Name: 高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 学ぶ光ファイバー分散センサを用いた高分解能温度場マッピング法。レイリー散乱で数千のデータポイントを生成し、乱流熱伝達のCFD検証に活用できます。従来の熱電対では得られない詳細な温度分布測定が可能です。

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著者は、Luna InnovationsのTyler Gorney氏とAida Rahim氏に対し、私たちのアプリケーションに対する貴重な技術的洞察と支援に感謝します。
提出された原稿は、アルゴンヌ国立研究所(以下「アルゴンヌ」)の運営者であるUChicago Argonne, LLCによって作成されました。アルゴンヌは、米国エネルギー省の科学局の研究所で、契約番号に基づいて運営されています。DE-AC02-06CH11357。この作業は、米国エネルギー省の原子力エネルギー局の支援を受けました。

アプリケーションのための1.最適なセンサータイプ<ol><li>サンプリング速度およびデータ点の数との間のトレードオフに基づいて、センサの長さを選択します。 注：One質問器サンプルセンサまでの長さはメートル50から2.5 Hzから解像度で、&lt;10ミリメートル、他のサンプルセンサながら、最大10メートル、長さ5ミリメートルの解像度と100 Hzで。 </li><li>サービス温度制限、時間応答、湿度感度、およびインストール構成（裸またはキャピラリー中）の要件に基づいて、単一モード光ファイバの種類を選択します。 注：ここでは、155μmの直径のポリイミドコーティングされたシングルモードの商用通信光ファイバを使用してきました。 注：我々は我々の研究室で使用している繊維と構成の例として、 表1と表 2を参照してください。 </li></ol> 2.テストセクションに光ファイバをインストールします。 <ol><li>長いガラス側板の1つを取り外して、オープンテストセクション。 </li><li>ドリル直径1mmの穴側壁ワイヤアンカー（ 図3）のための蓋下3 mm単位。 注：アンカーはセンサーをサポートする鋼線を保持します。アンカーピッチは、試験部のサイズおよび流れから予想される動的負荷に応じて変化させることができます。ここで使用される20ミリメートルピッチが1メートル/秒に近い流れで最小の振動と安定した証明しました。振動が壊れるのDTS信号と長いセンサー15,16と、より問題があります。 </li><li>文字列タンクの両端にある真鍮のアンカーにそれを結ぶことにより、テストセクション全体で127μmの直径の鋼線材。タンク全体に張ら47ワイヤセグメントの合計があるまで繰り返します。 </li><li> （0.5メートル&lt;可能性が高いが、スプライシングでの習熟度に依存する）スプライシングコネクタおよび終端繊維で消費される準備金との通信/電気技師のはさみを用いた光ファイバの50メートルをカット。小さなスプールにこの繊維を収集し、直径〜50ミリメートル。 </li><li>温度ウィットを測定するために選択された領域の一端に第1センサセグメントを築きますHセンサアレイ。 注：最初のセグメントが位置に固定された後、繊維は、隣接するセグメントに対してループ位置に固定され、より多くの繊維は、すべての繊維が使用されるまで、アレイを構築し、反復プロセスの次のセグメントに分配されます。 </li><li>必要に応じてスプールから他、調剤ファイバにタンクの一方の側から作業、隣接する配線の上方および下方繊維を織ります。 注： 図2に示すように 、繊維は、ワイヤに垂直です。他の内の1つの方向と流れに重力の力に抗して、それを支える織りと3。 </li><li>従来の明確なテープまたはポリイミドフィルムテープで蓋に第1のファイバセグメントの各端に取り付けます。配列の最初のセグメントは、所定の位置になりました。 注：ギターの弦のようにぴんと張らセンサーが、真っ直ぐで、可視たるみを取るには十分ではなくピンと張った状態を修正しないでください 。センサーがサポートで、小さな変形を引っ張られた場合は、 例えば 、熱EXPAN蓋のシオンは、この緊張を変更し、異常信号のオフセットと測定誤差が発生します。 </li><li> 図に示すように、ループ繊維180度は、次のセグメントのためにそれをバック戻ります。 4と第1のセグメントから10mmの距離で蓋にテープを。 注：それは「無駄な繊維」（配列の一部ではない）であるため、ループの直径を最小化し、それが許容応力のために約30 mm以上でなければなりません。ここで使用される繊維は目立っ信号損失で数ヶ月のための30ミリメートルの直径のループを容認しているが、限界が繊維の種類によって異なります。ここで使用される繊維は、製造元は≥10ミリメートルと≥17ミリメートルとして「長期」限度として「短期」曲げ半径の制限を指定します。 </li><li>再び位置にタンクとテープの反対側に配線間の繊維を織ります。すべての繊維が使用されるまで、ループテーピング、および製織プロセスを繰り返します。 </li></ol> 3.スプライスコネクタとTerminaファイバへン<ol><li>製造業者の使用説明書17以下の融着接続機を使用してファイバの一端にLC型シングルモードコネクタスプライス。 </li><li>電気技師/通信ハサミで〜0.25メートル終端繊維をカットし、製造業者の指示に従って、融着接続機で再び、光ファイバの他端にスプライス。 注：このアセンブリ（ファイバ、コネクタ、および終端）は、現在、「センサ」と呼ぶことにします。終端ファイバは、質問に戻ることを防止するために、レーザパルスからの残差信号を分散させます。 </li></ol> 4.センサの設定<ol><li>質問器ポートにセンサーのLCタイプコネクタ端を接続し、設定ソフトウェアを起動します。 </li><li>スキャンが完了すると自動的に表示され、「取得」（温度データとは異なる）を選択することによって、センサ振幅データを生成します。 注：遺伝子を持つことになり、良好なスプライスとセンサーのトレース図1に示すRAL特性。 5。悪いスプライス不明瞭ノイズフロアまたはコネクタが予想される支配的な反射によって示すことができます。貧しいスプライスが疑われる場合は、ステップ3とスプライシング手順を繰り返すように戻ります。 </li><li>センサーの最初と最後に赤いカーソルを画面に表示されている黄色のカーソルをドラッグすることで、センサの活性部分を選択します。 </li><li>センサーに名前を付け、「センサーファイルを保存」を選択します。 注：センサーは現在設定され、使用できるようになります。 </li><li>コンフィギュレーション・ソフトウェアを終了し、測定ソフトウェアに切り替えます。 </li></ol>テストセクション内の5地図センサーの位置<ol><li>質問器の測定ソフトウェアを起動し、ちょうど構成されたセンサをロードします。 </li><li> 5〜10分間予熱、〜40％に設定された可変変圧器へのはんだごてを接続します。 注：はんだごては、マッピングのための局所的な温度スパイクを生成します。はんだごて缶メートルそれほど明確スパイクを取得するだけの十分な電力を使用して、低トランス設定で始まる繊維コーティングをELTとセンサーを台無しに。 10-20℃のスパイクは、このプロセスには十分。 </li><li>画面上でライブデータをプロットする質問器のソフトウェアで「測定」を選択します。 </li><li>画面上のセンサ全体を表示するには、ズームアウト。 </li><li>センサーの近くに半田ごてを持って、簡単に最初のマッピング点でそれに触れて、ここでそれは蓋満たしベントからセグメント遠い（図4）。 </li><li>テストセクション内の対応する物理的な場所と一緒にソフトウェアによって示されるように温度ピークのレコード位置。 </li><li>すべての49のセグメントのエンドポイントをマップするために5.5から5.6を繰り返します。 </li></ol> 6.センサーベースライン：絶対温度へのリンク<ol><li> DTS近い位置1つ以上の温度基準、 例えば 、TC又は抵抗温度検出器（RTD）は、絶対的なTE標準連結DTSの読みとして機能しますmperature。 </li><li>ステップ2.1で削除された長いガラスサイドプレートを交換することにより、タンクをクローズアップ。 </li><li>毛布や従来の断熱パネルでそれをラップすることにより、タンクを絶縁し、それが等温雰囲気を​​確立するために一晩座ってすることができます。 </li><li> 、質問ソフトウェアを起動し、「ベースライン」（または「風袋」）を選択して、同時に注意/ TC（またはRTD）の読み取りを記録。ソフトウェアは、ベースラインで終了すると、選択し「測定」は、ベースラインの品質を検査するために生データをプロットします。 注：この重要なステップは、DTSのベースラインを確立し、信号が今、ゼロを示す必要があり、 すなわち 、ΔT（x）の度合いを0±割合を=。 - T（x）はABSがファイバに沿っ絶対温度であり、Tのベースは 、ベースラインであるT 塩基 、ΔT（x）は= T（x）がABS：タンク温度が基準温度から発散するように、今から、信号が変化します温度6,18。試験切断面の場合nは非等温である、T ベースは位置の関数、 すなわち 、T 塩基 （X）になり、T 塩基（x）は 、複数のTCまたはRTD（議論のセクションを参照）にマッピングされていない限り、精度が損なわれます。 移動しないでくださいステップ7が完了するまで、またはいずれかの方法でそれに負担が測定精度を低下させる可能性がオフセットを導入することができます。センサーをタッチします。 </li><li>ゼロから遠くドリフトしてはならないライブ信号を、調べます。ドリフトがアプリケーションのために過剰である場合には（私たちの限界はおよそ0.5〜5分後に°C）で、試験部のためのより多くの時間が熱平衡に達し、および/または絶縁性を向上することができます（下記の注を参照）、その後、ステップ6.4を繰り返します。 注：信号の品質がすぐにベースライン後に常に最善であると試験部内の温度分布に応じて時間をかけてドリフトします。ベースライニングの前に良好な絶縁性と長い待機期間は、ドリフトや測定誤差を低減します。かなりの、急速なドリフトは、テストセクションがないであることを示します最終的には不正確な測定につながる等温、。 </li><li>質問機ソフトウェアのロギング機能を選択して、ちょうどベースラインを生成するのに使用したのと同じ停滞、等温条件のためのDTSデータの10-100スキャンを記録。また、録音TC / RTDの読書。 注：これは試験部または支持体の流れまたは予期しない変形からの歪みによって生成することができるオフセットの事後チェックのための予備データです。 </li></ol> 7.テストの実行<ol><li>空気の流れを生成し、各チャンネルに1.25キロ/秒で流量と一致するように流量コントローラを調整するためにコンプレッサーをオンにします。 注：平均流入速度は1.1メートル/秒であり、レイノルズ数は10,000です。 </li><li>周囲温度であり、西ジェット、上記東ジェットを暖める600 Wに設定しヒータ電力20°C。 </li><li>システムが平衡に到達するために夜間に実行することを可能にします。 </li><li>次の日は、ノイズレベルを評価するためのライブDTS信号を調べます。センサー「ゲージリットルを選択許容可能なノイズレベルを達成するためのソフトウェアでength &quot;（30ミリメートルゲージがここで使用されます）。 注：ゲージ長は、空間分解能のセンサに対応します。一般に、信号ノイズが大きくなるゲージ長さが減少するにつれて、フローによって誘発される振動が大きくなるように（ユーザーガイドおよび基準13及び14を参照）。 </li><li> 4 Hzで2000 DTSスキャンをログに記録します。 </li><li>ヒータ電力と空気の流れをオフにします。タンクはチェックをオフセット平衡に達すると事後テストのために保存試験前のデータセットを補完するために10-100 DTSスキャンを記録するために一晩放置します。 </li></ol> 8.データ解析<ol><li>独自のバイナリ形式であるテストデータを、質問ソフトウェアのメインウィンドウでの後処理機能を選択し、インポートします。 </li><li>従来のスプレッドシートプログラムで読み取ることができプレーンテキストファイルとしてデータをエクスポートします。 注： - T ベースこのデータは、ΔT（X）= T（x）の絶対繊維に沿って測定されたΔTを表します。それはへの参照が含まれていません試験セクションの位置（ 図6参照）。その他の詳細は、このステップと次のための質問機のユーザーズ・ガイドとリファレンス6と16でご利用いただけます。 </li><li>従来のスプレッドシートにインポートするテキストデータとは、すべてのデータに、ステップ6.4でTCまたはRTDによって測定されたT ベースラインを 、追加することにより、絶対温度に変換します。 注：我々はテストセクションは、ベースライン時に等温であったことを規定しているので、T（x）はABS =ΔT（x）は+ T ベースライン ：絶対温度への変換は、単に単一値のオフセット補正です。 </li><li> T（x）のデータを分解し、 図7および図8に示すようなテストセクション内の物理的な位置にマップするために、表計算ソフトや同様のデータ操作プログラムを使用してください。 注：プログラムは、ステップ5で半田ごてで収集したデータを利用します。 </li></ol>

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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

我々は、流体力学の実験でDTSを使用することを実証しました。これらのセンサの主な利点は、単一のセンサから得られる測定点の大きな数です。ここで使用DTSははるかにこのような熱電対のような従来のポイントセンサの実用的な限界を超えて、0.5×0.8メートル面全体に4067点のデータを生成しました。このようなデータ密度は、レーザ誘起蛍光（LIF）などの光学技術により超過することができますが、DTSは、光アクセスを欠いている不透明な流体およびアプリケーションで機能します。 DTSの高いデータ密度は、計算流体力学コードの検証に関係する実験のために適しています。 ベースラインは、測定精度を決定する際のプロトコルと中央における重要なステップです。等温試験部は、ベースライン時に全体DTSは1温度であることを確認することが不可欠です。これが不可能な場合、T 塩基は Tと塩基 （X）、MAPPあるべきなりますDTSに近接して配置された複数のTCによってエド。ベースラインの品質がこの方法で向上させることができるが、それは絶対的な温度への変換のための基準にDTSの基準をマッピングするプロセスを複雑にします。 常に予測不可能な信号シフトを導入することができ、ベースライン後の歪みの発生源に目を光らせ、上にあります。このようなソースは、センサ、支持体の動き、高流量から動的ロード、または流動励起振動を伸ばし、例えば、試験部の熱膨張です。等温条件下で前と事後テストの測定は、このような問題を特定するのに役立ちます。 ひずみ感度はこのレイリー散乱に基づくDTSの主な欠点です。熱電対のような従来のセンサとは異なり、それが取り扱い、湿度、振動に敏感です。これらの問題は、ここで実証裸のセンサ構成のために最も関連しているが、はるかに重要な毛細血管内に収容されたセンサ用。 従来のセンサとは異なり、DTSは、NIST（国立標準技術研究所）として認識された校正標準にトレース事務処理で調達することはできません。 その場校正がいくつかでは困難であってもよい、好ましくは等温試験部と、必要とされますアプリケーション。振動は、大規模なテストセクションを横切って張らベアファイバのための特別な関心事です。私たちは、1.7メートルのセグメント長でタンクの長軸にまたがる垂直配向アレイとの混合成功を収めています。一つの研究18の間によく行っ繊維と16セグメントの28メートルの構成を例示したが、しかし、29セグメントと53メートルに拡張しようとしたが失敗した16でした。 一般に、任意のセンサの長さおよび構成のための信号ノイズは、質問ソフトウェアはレイリー信号のずれを算出し、これは効果的な空間分解能を減少させる上でのゲージ長さを増加させることによって減少させることができます。各アプリケーションは、信号雑音と空間分解能の間、自身のバランスを取る必要があります。再び、このような困難性は、主に、拡張熱応答時間を犠牲にし、毛細管内のセンサを収容することによって回避することができます。 この比較的新しい温度測定技術は、振動に対する感受性を低下させるための開発が必要となります。この作業の多くは、必ずしも質問器のハードウェアとソフトウェアを含むであろう。センサー自体も、ファイバ被覆の影響を受ける処理と湿度変化に対する感度を低減するために改善することができます。作業は現在市販されているポリイミド、アクリルコーティングされた繊維に優れたコーティング剤の開発に集中できます。

計算流体力学（CFD）コードは、動脈血流まで飛行機や自動車の周囲の空気流から、流体システムの様々なシミュレートするために使用されます。このようなシミュレーションの範囲と忠実度は計算能力の可用性と成長してきました。しかし、高度なシミュレーションの高度化にもかかわらず、その精度と信頼性は、多くの場合、定量化するのは難しいです。実際には、CFDコードの精度は、コード検証と呼ばれるプロセスにおける実験データとシミュレーションを比較することによって評価されます。 典型的な実験データセットは、厳密なコードの検証を容易にするための理想的なの高空間分解能と時間分解能の両方を速度と温度の測定値の主に構成されています。速度場は、粒子画像速度測定（PIV）、十分に確立された光学技術1,2を用いて高分解能でマッピングすることができます。対照的に、PIVに匹敵する分解能での温度場をマッピングすることは困難です。 Opticaこのようなレーザー誘起蛍光としてL技術が3,4使用可能であるが、カメラと、比較的高出力のレーザーを必要とし、不透明な流体には不適当です。 代替案は、レイリー散乱に基づいており、掃引波長干渉（SWI）5-7分散型温度検出の比較的新しい技術で利用可能です。温度測定の数千人は、単一の光ファイバに沿って取得することができます。分散型温度センサー（DTS）は、画像ベースの技術8には適していない環境での大規模な流れ場と機能にまたがることができます。そこ9,10ラマン散乱とブリルアンに基づいてのDTSもありますが、レイリー散乱とSWIに基づくセンサは、典型的な流体力学実験のためのより適切な空間および時間分解能を提供します。 しかし、このようなレイリーscatteに基づいて、熱電対（TCS）、センサーまでの伝統的なセンサーのそれを超えたDTSのオファーデータ密度リング応答は、温度11と同様に歪みます。繊維コーティングは吸湿性である場合、センサは、12,13を変更湿度に対応しています。水蒸気の吸収は、脱着が14を縮小しながら、コーティングの膨潤基礎となるガラス繊維株および信号を変更します。その結果、精度が取り扱い、振動、及び相対湿度の変化に影響されます。これは非常に伝統的なセンサーとは異なりますので、型破りなインストールおよび測定方法は、正確なデータを得ることが観察されなければなりません。本論文では、精度を確保するためのプロトコルおよびガイドラインを提示し、熱混合実験ではDTSの使用方法を示します。 ここで使用するDTSは光ファイバ導波路内のレイリー散乱の検出および分析に基づいています。ファイバコアに沿って不純物や構造変化のランダムな分布は、繊維と一般に安定に固有の後方散乱パターンを生じさせます。スペクトル振幅このパターンの繊維署名として機能するように読み取ることができます。このような温度変化や歪みなどの物理的変化は繰り返しの方法で署名を変更し、署名の変動を検出するセンサとして光ファイバを使用するための基礎です。 図1は、光電子検出装置の原理構成要素を示す、光分散センサ質問器と呼ばれ、単に「質問器」としてここに示されます。掃引波長干渉として知られている技術では、低出力波長可変レーザは、得られた後方散乱5-7の登録のために繊維に狭帯域信号を起動します。レーザーは、数ナノメートルの間隔や基準及び測定の足の間の信号の分割にわたって掃引されます。センサからの散乱光を検出器で干渉信号を生成する基準信号と組み合わされます。検出器の出力は、デジタル化され、レイリー散乱信号を取得するために分析されます。 Rayleセンサ温度（歪み、または湿度）の変化の波長でセンサーシフトのIGH署名。この波長シフトの大きさは、TCのゼーベック係数と類似の校正係数を有する繊維の種類に関連する物理定数である感度、センサに関係します。 図2は、本研究で使用した試験部としてのガラスタンクを示しています。タンクの後ろのカメラは、スケールの感覚を与えます。空気は2六角形のダクトを通って入り、ベントから出る前に混合します。他には、純粋な空気をままジェットを強調表示するには、一つのフローストリームは、オイルミストを播種しました。タンクの蓋は黒ポリマースクリーンで覆われた窓を有します。写真では見えていないが、DTSが黒画面の下に吊り下げられています。 図2に示す50としてメートル長いDTSは、タンクの蓋の下に装着しました。 3。これは、155μmの直径のポリイミドコーティングした光ファイバから作られましたタンクエンドパネルとの間に張ら127μmの直径の鋼線に停止しました。センサは、交互のパターンで配線を介して織り、タンクを横切って前後に49回ループしました。これは、0.5×0.8 m個面にわたり、10mMの間隔でオーバーサンプリングされた場合4ヘルツから30mm、4,067データポイントの空間解像度で1,355独立したデータ点を生成します。このような高密度の温度データは、速度データを補完し、CFDの検証のためのデータセットの値を増加させます。プロトコルは、流体力学の実験でDTSを使用して、特定の問題に焦点を当てながら、センサ選択、製造、および設定のプロセスの概要を説明します。

<table><tbody><tr><td>センサー取調器</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-Aと-B</td><td>2つのシステムは、主に速度と空間分解能が異なります</td></tr><tr><td>融着接続機</td><td>フジクラ</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>クリーバー</td><td>フジクラ</td><td>CT-3A</td><td></td></tr><tr><td>3穴ジャケットストリッパー</td><td>ファイバー機器販売</td><td>F11301T</td><td></td></tr><tr><td>光ファイバー</td><td>OFS スペシャリティフォトニクス事業部</td><td>BF06160-02</td><td>ポリイミドコーティング</td></tr><tr><td>光学ファイバーニュー</td><td>ポート株式会社</td><td>F-SM1500-4.2/50</td><td>アクリルコーティング</td></tr><tr><td>コネクタ</td><td>AFL グローバル</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>終端ファイバー</td><td>OFS、特殊フォトニクス部門</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

高分解能温度フィールドマッピングのための光ファイバの分散センサ

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

計算流体力学（CFD）コードの信頼性は、実験データとシミュレーションを比較することによってチェックされます。典型的なデータセットは、速度と温度の測定値の主に、両方の理想的に厳密なコードの検証を容易にするために、高い空間分解能と時間分解能を持つ構成されています。高分解能の速度データが容易にそのような粒子画像速度測定などの光学測定技術を介して取得されているが、同様の分解能で温度データを得ることが困難であることが判明しました。このような熱電対のような従来のセンサがこの役割を埋めることはできませんが、レイリー散乱と掃引波干渉法に基づく分散センシングの最近の開発は、CFDコードの検証作業に適した解像度を提供しています。温度測定の数千人がヘルツの何百もの単一の細い光ファイバに沿って生成することができます。センサーは、大きな温度範囲にわたって、光技術は不適当である不透明な流体内で機能します。しかし、このタイプのセンサー歪みや湿度だけでなく、温度に敏感であるので、精度は、取扱い振動、および相対湿度の変化に影響されます。このような挙動は非常に伝統的なセンサーとは異なりますので、型破りなインストールと操作手順は、正確な測定を確保するために必要です。本論文では、25と45℃の2つの空気ジェットを伴う熱混合実験でレイリー散乱型分散型温度センサの実装を示しています。私たちは、センサ用光ファイバの選択を誘導し、ジェット混合実験用のインストール・セットアップを記述するための基準を提示します。私たちは、絶対温度標準に読みをリンクするセンサーベースラインを、示しており、このような流動励起振動に起因する誤差として実用的な問題を議論します。この材料は、流体力学の実験と同様の用途のための高データ密度及び帯域幅を有する温度測定に興味のある人を助けることができます。私たちは、consideraのためのこれらのセンサに特有の落とし穴を強調表示しました実験の設計および動作でる。

生DTSのデータを図にプロットされています。 6センサーに沿った距離に対するベースライン温度（約20℃）からの測定ΔTを示します。データは、絶対温度に換算することも、テストセクション内の物理的位置にマッピングされているどちらという意味で「生」です。データは、50メートルの完全なセンサ長にわたって1666の独立した測定値を提供する30ミリメートルゲージの長さに基づいています。 30mmゲージ5000へのデータポイントの数を増加させるオーバーサンプリングモードに10mm間隔で適用しました。このようなデータ密度は、技術委員会のような従来のセンサーを備えた実用的ではありません。 図中のx = 0で。 6センサは、タンクの東端にあり、xが増加すると、それは西の端に向かって前後にループします。ピークはセンサーが熱い東ジェット上を通過する場合に発生し、それが冷たい西のjeの上にあるフェードトン。プロットは、単一のDTSからの生の信号はかなり広い領域にわたって温度の基本的な描写を提供することができますどのようにさえ示しています。流動励起振動に起因する繊維、の西の端に向かって信号ノイズに注意してください。振動が肉眼では見えませんでしたが、信号を劣化させるのに十分であったと我々は長いセンサー（&gt; 10メートル）で最も頻繁にこの問題を参照してください。 生データは、 図中の試験セクションにマッピングされます。 DTSアレイによって形成された0.5×0.8メートルの測定面全体の温度を示している7、。ビューのポイントは、蓋の上に見下ろしタンクの上からです。六角形のチャネルの概要は、オリエンテーション助剤として含まれています。蓋の下にテープで留めループが除外されているので、輪郭が4067のデータポイントに基づいています。隣接するセンサーセグメント間の線形補間が、2D輪郭を作成するために使用されました。 目Eの輪郭は東ジェットオーバー暖かい領域と蓋の下の熱パターンの明確な感覚を提供していますが、それを中心としません。また、明らかにプロット上のy = 0であるタンクのミッドプレーン、周りのラフな対称性があります。温度データのこの種の熱混合及び熱伝達を伴う流体力学研究における速度データへの便利な賛辞です。厳格なコードの検証は、温度と速度場の両方のために、このような高解像度のデータを必要とします。 同じセンサデータは、温度の変動の大きさを明らかにするように処理することができます。 2000スキャンデータセットのRMSは、（二乗平均平方根）は、 図8にプロットされている。マゼンタは、温度変動が比較的高い地域をマーク。これはまた、2つの立ち上がりジェットは蓋の上に衝突するように相互作用の高乱流の領域です。 RMSデータは熱混合の文脈において乱流モデルのために有用です。 図1.質問の概略図。温度測定用の光分散センサ質問器の原理コンポーネント。システムは、センサのレイリー後方散乱シグネチャを特徴付ける掃引波長干渉計に基づいている。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> 図2.テストセクションエアジェットが実験を混合：空気は上部通気孔を通って出る前に2つの六角形のダクトとミックスを介してベースを介してタンクに入ります。蓋ウィンドウをカバーする黒い画面が（見えない）DTS上記3ミリメートルである。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">PL</a>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックして容易になります。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> 図の構成を取り付け3. DTS。タンクの長軸を横切って張ら鋼支持線間織りDTSを示すタンクの上面図。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> 図4. DTSクローズアップ。クローズアップセンサーループ、添付ファイル、およびはんだごてでマッピングされた最初のテストポイントの位置を強調するために蓋に上方タンク内からの眺めとDTSの写真。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。このFiのの</a>グレ。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> 図5.レイリー散乱信号。センサ構成ユーティリティ（明瞭にするためにここに示したショートセンサ）で記録された典型的なレイリー散乱信号。適切な終端は、ノイズフロアに鋭いシグナルの低下を生成します。コネクタにわずかな信号のステップアップと控えめな反射が適切にスプライスされたコネクタの特性である。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> 図6.生DTSデータ。25℃で45℃のホット東ジェットと生DTSデータの単一のスキャンと冷たい西ジェットセンサーが直接ここでピークが発生します<html>ホットジェット上記。センサーはタンク壁との間で前後にループしていることを思い出してください。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> 図7.蓋以下の測定気温は。生データが絶対温度に変換し、タンク内の物理的な位置にマッピングされたDTS。 4 Hzでログインして2000のスキャンに基づくデータ。 4,067の合計データ間隔10ミリのデータポイントをプロットしました。線形補間は、センサーセグメント間の領域を充填するために使用されます。六角形は、入口の位置を示している。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; 図8.ルートデータの測定温度の二乗平均（rms）。RMSは、図1にプロットしました。 7。マゼンタは、高温度変動やホットとコールドジェットの熱混合を示しています。六角形は、入口の位置を示している。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="表1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> 1メートル/秒および20℃でのクロスフローで選択される繊維の種類や住宅構成の大きさの熱応答時間の表1注文。 <img alt="表2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> 表2.選択されたコーティング構成のおおよその動作温度範囲と湿度感度。

我々は、空気ジェットを混合する温度場をマッピングするためのセンサを分散光ファイバの使用を示します。レイリー散乱に基づくセンサは、熱電対のような従来のセンサと達成できない例外的な空間分解能を提供するために、単一のファイバに沿ってデータポイントの数千を生成します。

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

本実験の全体的な目的は、高解像度の流場データを提供することで数値流体力学（CFD）コードを検証し、乱流における熱伝達を正確にシミュレートできるかを確認することです。この高度な温度測定技術を用いることで、市販の通信用ファイバーで作られた単一のセンサーに沿って数千ものデータポイントを生成できます。これにより、熱電対のような従来のセンサーを遥かに凌駕するデータ密度を得ることが可能です。しかし、熱電対とは異なり、これらの光ファイバーセンサは温度だけでなく歪みに対しても感度を持ちます。そのため、取り扱い、振動、および湿度の変化が温度信号に影響を与えます。この歪み感度は、従来のセンサとは大きく異なります。正確なデータを取得するには、特別な操作手順と慣行が必要であり、ここではそれを実演します。分散型温度センサ（DTS）を、このテストセクションを用いて実演します。これは、底部に2つの六角形空気ダクトが取り付けられたガラス製タンクです。内部で混合された空気は、上部のベントから排出されます。トップパネルの内側には、DTSの設置箇所を覆う黒いポリマー製スクリーンがあります。トップパネルとサイドパネルを取り外すことで、テストセクションの内部にアクセスできます。試験セクションの上部に、20 mmピッチの鋼線が張られています。測定領域において、これらの鋼線は分散型温度センサの光ファイバを支持しています。光ファイバは鋼線に対して垂直に配置され、10 mm間隔で設置されています。DTSの開始部分には、スプライシングと末端処理用に約1メートルのファイバーが確保されています。セグメントは、測定領域の一端から他端まで、隣接するワイヤーを通して編み込まれています。ファイバーをループさせて隣接するセグメントを開始し、末端をテープでテストセクションに固定します。これは最終試験セクションのレイアウトを上から見た概略図である。鋼線はダクトを含む領域を覆っている。分布型温度センサのファイバは、ダクト上の領域で鋼線に織り込まれている。DTSの光ファイバーを配線するには、以下の手順に従ってください。まず、50 mのファイバーのスプールを用意し、タンク外のコネクタに接続するためのスプライス用リザーブ分を繰り出します。リザーブ部分より先のファイバーを、テストセクションの蓋に固定します。次に、最初の新しいセンサーセグメントの開始に使用するファイバーを約0.5mほど解き出します。数百mmのファイバーをワイヤーメッシュの上に置き、ループ状に成形します。隣接するワイヤーの上と下を交互に通りながら、ループをサポートワイヤーに編み込んでいきます。タンクの反対側に到達したら、最初の2つのセンサーセグメントのファイバーをテープで固定する準備をします。最初のセグメントをピンと張り、蓋の裏側にテープで固定します。蓋に接着された定規を使用して、位置の指示およびセグメント間隔の制御を行います。流動中に位置が固定されるよう十分に張らせますが、テストセクションでの変形によってセンサーに負荷がかかり、測定誤差が生じない程度の張力に調整します。次に、固定されていないファイバー部分に直径約30 millimetersのループを作り、最初のセグメントから10 millimeters離れた位置でテープで固定します。2番目のセグメントのもう一方の端をタンクの蓋に固定します。次のセンサーセグメントのペアを開始するために、約0.5mのファイバーを繰り出します。最初の2つの検出器セグメントで使用した手順を繰り返し、さらにセグメントペアを作成します。センシングアレイが配置されたら、ファイバーの末端にコネクタを接続します。センサーを、センサーとインターロゲーターを接続するための黄色いディレイケーブルに差し込みます。ディレイケーブルをインターロゲーターに接続し、設定ステップを完了させてください。このセンサーインターロゲーターは、高速波長干渉法に基づいています。低出力の波長可変ダイオードレーザーが、狭帯域信号をファイバーに送信します。レーザーは数ナノメートルにわたって掃引され、信号は参照路と測定路に分割されます。センサーからの散乱光が参照信号と結合し、検出器で干渉信号が生成されます。検出器の出力を用いて、放出散乱信号を回収します。次に、センサーの位置をマッピングする必要があります。このため、はんだごてを可変変圧器に接続し、約40%に設定します。コンピューターでインターロゲーターソフトウェアを使用し、ライブデータを画面に表示させます。はんだごてを持ち、センサーの最初のセグメントの開始点に近づけ、センサーの近くに保持してから、終点に短く触れます。コンピューターでデータ収集を停止し、ピークを固定します。次に、温度スパイクを拡大して、ピークの位置と物理的な場所を記録します。各セグメントの開始点と終了点についても、同様の方法でデータを収集します。センサーの位置をマッピングした後、1つまたは複数の温度標準試料を準備します。このケースでは、タスクに熱電対を使用します。DTSの計測範囲内で領域を選択してください。DTSのファイバー付近に熱電対を取り付けます。内部での作業が完了した後、すべてのパネルを元の位置に戻してタンクを閉じます。続いて、何らかの断熱材でタンクを包みます。包んだ後、センサー周囲に等温状態が形成されるまで十分に放置してください。システムの準備が整ったら、インターロゲーターソフトウェアを起動し、測定を開始します。ベースラインを取得するには、まず測定を停止してください。次に、ベースラインを選択し、指定のフィールドにファイル名を入力します。測定範囲を選択し、OKをクリックしてベースライン処理を開始します。同時に、校正用に熱電対の温度読み取り値を記録します。ソフトウェアによるベースライン処理が完了したら、測定モードに移行します。システムが熱的に安定した状態であれば、センサーの全長にわたって信号はゼロになり、時間の経過とともにドリフトしなくなるはずです。この時点で、フローおよび加熱コントロールに移動して、ランの準備をしてください。エアフローをオンにした状態で、各チャネルの流量を調整して一致させます。パワーコントローラーを調整して片方のジェットを加熱し、ジェット間に目的の温度差を設定します。平衡状態に達するまで一晩動作させた後、システムに戻ります。ライブDTS信号を確認してノイズレベルを評価し、適切なゲージ長を選択してください。分散温度センシングシステムを使用して、4 Hzで2000回のスキャンを記録します。これは、基準温度からの温度差を測定した生データです。横軸の左端は、システムの境界にあるファイバーセグメントに対応しており、これを東端と定義します。右へ進むと、ファイバーは西端に向かって往復してループします。センサーがホットジェットの直上に位置する場所でピークが発生します。西端付近のノイズは、流れによって誘発された振動によるものです。ここでは、生データをテストセクションの各位置にマッピングしています。視点はDTSアレイの測定面を上から見た状態です。六角形チャネルの輪郭はA方向に向いています。データポイント間を線形補間することで、2D温度等高線マップを作成し、蓋の下の熱パターンの概況を把握することができます。赤色の領域は、東側ジェット上の温暖な領域を示していますが、その中心とは一致していません。また、センサーデータを用いて、温度変動の二乗平均平方根をマッピングすることも可能です。マゼンタ色の領域は、2つの上昇ジェットが蓋に衝突して相互作用し、温度変動と乱流が激しくなる領域です。レイリー散乱に基づいた単一の光ファイバーセンサーを用いることで、熱電対では不可能な、全領域の詳細な温度分布を示す数千点の測定値を生成できることが分かりました。測定精度を確保するためには、ベースライン設定後のひずみ制御に十分注意し、センサー支持構成を慎重に設計することで、流れによる振動を最小限に抑えてください。この分散センシング技術は、不透明な流体での温度測定や、レーザーやカメラに依存する光学的手法が適さないその他のアプリケーションに、新たな可能性を提供します。

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