Name: Fibre ottiche sensori distribuiti per alta risoluzione Mappatura temperatura Campo (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Scopri l'uso di sensori a fibre ottiche distribuiti per mappare campi di temperatura ad alta risoluzione nei flussi turbolenti. Questa tecnica supera i termocoppie tradizionali generando migliaia di punti dati lungo un'unica fibra.

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Gli autori ringraziano Tyler Gorney e Aida Rahim di Luna Innovations per la loro preziosa intuizione tecnica e l'assistenza con la nostra applicazione.
Il manoscritto inviato è stato creato da UChicago Argonne, LLC, Operatore del Laboratorio Nazionale di Argonne ("Argonne"). Argonne, un laboratorio dell'Ufficio delle Scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è gestito in base al contratto n. DE-AC02-06CH11357. Questo lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Ufficio per l'Energia Nucleare.

Tipo 1. Selezionare ottimale del sensore per applicazioni <ol><li> Scegli lunghezza del sensore sulla base di compromesso tra velocità di campionamento e il numero di punti dati. NOTA: Una campioni interrogatore sensori fino a 50 m di lunghezza a 2.5 Hz e risoluzione &lt;10 mm, mentre gli altri campioni sensori fino a 10 m di lunghezza con una risoluzione di 5 mm e 100 Hz. </li><li> Selezionare un tipo di fibra ottica monomodale sulla base di requisiti relativi ai limiti di servizio temperatura, tempo di risposta, la sensibilità, l&#39;umidità e la configurazione di installazione (nudo o in capillare). NOTA: Qui abbiamo usato 155 micron di diametro single-mode poliimmide rivestita in fibra ottica di Telecom commerciale. NOTA: Vedere tabelle 1 e 2 come esempi di fibre e configurazioni che abbiamo usato nel nostro laboratorio. </li></ol> 2. Installare fibra ottica nella sezione di prova <ol><li> sezione di prova aperta rimuovendo una delle piastre laterali di vetro lunghe. </li><li> Praticare fori del diametro di 1 mmnelle pareti laterali 3 mm al di sotto del coperchio per ancoraggi di filo (Fig. 3). NOTA: Ancore sostengono filo d&#39;acciaio che supportano il sensore. Il passo ancoraggio può essere variata conformemente dimensione del vano e caricamento dinamico previsto dal flusso. Il passo di 20 millimetri usata qui si è dimostrato stabile, con minime vibrazioni del flusso nei pressi di 1 m / sec. Vibrazioni corrompe DTS segnali ed è più problematico con sensori lunghi 15,16. </li><li> String un segmento di filo di acciaio 127 micron diametro attraverso la sezione di prova legandola ad una espansione in ottone a ciascuna estremità del serbatoio. Ripetere fino ci sono un totale di 47 segmenti di filo teso attraverso il serbatoio. </li><li> Tagliare 50 m di fibra ottica utilizzando comunicazione / Elettricisti forbici con riserva per essere consumato nel connettore giunzione e terminazione in fibra (probabilmente &lt;0,5 m, ma dipende dalla competenza a splicing). Raccogliere questa fibra su un rocchetto piccolo, ~ 50 mm di diametro. </li><li> Posare il primo segmento sensore ad un bordo della area scelta per misurare la temperatura ingegnoh matrice di sensori. NOTA: Dopo il primo segmento è fissato in posizione, la fibra verrà ripetuto per un segmento adiacente, in posizione fissa, e più fibra erogato per il segmento successivo in un processo iterativo che costruisce la matrice fino ad esaurimento della fibra. </li><li> Weave la fibra sopra e sotto i fili adiacenti, lavorando da un lato del serbatoio all&#39;altro, fibra erogazione dalla bobina come necessario. NOTA: La fibra è perpendicolare al filo, come mostrato in Fig. 3 con il tessuto di supporto contro la forza di gravità in una direzione e il flusso nell&#39;altra. </li><li> Fissare ciascuna estremità del segmento prima fibra al coperchio con nastro adesivo trasparente convenzionale o nastro poliimmide film. Il primo segmento della matrice è ora in atto. NOTA: Non fissare il sensore tesa come una corda di chitarra, ma piuttosto abbastanza tesa per essere dritto e prendere l&#39;allentamento visibile. Se il sensore viene tensionato, piccole deformazioni del supporto, ad esempio, dilatazioni termichesione del coperchio, cambierà questa tensione e generare anomala offset segnale ed errori di misura. </li><li> Loop la fibra 180 gradi per tornare indietro per il segmento successivo come mostrato in Fig. 4 e nastro al coperchio ad una distanza di 10 mm dal primo segmento. NOTA: Minimizzare il diametro ciclo poiché è &quot;fibra sprecato&quot; (non parte della matrice), ma dovrebbe essere di circa 30 mm o più per sollecitazioni tollerabili. La fibra usata qui è tollerato 30 mm di diametro con passanti per diversi mesi senza alcuna perdita di segnale evidente, ma i limiti varierà con il tipo di fibra. Per la fibra utilizzata qui, il costruttore specifica il &quot;breve termine&quot; limite raggio di curvatura come ≥ 10 mm e limite &quot;a lungo termine&quot;, come ≥ da 17 mm. </li><li> Ancora tessere la fibra tra i fili verso il lato opposto del serbatoio e del nastro in posizione. Ripetere il processo di loop, nastratura, e tessitura fino ad esaurimento della fibra. </li></ol> 3. Connettore Splice e Terminazione di fibra <ol><li> Splice un connettore monomodale LC-tipo ad una estremità della fibra utilizzando una giuntatrice a fusione seguendo le istruzioni del produttore 17. </li><li> Tagliare ~ 0,25 m fibra terminazione con le forbici / comunicazione elettricista e giuntare all&#39;altra estremità della fibra, di nuovo con una giuntatrice a fusione seguendo le istruzioni del produttore. NOTA: Questa assemblea (fibra, connettore, e la terminazione) saranno ora indicato come un &quot;sensore&quot;. La fibra terminazione disperde segnale residuo dalla impulso laser per evitare di tornare al interrogatore. </li></ol> 4. Configurazione del sensore <ol><li> Inserire il connettore fine LC-tipo del sensore nella porta interrogatore e avviare il software di configurazione. </li><li> Generare dati del sensore ampiezza selezionando &quot;acquisizione&quot; (distinto da dati di temperatura), che viene visualizzata automaticamente quando la scansione è completata. NOTA: La traccia di un sensore con buone giunzioni avrà il genecaratteristiche ral mostrate in Fig. 5. Un povero giunzione può essere indicata da un rumore di fondo indistinto o riflessione dominante in cui è previsto il connettore. Se si sospetta un povero giunzione, tornare al punto 3 e ripetere la procedura di splicing. </li><li> Selezionare la porzione attiva del sensore trascinando il cursore giallo mostrata sullo schermo all&#39;inizio del sensore e il cursore rosso alla fine. </li><li> Dare il sensore di un nome e selezionare &quot;salvare i file dei sensori&quot;. NOTA: Il sensore è ora configurato e pronto per l&#39;uso. </li><li> Chiudere il software di configurazione e passare al software di misura. </li></ol> 5. Mappa del sensore di posizione della sezione di prova <ol><li> Avviare il software di misura interrogatore e caricare il sensore appena configurato. </li><li> Collegare un saldatore ad un trasformatore variabile impostato a ~ 40%, preriscaldamento per 5-10 min. NOTA: Il saldatore genera picchi di temperatura locale per la mappatura. Un saldatore lattina melt il rivestimento in fibra e rovinare il sensore in modo da iniziare con un&#39;impostazione bassa del trasformatore, utilizzando solo energia sufficiente per ottenere i punti chiari. A C spike 10-20 ° sufficiente per questo processo. </li><li> Selezionare &quot;misura&quot; nel software interrogatore per tracciare dati in tempo reale sullo schermo. </li><li> Zoom indietro per visualizzare l&#39;intero sensore sullo schermo. </li><li> Tenere saldatore vicino al sensore e brevemente toccare al primo punto di mappatura, qui la più lontana segmento dalla bocca dove incontra il coperchio (Fig. 4). </li><li> posizione Record di picco di temperatura indicato dal software insieme alla posizione fisica corrispondente all&#39;interno del vano. </li><li> Ripetere 5,5-5,6 per mappare i punti finali di tutti i 49 segmenti. </li></ol> 6. Sensore di base: Il collegamento alla temperatura assoluta <ol><li> Norme di posizione di uno o più di temperatura, ad esempio, TC o rilevatore di temperatura di resistenza (RTD), vicino alle DTS per servire come standard di collegamento DTS letture per te assolutamperature. </li><li> Chiudere il serbatoio sostituendo la lastra di vetro lato lungo che è stato rimosso nel passaggio 2.1. </li><li> Isolare il serbatoio avvolgendolo in coperte o pannelli isolanti convenzionali e lasciare riposare durante la notte per creare un&#39;atmosfera isotermica. </li><li> Avviare il software interrogatore, selezionare &quot;base&quot; (o &quot;tara&quot;), e allo stesso tempo nota / registrare il TC (o RTD) lettura. Quando il software è finito con la linea di base, selezionare &quot;misura&quot; per tracciare i dati in tempo reale per esaminare la qualità della linea di base. NOTA: Questo passaggio critico stabilisce la base DTS e il segnale dovrebbe indicare zero, cioè, DT (x) = 0 ± una frazione di grado. D&#39;ora in poi, il segnale varia la temperatura del serbatoio diverge dalla temperatura di riferimento: DT (x) = T (x) abs - Base T, dove T (x) abs è la temperatura assoluta lungo la fibra e la base T è la linea di base temperatura di 6,18. Se il test di section è nonisothermal, base T sarà in funzione della posizione, vale a dire, base T (x), e la precisione sarà compromessa a meno di base T (x) è mappato con più di una TC o RTD (vedi sezione di discussione). Non ti muovere o toccare il sensore fino al passaggio 7 è completato. Tendendo in alcun modo può introdurre compensazioni che possono degradare la precisione di misura. </li><li> Esaminate il segnale in tensione, che non dovrebbe deriva lontano da zero. Se la deriva è eccessiva per l&#39;applicazione (il nostro limite è di circa 0,5 ° C dopo ~ 5 min), concedere più tempo per la sezione di prova per raggiungere l&#39;equilibrio termico e / o migliorare l&#39;isolamento (vedi nota sotto) e poi ripetere il passaggio 6.4. NOTA: La qualità del segnale è sempre meglio subito dopo il basale e verrà deriva nel tempo a seconda della distribuzione di temperatura all&#39;interno del vano. periodi buon isolamento e di lunga attesa prima rivestimento di base ridurrà la deriva e l&#39;errore di misurazione. Sizeable, rapidi derive indicano la sezione di prova non èisotermica, che alla fine porterà a misurazioni imprecise. </li><li> Selezionare la funzione di registrazione nel software interrogatore e registrare 10-100 scansioni di dati DTS per le stesse condizioni stagnanti, isoterme solo utilizzati per generare la linea di base. Record anche la lettura TC / RTD. NOTA: Si tratta di dati di riserva per i controlli post-test di compensazioni che possono essere generati dal ceppo di flusso o deformazione inattesa della sezione di prova o di supporti. </li></ol> 7. Test Run <ol><li> Accendere il compressore per generare un flusso d&#39;aria e regolare regolatori di flusso per abbinare portate a 1,25 kg / sec per ciascun canale. NOTA: la velocità media dell&#39;aria aspirata è di 1,1 m / sec e numero di Reynolds è 10.000. </li><li> Impostare potenza di riscaldamento di 600 W per riscaldare il getto ad est di 20 ° C al di sopra del getto ad ovest, che è a temperatura ambiente. </li><li> Lasciare che il sistema per eseguire durante la notte per raggiungere l&#39;equilibrio. </li><li> Il giorno successivo esaminare dal vivo segnale DTS per valutare i livelli di rumore. Selezionare il sensore &quot;gage length &quot;nel software di raggiungere livelli di rumore accettabili (un calibro 30 millimetri è usato qui). NOTA: lunghezza Gage corrisponde al sensore risoluzione spaziale. In generale, il segnale rumore aumenta la lunghezza calibro diminuisce e la vibrazione aumenta flusso indotto (vedi manuale d&#39;uso e riferimento 13 e 14). </li><li> Log 2.000 DTS scansioni a 4 Hz. </li><li> Spegnere riscaldatore e il flusso d&#39;aria. Lasciate che il serbatoio di sedersi durante la notte per raggiungere l&#39;equilibrio e registrare 10-100 DTS scansioni per completare il set di dati pre-test salvato per post-test di offset controlli. </li></ol> Analisi 8. Dati <ol><li> Selezionare la funzione post-elaborazione nella finestra principale del software interrogatore e importare i dati di test, che è in un formato binario proprietario. </li><li> Esportare i dati in un file di testo che può essere letto da fogli di calcolo tradizionali. NOTA: Questi dati rappresentano DT misurato lungo la fibra dove DT (x) = T (x) ABS - base T. Esso non contiene alcun riferimento allaposizione nella sezione di prova (vedi Fig. 6). Ulteriori dettagli sono disponibili nella guida dell&#39;utente interrogatore e riferimenti 6 e 16 per questo passo e il prossimo. </li><li> Importa i dati di testo in un foglio di calcolo convenzionale e convertire alla temperatura assoluta con l&#39;aggiunta della linea di base T, misurata da TC o RTD al punto 6.4, a tutti i dati. NOTA: La conversione di temperatura assoluta è semplicemente una correzione di offset valore singolo: T (x) = abs DT (x) + T di base dal momento che abbiamo stabilito che la sezione di prova è stato isotermico durante basale. </li><li> Utilizzare il software foglio di calcolo o simile programma di manipolazione dei dati per scomporre i dati T (X) e la mappa di posizioni fisiche all&#39;interno della sezione di prova come quello mostrato nelle figure 7 e 8. NOTA: Il programma utilizzerà i dati raccolti con il saldatore al punto 5. </li></ol>

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Abbiamo dimostrato l&#39;utilizzo di un DTS in un esperimento fluidodinamica. Il vantaggio principale di questi sensori è il grande numero di punti di misurazione che possono essere ottenuti da un singolo sensore. I DTS utilizzati qui generati dati a 4.067 punti su un piano di 0,5 x 0,8 m, ben oltre i limiti praticabili di sensori point convenzionali come termocoppie. Mentre tale densità dei dati può essere superata mediante tecniche ottiche come il laser fluorescenza indotta (LIF), una DTS funzionerà in fluidi e applicazioni che non hanno accesso ottico opaco. L&#39;alta densità di dati di un DTS è adatto per esperimenti coinvolti nella computazionale fluidodinamica validazione del codice. Baselining è il passo fondamentale nel protocollo e centrale nel determinare la precisione di misura. Una sezione di prova isotermica è essenziale per garantire l&#39;intero DTS è ad una temperatura quando baselined. Se questo non è possibile, base T diventa base T (x), che dovrebbe essere MAPPcato da più TC collocati in prossimità dei DTS. Anche se la qualità della linea di base può essere migliorata in questo modo, complica il processo di mappatura basale DTS alle norme per la conversione alla temperatura assoluta. Essere sempre alla ricerca di fonti di tensione dopo la linea di base, che può introdurre cambiamenti di segnale imprevedibili. Tali fonti sono, per esempio, sezione di prova dilatazione termica che si estende il sensore, il movimento dei supporti, caricamento dinamico da alte portate, o vibrazioni indotto dal flusso. Le misurazioni pre e post-test in condizioni isoterme contribuiranno a identificare tali problemi. sensibilità Strain è il difetto principale di questa Rayleigh scattering di DTS-based. A differenza dei sensori convenzionali come termocoppie, è sensibile alle manipolazioni, umidità e vibrazioni. Questi problemi sono più rilevanti per la configurazione del sensore nuda dimostrato qui, ma molto meno importante per i sensori alloggiati nei capillari. A differenza dei sensori tradizionali, un DTS non può essere procurato con documenti tracciando ad uno standard di calibrazione riconosciuta come NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ sono calibrazioni necessarie, preferibilmente con una sezione di prova isotermica, che può essere difficile in alcuni applicazioni. La vibrazione è di particolare interesse per le fibre nude appesi ad una grande sezione di prova. Abbiamo avuto successo mescolato con un allineamento verticale orientata che si estende lungo l&#39;asse della vasca a lunghezze di segmento di 1,7 m. Una configurazione con 28 metri di fibra e 16 segmenti ottenuto buoni risultati durante uno studio di 18, ma i tentativi di estenderla a 53 m con 29 segmenti ha avuto successo 16. In generale, il segnale rumore per qualsiasi lunghezza e configurazione di sensore può essere ridotto aumentando la lunghezza dell&#39;estensimetro su cui il software interrogatore calcola lo spostamento segnale di Rayleigh, ma questo riduce la risoluzione spaziale efficace. ogni Applicazione deve colpire il proprio equilibrio tra il rumore del segnale e la risoluzione spaziale. Ancora, tali difficoltà possono essere ampiamente evitati ospita il sensore in un capillare a scapito del tempo di risposta termica prolungato. Questa tecnologia relativamente nuova misurazione della temperatura richiede uno sviluppo per ridurre la suscettibilità alle vibrazioni. Molto di questo lavoro sarà necessariamente comportare l&#39;hardware e il software interrogatore. I sensori stessi possono anche essere migliorati per ridurre la sensibilità ai cambiamenti di gestione e di umidità, che sono colpiti da rivestimenti in fibra. Il lavoro potrebbe concentrarsi su sviluppo di rivestimenti superiori alla poliimmide e fibre acriliche rivestite attualmente in commercio.

fluidodinamica computazionale (CFD) codici vengono utilizzati per simulare una grande varietà di sistemi fluidi, dal flusso d&#39;aria intorno aerei e automobili fino arteriosa flusso sanguigno. La portata e la fedeltà di tali simulazioni sono cresciuti con la disponibilità di potenza di calcolo. Tuttavia, nonostante la sofisticazione delle simulazioni avanzate, la loro accuratezza e l&#39;affidabilità sono spesso difficili da quantificare. In pratica, l&#39;accuratezza di codici CFD viene valutata confrontando simulazioni con dati sperimentali in un processo chiamato validazione del codice. Un tipico insieme di dati sperimentali consiste principalmente di misure di velocità e temperatura, sia la risoluzione spaziale e temporale ideale di elevata per facilitare la convalida del codice rigoroso. Campi di velocità possono essere mappati ad alta risoluzione utilizzando l&#39;immagine di particelle velocimetria (PIV), una tecnica di 1,2 ottica consolidata. Al contrario, è difficile mappare campi di temperatura con risoluzione paragonabile a quella di PIV. Optical tecniche come la fluorescenza indotta da laser sono disponibili 3,4, ma richiedono telecamere e relativamente laser ad alta potenza, e non sono adatti per fluidi opachi. Un&#39;alternativa è disponibile nella tecnica relativamente nuova di rilevamento della temperatura distribuita sulla base di scattering di Rayleigh e spazzato lunghezza d&#39;onda interferometria (SWI) 5-7. Migliaia di misure di temperatura possono essere acquisiti lungo una singola fibra ottica. Un sensore di temperatura distribuita (DTS) può estendersi su grandi campi di flusso e la funzione in ambienti che non sono adatti per le tecniche di image-based 8. Ci sono anche DTSS basato su Raman e Brillouin dispersione 9,10, ma basato su sensori Rayleigh scattering SWI forniscono risoluzione spaziale e temporale più adatto per tipici esperimenti fluidodinamica. Anche se DTSS densità di offerta di dati ben al di là dei sensori tradizionali come termocoppie (TCS), sensori basati su Rayleigh scatteanello di rispondere per la tensione e la temperatura 11. Se il rivestimento della fibra è igroscopico, sensori reagiscono anche all&#39;umidità cambia 12,13. L&#39;assorbimento di vapore acqueo gonfia il rivestimento mentre desorbimento restringe 14, quali ceppi la fibra di vetro sottostante e altera il segnale. Di conseguenza, la precisione è influenzata dalla manipolazione, vibrazioni e variazioni di umidità relativa. Questo è molto diverso da sensori tradizionali e metodi di installazione e di misura in modo non convenzionale deve essere osservato per ottenere dati precisi. Questo documento illustra l&#39;utilizzo di un DTS in un esperimento di miscelazione termica, presentando un protocollo e linee guida per assicurare la precisione. I DTS usati qui si basa sulla rilevazione e l&#39;analisi di scattering di Rayleigh all&#39;interno di una guida d&#39;onda in fibra ottica. Una distribuzione casuale di impurità e varianti strutturali lungo il nucleo della fibra dà luogo ad un pattern retrodiffusione che è unico per la fibra e generalmente stabile. Lo spettro e l&#39;ampiezzadi questo modello può essere letto a servire come firma fibra. I cambiamenti fisici quali sbalzi termici o ceppo alterano la firma in modo ripetibile, e rilevando le variazioni di firma è la base per utilizzando la fibra come sensore. La Figura 1 illustra i componenti principali del dispositivo sensore optoelettronico, chiamato ottica distribuita interrogatore sensore, e indicato qui semplicemente come &quot;interrogatore&quot;. In una tecnica nota come barriere d&#39;onda interferometria, un laser a bassa potenza sintonizzabile lancia un segnale a banda stretta nella fibra ai fini della registrazione risultante backscatter 5-7. Il laser viene spazzato attraverso un intervallo di parecchi nanometri e il segnale diviso tra le gambe di riferimento e misurazione. luce diffusa dal sensore viene combinato con il segnale di riferimento per generare segnali di disturbo ai rivelatori. uscita del rivelatore è digitalizzato e analizzati per recuperare il segnale di scattering di Rayleigh. il Raylefirma IGH degli spostamenti del sensore in cui la temperatura del sensore (deformazione, o di umidità) cambia lunghezza d&#39;onda. L&#39;entità di questo spostamento di lunghezza d&#39;onda è relativo al sensore sensibilità, che è una costante fisica associata al tipo di fibra, che ha un fattore di calibrazione analogo al coefficiente Seebeck di un TC. La Figura 2 mostra la vasca di vetro che funge da sezione di prova utilizzato in questo studio. La telecamera dietro il serbatoio dà un senso di scala. L&#39;aria entra attraverso due condotti esagonali e mescola prima di uscire attraverso uno sfiato. Per evidenziare i getti, un flusso di flusso è stato seminato con nebbia d&#39;olio, mentre l&#39;altra è rimasta aria pura. Il coperchio del serbatoio ha una finestra coperta con uno schermo di polimero nero. Anche se non visibile nella foto, il DTS è sospeso sotto lo schermo nero. A 50 m di lunghezza DTS è stato montato sotto il coperchio del serbatoio, come mostrato in Fig. 3. E &#39;stata ricavata da 155 micron di diametro fibra ottica poliimmide rivestitae appeso a 127 micron di diametro del filo di acciaio teso tra pannelli di estremità del serbatoio. Il sensore è stata tessuta attraverso il filo in modo alternato e loop avanti e indietro attraverso il serbatoio di 49 volte. Si estende su un piano di 0,5 x 0,8 m e genera 1.355 punti dati indipendenti a 4 Hz e risoluzione spaziale di 30 mm, 4.067 punti dati quando sovracampionato con distanza di 10 mm. Tali dati di temperatura elevata densità integra i dati di velocità e aumenta il valore di set di dati per la convalida CFD. Il protocollo delinea il processo di selezione del sensore, la fabbricazione e la configurazione pur concentrandosi sui particolari preoccupazioni in utilizzando i DTS in un esperimento dinamica dei fluidi.

<table><tbody><tr><td>Interrogatore con sensore</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-A e -B</td><td>I due sistemi differiscono principalmente per la velocità e la risoluzione spaziale</td></tr><tr><td>Giuntatrice a fusione</td><td>Fujikura</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>Mannaia</td><td>Fujikura</td><td>CT-3A</td><td></td></tr><tr><td>Estrattore di rivestimento a 3 fori</td><td>Strumento</td><td>in fibra Vendite F11301T</td><td></td></tr><tr><td>fibre ottiche</td><td>OFS, Divisione fotonica speciale</td><td>BF06160-02</td><td>Rivestimento in poliimmide</td></tr><tr><td>Ottico fibre Newport</td><td>Corp.</td><td>F-SM1500-4.2/50</td><td>Connettore con rivestimento in acrilato</td></tr><tr><td></td><td>AFL Global</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>Fibra</td><td>di terminazione OFS, Divisione fotonica speciale</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

fibre ottiche sensori distribuiti per alta risoluzione mappatura temperatura campo

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

L&#39;affidabilità di fluidodinamica computazionale (CFD) codici è verificata confrontando le simulazioni con i dati sperimentali. Un tipico insieme di dati consiste principalmente di letture di velocità e temperatura, sia idealmente ad elevata risoluzione spaziale e temporale per facilitare la convalida del codice rigoroso. Mentre alta risoluzione dati velocità è facilmente ottenuto attraverso tecniche di misurazione ottica, come immagine di particelle velocimetria, si è dimostrato difficile ottenere dati di temperatura con risoluzione simile. I sensori tradizionali come termocoppie non possono ricoprire questo ruolo, ma il recente sviluppo di sensori distribuiti sulla base di scattering di Rayleigh e-onda spazzato interferometria offre una risoluzione adatta per il lavoro di validazione del codice di CFD. Migliaia di misure di temperatura possono essere generati lungo una singola fibra ottica sottile a centinaia di Hertz. I sensori funzionano su grandi intervalli di temperatura ed entro i liquidi opachi in cui tecniche ottiche non sono adatti. Ma questo tipo di sensoreè sensibile alla deformazione e l&#39;umidità e la temperatura e quindi la precisione è influenzata da manipolazione, vibrazioni e variazioni di umidità relativa. Tale comportamento è molto diverso da sensori tradizionali e sono necessarie per garantire misurazioni accurate procedure di installazione e funzionamento in modo non convenzionale. Questo documento dimostra attuazione di un sensore di temperatura distribuita Rayleigh scattering tipo in un esperimento di miscelazione termico coinvolge due getti d&#39;aria a 25 e 45 ° C. Vi presentiamo i criteri per guidare la selezione di fibra ottica per il sensore e descrivere setup di installazione per un esperimento del getto di miscelazione. Illustriamo baselining sensore, che collega le letture ad un livello di temperatura assoluta, e discutere questioni pratiche come ad esempio gli errori dovuti al flusso indotta vibrazioni. Questo materiale può aiutare coloro che sono interessati a misure di temperatura con elevata densità di dati e la larghezza di banda per gli esperimenti dinamica dei fluidi e applicazioni simili. Evidenziamo insidie ​​specifiche per questi sensori per considezione nel disegno esperimento e funzionamento.

I dati grezzi DTS è tracciata nella fig. 6 mostra DT misurato dalla temperatura basale (circa 20 ° C) in funzione della distanza lungo il sensore. I dati sono &quot;grezzi&quot;, nel senso che esso non ha né stato convertito alla temperatura assoluta né mappato a posizioni fisiche all&#39;interno della sezione di prova. I dati si basa su una lunghezza calibro 30 mm, che fornisce 1.666 misurazioni indipendenti per tutta la lunghezza del sensore di 50 m. Il calibro 30 millimetri è stato applicato ad intervalli di 10 mm in una modalità di sovracampionamento che aumenta il numero di punti dati a 5.000. Tale densità dei dati non è possibile con i sensori convenzionali come TC. A x = 0 in Fig. 6 il sensore è all&#39;estremità orientale del serbatoio, e come x accresce loop avanti e indietro verso l&#39;estremità ovest. Picchi si verificano in cui il sensore passa sopra il getto est calda e poi dissolvenza dove è sopra il je ovest freddot. La trama illustra come anche il segnale grezzo da una singola DTS in grado di fornire una rappresentazione di base della temperatura su una piuttosto ampia regione. Notare il rumore del segnale verso l&#39;estremità ovest della fibra, che è dovuto alla vibrazione indotto dal flusso. Sebbene vibrazione non era visibile a occhio nudo, era sufficiente a degradare il segnale e vediamo questo problema più spesso con sensori lunghe (&gt; 10 m). I dati grezzi è mappato sulla sezione di prova in Fig. 7, che mostra la temperatura in tutto il piano di misura 0,5 x 0,8 m formato dalla matrice DTS. Il punto di vista è da sopra serbatoio guardando verso il basso sul coperchio. Lineamenti di canali esagonali sono compresi come un aiuto di orientamento. Il profilo è basato su 4.067 punti di dati in quanto le spire nastrate sotto il coperchio sono esclusi. interpolazione lineare tra i segmenti adiacenti sensore è stato usato per creare il contorno 2D. the contorno fornisce un chiaro senso del modello termico sotto il coperchio con una regione calda sopra il getto est, ma non è centrata intorno ad esso. Anche evidente è una simmetria di massima intorno al piano mediano del serbatoio, che è y = 0 sul terreno. Questo tipo di dati di temperatura è un complimento utile per i dati di velocità in fluidodinamica studi che coinvolgono miscelazione termica e il trasferimento di calore. validazione del codice rigoroso richiede tali dati ad alta risoluzione per entrambi i campi di temperatura e velocità. Gli stessi dati rilevati possano essere utilizzati per rivelare la grandezza delle fluttuazioni di temperatura. I RMS (scarto quadratico medio) del set di dati di scansione 2.000 sono tracciati in figura 8. Magenta segna la regione in cui le fluttuazioni di temperatura sono relativamente elevati. Questo è anche una regione di elevata turbolenza in cui i due getti aumento interagiscono come incidano sul coperchio. dati RMS è utile per modellare la turbolenza nel contesto di miscelazione termica. Figura 1. Interrogator schematica. Componenti Principio di ottica interrogatore sensore distribuito per le misure di temperatura. Il sistema si basa su lunghezza d&#39;onda spazzato interferometria, che caratterizza la firma Rayleigh backscatter del sensore. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figura 2. sezione di prova a getto d&#39;aria di miscelazione esperimento:. L&#39;aria entra serbatoio attraverso base tramite due condotti esagonali e miscele prima di uscire attraverso la parte superiore di sfiato. Lo schermo nero che copre la finestra coperchio è 3 mm sopra il DTS (non visibile). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>facilità clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figura 3. DTS configurazione di montaggio. Vista dall&#39;alto del carro armato che mostra DTS intrecciati tra fili di sostegno in acciaio infilate attraverso l&#39;asse lungo della vasca. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figura 4. DTS primo piano. Close-up fotografia di DTS con la vista dall&#39;interno del serbatoio verso l&#39;alto ad coperchio per mettere in evidenza i loop del sensore, l&#39;attaccamento, e la posizione del primo punto di prova da mappare con saldatore. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questo fi</a>figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figura 5. segnale di scattering di Rayleigh. Tipico segnale di scattering di Rayleigh registrato con utility di configurazione del sensore (sonda breve qui mostrato per chiarezza). La corretta terminazione genererà goccia segnale acuto al rumore di fondo. Il leggero passo di segnale e di riflessione modesta sul connettore è caratteristica di un connettore correttamente impiombato. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figura 6. I dati grezzi DTS. Una singola scansione di DTS dati grezzi con il getto est calda a 45 ° C e jet ovest freddo a 25 ° C. Picchi si verificano in cui il sensore è direttamente<html> sopra getto caldo. Ricordiamo che il sensore sia loop avanti e indietro tra le pareti del serbatoio. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figura 7. misurata la temperatura dell&#39;aria sotto il cappuccio. DTS dati grezzi convertiti alla temperatura assoluta e mappati alla posizione fisica all&#39;interno del serbatoio. I dati sulla base di 2.000 scansioni registrati a 4 Hz. spaziatura dati 10 mm per un totale di 4.067 punti dati tracciati. interpolazione lineare utilizzato per riempire le regioni tra i segmenti del sensore. Esagoni mostrano le posizioni di insenature. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figura 8. Root Mean Square (RMS) della temperatura misurata. RMS di dati tracciati in Fig. 7. Magenta indica le fluttuazioni di temperatura elevata e miscelazione termica di getti caldi e freddi. Esagoni mostrano le posizioni di insenature. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Tabella 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabella 1. ordine di tempo di risposta termica grandezza per i tipi di fibra selezionati e configurazioni abitative in flussi incrociati a 1 m / sec e 20 ° C. <img alt="Tabella 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabella 2. limiti di temperatura di funzionamento approssimativo e le sensibilità di umidità per le configurazioni di rivestimento selezionati.

Si dimostra l&#39;uso di un sensore distribuito in fibra ottica per la mappatura del campo di temperatura di miscelazione getti d&#39;aria. Il sensore dispersione a base Rayleigh genera migliaia di punti di dati lungo una singola fibra per fornire risoluzione spaziale eccezionale che è irraggiungibile con sensori tradizionali quali termocoppie.

Fibre ottiche sensori distribuiti per alta risoluzione Mappatura temperatura Campo

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

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.

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