고해상도 온도 필드 매핑을위한 광섬유 분산 센서

본 실험의 전반적인 목표는 전산 유체 역학 컴퓨터 코드의 검증을 위해 고해상도 유동장 데이터를 제공하여, 난류 흐름에서의 열전달을 정확하게 시뮬레이션하는 능력을 확인하는 것입니다. 이 고급 온도 측정 기술은 상용 통신 광섬유로 제작된 단일 센서를 따라 수천 개의 데이터 포인트를 생성할 수 있습니다. 이는 열전대와 같은 전통적인 센서보다 훨씬 높은 데이터 밀도를 제공할 수 있습니다.

하지만 열전대와 달리, 이러한 광섬유 센서는 온도뿐만 아니라 변형률에도 민감합니다. 따라서 취급 주의 사항, 진동 및 습도 변화가 온도 신호에 영향을 미칩니다. 이러한 변형률 민감도는 기존 센서와는 상당히 다릅니다.

정확한 데이터를 얻으려면 여기서 시연할 특별한 작동 절차와 관행이 필요합니다. 분산 온도 센서(DTS)는 이 테스트 섹션을 사용하여 시연될 것입니다. 이는 바닥에 두 개의 육각형 공기 덕트가 부착된 유리 탱크입니다.

공기는 내부에서 혼합된 후 상단의 통풍구를 통해 배출됩니다. 상단 패널 안쪽에는 DTS 위치에 검은색 폴리머 스크린이 장착되어 있습니다. 상단 및 측면 패널을 제거하여 테스트 섹션 내부로 접근하십시오.

시험 구역 상단에 20 millimeter 간격의 강철 와이어가 가로질러 설치되어 있습니다. 측정 영역에서 이 와이어들은 분산형 온도 센서의 광섬유를 지지합니다. 광섬유는 강철 와이어와 수직 방향으로 배치되며 10 millimeters 간격으로 떨어져 있습니다.

DTS의 시작 부분에는 스플라이싱 및 말단 처리를 위해 약 1m의 광섬유가 예약되어 있습니다. 세그먼트들은 측정 영역의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 인접한 와이어들 사이로 엮어집니다. 광섬유는 인접한 세그먼트를 시작하도록 루프 형태로 만들어지며, 양 끝단은 테이프를 사용하여 테스트 섹션에 고정합니다.

이것은 최종 테스트 섹션 배치를 위에서 본 도식입니다. 강철 와이어는 덕트를 포함하는 영역을 덮고 있습니다. 분포 온도 센서의 광섬유는 덕트 위 영역의 와이어 사이로 엮여 있습니다.

DTS의 광섬유를 엮으려면 다음 단계를 따르십시오. 50 m 길이의 섬유 스풀에서 시작하여, 탱크 외부의 커넥터에 스플라이싱(splicing)하기 위한 여유분을 충분히 풉니다. 여유분 너머의 섬유를 테스트 섹션 덮개에 고정하십시오.

다음으로, 첫 번째 새 센서 세그먼트를 시작하는 데 사용할 광섬유 약 0.5 m를 풉니다. 수백 mm의 광섬유를 와이어 메시 위에 놓은 다음 루프 모양으로 만듭니다. 루프를 지지 와이어 사이로 인접한 와이어의 위아래를 번갈아 가며 엮기 시작합니다.

탱크의 반대편에 도달하면, 처음 두 개의 센서 세그먼트용 광섬유를 테이프로 고정할 준비가 된 것입니다. 첫 번째 세그먼트를 팽팽하게 당겨 덮개 아래쪽에 테이프로 고정합니다. 덮개에 접착제로 붙인 자를 사용하여 위치를 표시하고 세그먼트 간격을 조절합니다.

흐름 중에 위치가 유지될 수 있도록 충분히 팽팽하게 고정하되, 테스트 섹션에서의 변형으로 인해 센서에 변형이 가해져 측정 오차가 발생할 정도로 너무 팽팽해서는 안 됩니다. 이제 고정되지 않은 광섬유 부분에 직경 약 30 millimeters의 루프를 형성하고, 첫 번째 세그먼트에서 10 millimeters 떨어진 지점에 테이프로 고정하십시오. 두 번째 세그먼트의 반대쪽 끝을 탱크 덮개에 고정하십시오.

다음 센서 세그먼트 쌍을 시작하기 위해 광섬유를 약 0.5m 정도 풉니다. 처음 두 개의 검출기 세그먼트에 사용한 단계를 반복하여 추가 세그먼트 쌍을 생성합니다. 센싱 어레이가 배치되면 광섬유 끝에 커넥터를 접속합니다.

센서를 센서와 인터로게이터를 연결하는 노란색 지연 케이블에 연결하십시오. 지연 케이블을 인터로게이터에 연결하고 구성 단계를 완료하십시오. 센서 인터로게이터는 신속 파장 간섭계를 기반으로 합니다.

저출력 가변 파장 다이오드 레이저가 좁은 대역의 신호를 광섬유로 보냅니다. 레이저는 수 나노미터 범위에서 스캔되며, 신호는 참조 경로와 측정 경로로 분할됩니다. 센서에서 산란된 빛이 참조 신호와 결합되어 검출기에서 간섭 신호를 생성합니다.

검출기 출력은 방출 산란 신호를 회수하는 데 사용됩니다. 이제 센서 위치를 매핑해야 합니다. 이를 위해 가변 변압기에 인두기를 연결하고, 약 40%로 설정하십시오.

컴퓨터에서 인터로게이터 소프트웨어를 사용하여 화면에 실시간 데이터를 표시합니다. 납땜 인두를 가져와 센서의 첫 번째 세그먼트 시작 부분로 접근한 다음, 인두를 센서 가까이에 유지하며 끝점에 짧게 접촉시킵니다. 컴퓨터에서 데이터 수집을 중단하여 피크를 고정합니다.

그런 다음 온도 급증 부분을 확대하여 피크의 위치와 물리적 위치를 기록하십시오. 각 세그먼트의 시작점과 종료점에 대해서도 동일한 방식으로 데이터를 수집하십시오. 센서 위치 매핑을 마친 후, 하나 이상의 온도 표준물을 준비하십시오.

이 경우, 해당 작업에 열전대를 사용하십시오. DTS의 측정 영역에서 특정 구역을 선택합니다. DTS 광섬유 근처에 열전대를 설치하십시오.

내부 작업을 마친 후, 모든 패널을 원래 위치로 되돌려 탱크를 닫습니다. 그다음 탱크를 적절한 단열재로 감쌉니다. 단열 처리가 완료되면 센서 주변에 등온 환경이 조성될 수 있도록 충분한 시간 동안 그대로 둡니다.

시스템 준비가 완료되면 인터로게이터 소프트웨어를 실행하고 측정을 시작하십시오. 베이스라인을 얻으려면 먼저 측정을 중단하십시오. 그런 다음 베이스라인을 선택하고 제공된 필드에 파일 이름을 입력하십시오.

측정 범위를 선택하고 OK를 클릭하여 베이스라인 프로세스를 시작하십시오. 보정을 위해 열전대 온도 읽기 값을 동시에 기록하십시오. 소프트웨어가 베이스라인 작업을 완료하면 측정 모드로 이동하십시오.

시스템이 열적으로 안정된 상태라면, 이제 센서의 전체 길이를 따라 신호가 0이 되어야 하며 시간이 지나도 표류하지 않아야 합니다. 이 시점에서 흐름 및 가열 제어 항목으로 이동하여 실험 준비를 하십시오. 공기 흐름을 켠 상태에서 각 채널의 유량을 동일하게 조정하십시오.

전력 제어기를 조절하여 하나의 제트를 가열하고, 제트 간의 원하는 온도 차이를 설정하십시오. 시스템이 평형 상태에 도달하도록 하룻밤 동안 가동한 후 다시 확인하십시오. 실시간 DTS 신호를 검토하여 노이즈 수준을 파악하고 적절한 게이지 길이를 선택하십시오.

분포 온도 측정 시스템을 사용하여 4 Hz의 주파수로 2000회의 스캔을 기록합니다. 이는 기준 온도와 측정된 온도 차이의 원시 데이터입니다. 가로축의 왼쪽 끝은 동단으로 표시된 시스템 경계의 광섬유 세그먼트에 해당합니다.

오른쪽으로 이동하면서 섬유는 서쪽 끝을 향해 앞뒤로 반복해서 움직입니다. 센서가 고온 제트 바로 위에 위치할 때 정점이 나타납니다. 서쪽 끝부분의 노이즈는 흐름으로 인한 진동 때문에 발생합니다.

여기서는 가공되지 않은 데이터가 테스트 섹션의 위치에 매핑되어 있습니다. 관점은 DTS 어레이의 측정 평면 위쪽에서 내려다본 모습입니다. 육각형 채널의 외곽선은 A 방향을 나타냅니다.

데이터 포인트 간의 선형 보간법을 통해 2D 온도 등고선 지도를 생성함으로써 덮개 아래의 열 패턴을 파악할 수 있습니다. 빨간색 영역은 동쪽 제트 상단의 고온 지역을 나타내지만, 그 중심에 위치하지는 않습니다. 센서 데이터는 온도 변동의 제곱 평균 제곱근을 매핑하는 데에도 활용될 수 있습니다.

자주색 영역은 두 개의 상승 제트가 덮개에 부딪히며 상호작용하여 온도 변동과 난류가 심하게 발생하는 구역입니다. 레이리 산란(Rayleigh scattering) 기반의 단일 광섬유 센서가 수천 개의 온도 측정값을 생성함으로써, 열전대(thermocouples)로는 얻을 수 없는 전체 영역의 상세한 이미지를 제공하는 것을 확인하였습니다. 측정 정확도를 보장하기 위해, 베이스라인 설정 후에는 변형 제어(strain control)에 각별히 주의하고, 센서 지지 구조를 신중하게 설계하여 유동으로 인한 진동을 최소화하십시오.

이 분산형 감지 기술은 불투명한 유체에서의 온도 측정 및 레이저와 카메라에 의존하는 광학적 기술을 적용하기에 부적합한 기타 응용 분야에 새로운 가능성을 제공합니다.