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

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。