per iniziare il primo nuovo segmento del sensore. Posizionare alcuni centimetri di fibra sulla rete metallica e modellarla in un anello. Iniziare a intrecciare l'anello attraverso i fili di sostegno, alternando il passaggio sopra e sotto i fili adiacenti.

Quando si raggiunge il lato opposto del serbatoio, la fibra per i primi due segmenti del sensore è pronta per essere fissata con del nastro. Tirare il primo segmento in tensione e fissarlo con del nastro nella parte inferiore del coperchio. Un righello incollato al coperchio viene utilizzato per indicare la posizione e controllare la distanza tra i segmenti.

Vogliamo che sia abbastanza teso da rimanere in posizione durante il flusso, ma non così teso che la deformazione nella sezione di prova solleciti il sensore e causi errori di misurazione. Ora, formare un'ansa di circa 30 millimetri di diametro nella parte libera della fibra e fissarla con del nastro adesivo a 10 millimetri dal primo segmento. Fissare l'altra estremità del secondo segmento al coperchio del serbatoio.

Svolgere circa mezzo metro di fibra per iniziare la successiva coppia di segmenti sensori. Ripetere i passaggi utilizzati per i primi due segmenti rilevatori per creare ulteriori coppie di segmenti. Una volta posizionato l'array di sensori, connettere un connettore all'estremità della fibra.

Collegare il sensore al cavo giallo di ritardo 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 rapida di lunghezza d'onda.

Un laser a diodo accordabile a bassa potenza invia un segnale a banda stretta nella fibra. Il laser viene scansionato su diversi nanometri e il segnale viene diviso tra il braccio di riferimento e quello di misura. La luce diffusa dal sensore viene combinata con il segnale di riferimento per generare segnali di interferenza nei rivelatori.

L'output del rilevatore viene utilizzato per recuperare il segnale di scattering del rilascio. Ora è necessario mappare le posizioni dei sensori. A tale scopo, collegare un saldatore a un trasformatore variabile, impostato al circa 40 percento.

Al computer, utilizzare il software dell'interrogatore per visualizzare i dati in tempo reale sullo schermo. Prendere il saldatore e avvicinarlo all'inizio del primo segmento del sensore, tenere il saldatore vicino al sensore e toccare brevemente il punto finale. Al computer, interrompere l'acquisizione dei dati per bloccare il picco.

Quindi ingrandire il picco di temperatura per registrare la posizione del massimo e la posizione fisica. Raccogliere i dati nello stesso modo per i punti iniziale e finale 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'operazione. Selezionare una regione nella zona di misurazione del DTS. Montare la termocoppia vicino alla fibra del DTS.

Dopo aver completato il lavoro all'interno, chiudere il serbatoio riposizionando tutti i pannelli. Procedere avvolgendo il serbatoio con un qualsiasi tipo di isolante. Una volta avvolto, lasciarlo a riposo per un tempo sufficiente a stabilire un'atmosfera isoterma intorno al sensore.

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

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

Il segnale ora dovrebbe essere pari a zero lungo l'intera lunghezza del sensore e non deve variare nel tempo se il sistema si trova in uno stato termicamente stabile. A questo punto, passare ai controlli del flusso e del riscaldamento per prepararsi a un'analisi. Con il flusso d'aria attivo, regolare le portate nei canali in modo che corrispondano.

Regolare il controllore di potenza per riscaldare un getto e stabilire la differenza di temperatura desiderata tra i getti. Tornare al sistema dopo che ha funzionato tutta la notte per raggiungere l'equilibrio. Esaminare il segnale DTS in tempo reale per valutare i livelli di rumore e scegliere la lunghezza del tratto di misura appropriata.

Utilizzare il sistema di temperatura distribuito per registrare 2000 scansioni a 4 hertz. Questi sono dati grezzi della differenza di temperatura misurata rispetto alla temperatura di base. L'estremità sinistra dell'asse orizzontale corrisponde a un segmento della fibra situato al confine del sistema, indicato come estremità est.

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

Qui, i dati grezzi vengono mappati sulle posizioni nella sezione di prova. Il punto di vista è dall'alto rispetto al piano di misurazione sull'array DTS. I contorni dei canali esagonali sono orientati da A a.

L'interpolazione lineare tra i punti dati permette la creazione di una mappa bidimensionale di contorno della temperatura, fornendo un'indicazione del modello termico al di sotto del coperchio. L'area rossa indica una zona calda sopra il getto orientale, ma non centrata su di esso. I dati del sensore possono inoltre essere utilizzati per mappare il valore quadratico medio delle fluttuazioni di temperatura.

La regione magenta è caratterizzata da forti fluttuazioni di temperatura e alta turbolenza, dove i due getti ascendenti interagiscono impattando sul coperchio. Abbiamo visto come un singolo sensore a fibra ottica, basato sulla diffusione di Rayleigh, possa generare migliaia di misurazioni di temperatura, fornendo un'immagine dettagliata dell'intero campo che sarebbe irraggiungibile con termocoppie. Per garantire l'accuratezza delle misurazioni, prestare sempre particolare attenzione al controllo della deformazione dopo la fase di baseline e minimizzare le vibrazioni indotte dal flusso mediante una progettazione accurata della configurazione di supporto del sensore.

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