Name: 고해상도 온도 필드 매핑을위한 광섬유 분산 센서 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 배우세요 광섬유 분산 온도 센서를 이용한 고해상도 온도 필드 매핑 방법입니다. 레일리 산란 원리로 수천 개의 데이터 포인트를 생성하여 난류 흐름의 열전달을 정밀 분석할 수 있습니다.

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저자는 Luna Innovations의 Tyler Gorney와 Aida Rahim에게 애플리케이션에 대한 귀중한 기술적 통찰력과 도움을 준 것에 대해 감사를 표합니다.
제출된 원고는 아르곤 국립 연구소("Argonne")의 운영자인 UChicago Argonne, LLC에 의해 작성되었습니다. 미국 에너지부 과학국 실험실인 아르곤은 계약 번호에 따라 운영됩니다. DE-AC02-06CH11357입니다. 이 작업은 미국 에너지부 원자력국의 지원을 받았습니다.

응용 프로그램에 대한 1. 최적의 센서 유형 <ol><li> 샘플링 속도 및 데이터 포인트의 수 간의 트레이드 오프에 기초하여 센서의 길이를 선택한다. 참고 : 2.5 Hz의 해상도 &lt;10mm에서 길이 50 ​​m까지 한 질문 샘플 센서 다른 샘플 센서 최대 5mm의 해상도와 100 Hz에서 길이 m 10 동안. </li><li> 서비스 온도 제한, 시간 응답, 습도 감도 및 설치 구성 (베어 또는 모세관)에 대한 요구 사항에 따라 단일 모드 광섬유의 유형을 선택합니다. 참고 : 여기에 우리가 사용하고 155 μm의 직경 폴리이 미드 코팅 된 단일 모드 상업 통신 광섬유. 참고 : 우리는 우리의 실험실에서 사용한 섬유 및 구성의 예로서 표 1과 2를 참조하십시오. </li></ol> 2. 시험 절에 광섬유를 설치 <ol><li> 긴 유리 측판 중 하나를 제거함으로써 열기 시험 부. </li><li> 드릴 직경이 1mm 구멍측벽 와이어 앵커 (그림. 3)에 대한 덮개 아래 3mm한다. 참고 : 앵커 센서를 지원하는 강철 와이어를 개최합니다. 앵커 피치는 시험 부 크기 및 흐름 예상 동적 로딩에 따라서 변할 수있다. 여기에 사용되는 20mm 피치는 1m / sec의 근처에 흐름에 최소한의 진동이 안정 입증했다. 진동 부패의 DTS 신호 및 긴 센서 (15, 16)에 더 문제가된다. </li><li> 문자열 탱크의 각 끝 부분에 황동 앵커로 묶는하여 시험 부에 걸쳐 127 μm의 직경 강철 와이어 세그먼트. 탱크에 걸쳐 중독 47 와이어 세그먼트의 총이 될 때까지 반복합니다. </li><li> 접합 커넥터 및 종료 섬유 소비 할 준비 제도 이사회와의 통신 / 전기 가위를 사용하여 광섬유의 50m 컷 (아마 &lt;0.5 m, 그러나 접합의 능력에 의존). ~, 작은 스풀에 직경 50mm를이 섬유를 수집합니다. </li><li> 재치 온도를 측정하기 위해 선택된 영역의 하나의 에지에서, 제 1 센서 부분을 마련시간 센서 어레이. 주 : 제 세그먼트 위치에 고정 된 후, 섬유는, 인접한 세그먼트의 반복 위치에 고정하고, 더 많은 섬유는 모두 섬유가 사용될 때까지 어레이를 구축 반복 프로세스의 다음 세그먼트에 분배한다. </li><li> 필요에 따라, 스풀로부터 다른 분배 섬유 탱크의 일측 작동 위에 인접 와이어 아래 섬유 직조. 참고 :도 1에 도시 된 바와 같이, 섬유는 와이어에 수직이다. 다른 한 방향으로 흐름을 중력에 대해 그것을지지 직조 3. </li><li> 기존의 명확한 테이프 또는 폴리이 미드 필름 테이프로 뚜껑에 최초의 섬유 세그먼트의 각 끝을 연결합니다. 배열의 첫 번째 세그먼트 대신에 지금이다. 주 : 기타 줄처럼 팽팽 센서를 해결하지 말고 충분한 오히려 긴장 직선과 볼 여유를 가지고 할 수 있습니다. 센서가 지지체의 작은 변형을 인장되면, 예를 들면 열 EXPAN뚜껑의 시온이 긴장을 변경하고 신호의 오프셋 및 측정 오차 변칙을 생성합니다. </li><li> 도에 도시 된 바와 같이, 루프는 섬유 (180)도 다음 세그먼트로 다시 돌아 간다. 첫 번째 세그먼트에서 10 mm의 거리에서의 뚜껑 (4)와 테이프로. 참고 : 루프 직경을 최소화 이후 그 것이다 &quot;낭비 섬유&quot;(배열의 일부)하지만 허용 응력에 대한 약 30 mm 이상이어야한다. 여기에 사용 된 섬유는 직경 30mm가 눈에 띄는 신호 손실 수개월 루프 용인하고 있지만 한계 섬유 유형에 따라 달라질 것이다. 여기에 사용되는 섬유의 경우, 제조자는 ≥ 10mm 및 ≥ 17mm로 &quot;장기&quot;제한과 &quot;단기&quot;굴곡 반경 제한을 지정합니다. </li><li> 다시 위치 탱크 테이프의 대향 측을 향해 와이어 사이 섬유 직조. 모든 섬유가 사용되는 때까지, 반복 녹화 및 직조 과정을 반복합니다. </li></ol> 3. 스플 라이스 커넥터 및 Termina섬유에 기 <ol><li> 제조사의 지시 (17) 아래의 융착 접속기를 사용하여 광섬유의 일단에 LC 형 단일 모드 스플 라이스 커넥터. </li><li> 전기 기 / 통신 가위로 ~ 0.25 m 종료 섬유를 잘라 제조 업체의 지침에 따라 융합 플라이 다시, 섬유의 다른 쪽 끝을 스플 라이스. 주 :이 조립체 (섬유 커넥터 및 종료)가 이제 &quot;센서&quot;라고한다. 종단 섬유 리더로 돌아가는 것을 방지하기 위해 레이저 펄스로부터 잔여 신호를 분산시킨다. </li></ol> 4. 센서 구성 <ol><li> 리더 포트에 센서의 LC 형 커넥터 끝을 연결하고 구성 소프트웨어를 시작합니다. </li><li> 검사가 완료되면 자동으로 표시되는 &quot;획득&quot;(온도 데이터와 구별)을 선택하면, 센서의 진폭 데이터를 생성한다. 참고 : 유전자를해야합니다 좋은 스플 라이스와 센서 추적도 RAL 특성. 5. 가난한 스플 라이스는 커넥터가 예상되는 불명료 한 노이즈 플로어 또는 지배적 인 반사에 의해 표시 될 수있다. 가난한 스플 라이스가 의심되는 경우, 3 단계 및 접합 절차를 반복 돌아갑니다. </li><li> 센서의 시작과 끝에서 붉은 커서를 화면에 표시 옐로우 커서를 드래그하여 센서의 활성 부분을 선택한다. </li><li> 센서 이름을 지정하고 &quot;센서 파일을 저장&quot;을 선택합니다. 참고 : 센서는 현재 구성되어 사용할 준비가되어 있습니다. </li><li> 구성 소프트웨어를 닫고 측정 소프트웨어로 전환합니다. </li></ol> 테스트 섹션에서 5.지도 센서 위치 <ol><li> 리더 측정 소프트웨어를 시작하고 방금 구성한 센서를로드합니다. </li><li> 5 ~ 10 분 동안 예열 ~ 40 %로 설정 변수 변압기에 납땜 인두를 연결합니다. 주 : 납땜 매핑 로컬 온도 스파이크를 생성한다. 납땜 캔 m광섬유 코팅 ELT 센서 그렇게 분명 스파이크를 얻을 충분한 전력을 이용하여, 낮은 트랜스 설정 시작 멸. 10 ~ 20 °의 C 스파이크이 절차 충분하다. </li><li> 화면에 라이브 데이터를 플롯 리더 소프트웨어에 &quot;측정&quot;을 선택합니다. </li><li> 화면 전체 센서를 표시 축소. </li><li> 이 뚜껑 (그림은. 4)을 충족 벤트에서, 첫 번째 매핑 시점에서 여기 세그먼트 먼을 만지지 간단히 센서 근처 납땜 인두를 잡고. </li><li> 시험 부 내에서 대응하는 물리적 위치와 함께 소프트웨어에 의해 지시 된 바와 같이 온도 피크의 기록 위치. </li><li> 모든 세그먼트 (49)의 끝점을 매핑 5.5-5.6 반복한다. </li></ol> 6. 센서 기준 : 절대 온도에 링크 <ol><li> 위치하는 하나 이상의 기준 온도는, 예를 들어, TC 또는 저항 온도 감지기 (RTD)는 DTS 근처 절대 TE로 DTS 수치를 연결하는 표준 역할을mperature. </li><li> 2.1 단계에서 제거 된 긴 유리 측판을 대체하여 탱크를 닫습니다. </li><li> 담요 또는 종래의 단열재에 배치하여 탱크를 절연하고 등온 환경을 설정하고 밤새 허용한다. </li><li> 기술위원회 (또는 RTD) 값을 기록 /주의 동시에 &quot;기준&quot;(또는 &quot;용기&quot;)을 선택, 리더 소프트웨어를 시작합니다. 소프트웨어가 기본으로 완료되면, 선택 &quot;측정&quot;기준의 품질을 검사하는 라이브 데이터를 플롯합니다. 주 :이 중요한 단계는 DTS 기준선을 설정하고, 상기 신호는 현재 제로, 즉, ΔT (x)가 0 ± 정도의 분율 = 나타내야한다. 탱크 온도가 기준 온도로부터 발산으로 이제부터 신호가 달라질 : ΔT는 (X) = T (x)는 ABS - T (x)의 절대치가 섬유 T 기재 따라 절대 온도 T 기재는 기준선 인 온도 6,18. 테스트 SECTIO 경우n은 비등하다, T 기지 위치의 함수, 즉, T베이스 (x)가 될 것이며, T베이스 (x)는 하나 이상의 TC 또는 RTD (토론 섹션을 참조)로 매핑하지 않으면 정확도가 떨어집니다. 이동하지 마십시오 또는 7 단계가 완료 될 때까지. 어떤 방법으로 응력 변형 측정의 정확도를 저하시킬 수 오프셋을 도입 할 수있는 센서를 터치. </li><li> 0에서 멀리 표류해서는 안 라이브 신호를 검사합니다. 드리프트는 응용 프로그램에 대한 과도한 경우 (아래 참고 참조) 열 평형에 도달 및 / 또는 절연을 개선하기 위해 시험 부에 대한 더 많은 시간을 허용하고 다음 단계 6.4 반복 (우리의 한계는 약 0.5 ° C 분 5 ~ 이후). 주 : 신호 품질 기준 후 즉시 항상 최고 시험 부 내의 온도 분포에 따라 시간에 걸쳐 드리프트한다. 베이스 라이닝 전에 좋은 절연과 긴 대기 기간은 드리프트와 측정 오차를 줄일 수 있습니다. 크기 조정 빠른 감도 테스트 섹션은 아니다 나타낸다궁극적으로 부정확 한 측정으로 이어질 것입니다 등온. </li><li> 리더 소프트웨어 로깅 기능을 선택하고 단지 기준을 생성하기 위해 사용되는 동일한 정체, 등온 조건 DTS 데이터 10-100 스캔을 기록한다. 도를 기록 TC / RTD 읽기. 주 :이 시험 부 또는 지지부의 흐름이나 예기치 않은 변형 균주에 의해 생성 될 수있다 오프셋 사후 검사 검사 용 예비 데이터이다. </li></ol> 7. 테스트 실행 <ol><li> 공기 흐름을 생성하고, 각 채널에 1.25 kg / sec의 유량과 일치하도록 유량 제어기를 조정하는 압축기 켜기. 주 : 평균 유입 속도는 1.1 m / 초이고, 레이놀즈 수는 10,000입니다. </li><li> 600 W로 설정 히터 전력은 주변 온도에 서쪽 제트, 위의 동쪽 제트 20 ° C를 따뜻하게. </li><li> 시스템이 평형에 도달하기 위해 밤새 실행할 수 있습니다. </li><li> 그 다음날은 소음 수준을 평가하기 라이브 DTS 신호를 검사합니다. 센서 &quot;게이지 리터를 선택소프트웨어의 ength는 &quot;허용 소음 수준 (30mm의 게이지가 여기에 사용되는)를 달성했다. 참고 : 게이지 길이는 공간 분해능을 센서에 대응한다. 일반적으로, 게이지 길이 감소 등의 흐름에서 발생하는 진동이 증가 (사용자 설명서 참조 13, 14 참조) 등의 잡음이 증가 신호. </li><li> 4 Hz에서 2000 DTS 검사를 로그인합니다. </li><li> 히터 전력 및 공기 흐름을 끕니다. 탱크가 평형에 도달하여 점검 오프셋 사후 검사를 위해 저장된 프리 테스트 데이터 세트를 보완 10-100 DTS 스캔을 기록하고 밤새하자. </li></ol> 8. 데이터 분석 <ol><li> 독점적 인 바이너리 형식으로 시험 데이터를 리더 소프트웨어의 메인 윈도우의 후 처리 기능을 선택하고 가져옵니다. </li><li> 기존의 스프레드 시트 프로그램으로 읽을 수있는 일반 텍스트 파일로 데이터를 내 보냅니다. 참고 : - T 기본이 데이터는 섬유 ΔT (X) = T (x)의 복근을 따라 측정 된 ΔT를 나타냅니다. 그것은에 대한 참조를 포함하지시험 부에 위치한다 (도. 86 참조). 자세한 내용은이 단계와 다음에 대한 질문 사용 설명서와 참고 6 및 16에서 사용할 수 있습니다. </li><li> 기존의 스프레드 시트로 가져 오기 텍스트 데이터 및 모든 데이터에, 단계 6.4에서 TC 또는 RTD로 측정 T 기준선을 추가하여 절대 온도 변환합니다. 참고 : 우리는 테스트 섹션은 기본 동안 등온을라고 규정했기 때문에 T (x)의 복근 = ΔT (x)를 + T 기준 : 절대 온도 변환은 단순히 하나의 값 오프셋 보정입니다. </li><li> 사용하여 스프레드 시트 소프트웨어 또는 유사한 데이터 처리 프로그램은 T (x)는 데이터를 분해하고,도 7 및도 8에 도시 된 바와 같은 시험 부 내의 물리적 위치에 매핑한다. 참고 :이 프로그램은 5 단계에서 납땜 인두와 수집 된 데이터를 활용합니다. </li></ol>

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우리는 유체 역학 실험에서 DTS의 사용을 증명하고있다. 이들 센서의 가장 큰 장점은 하나의 센서로부터 획득 될 수있는 측정점의 큰 수이다. 여기에 사용 된 DTS 훨씬 열전대 같은 기존 점 센서의 실제적인 한계를 넘어, 0.5 X 0.8 m면에 걸쳐 4,067 점의 데이터를 생성합니다. 이러한 데이터 밀도 레이저 유도 형광 (LIF)로 광학 기술에 의해 초과 할 수 있습니다 동안, DTS는 불투명 유체와 광 액세스 부족 응용 프로그램에서 작동합니다. DTS에 높은 데이터 밀도가 전산 유체 역학 코드 검증에 관련된 실험에 적합하다. 베이스 라인은 측정 정확도를 결정하는 중요한 프로토콜의 단계 및 핵심이다. 등온 테스트 섹션은베이스 라인 때 전체 DTS 한 온도에 확인하는 것이 필수적이다. 이것이 가능하지 않다면, T 기재는 T 기재 (X), MAPP이어야진다DTS 가까이에 배치 된 다수의 최우수에 의해 에드. 기준선 품질이 방식으로 개선 될 수 있지만, 그것은 절대 온도로 변환을위한 기준의 DTS 기준선을 매핑하는 프로세스를 복잡하게한다. 항상 예측할 수없는 신호 변화를 소개 할 수있는 기준 후 변형의 원인에 대한 경계에있을. 그러한 소스는 예를 들면, 시험 부 센서 뻗어 열팽창 지지체의 이동, 동적 로딩이 높은 유동 속도에서, 또는 유동 유발 진동이다. 등온 조건에서 사전 및 사후 검사 측정은 이러한 문제를 식별하는 데 도움이됩니다. 변형 감도이 레일리 산란 기반 DTS의 주요 단점이다. 열전대와 같은 종래의 센서들과 달리 취급, 습도, 진동에 민감하다. 이러한 문제는 여기에 입증 베어 센서 구성에 가장 중요한,하지만 훨씬 덜 중요한 모세 혈관에 보관 센서입니다. 종래 센서와 달리 DTS는 서류는 NIST (국립 표준 기술 연구소)과 같은 인식 표준 용액으로 추적을 조달 할 수 없다. 시츄 교정 일부에 어려울 수있다 등온 시험 부와 바람직하게는, 필요 응용 프로그램. 진동은 큰 시험 부에 걸쳐 중독 베어 섬유에 대한 특별한 관심이다. 우리는 1.7 m의 세그먼트 길이에서 탱크의 장축에 걸쳐 수직 배향 배열 혼합 성공이 있었다. 섬유의 28m 16 세그먼트 구성은 한 연구 18 동안 잘 수행하지만, 53m 29 세그먼트에 실패한 16되었다 확장을 시도합니다. 일반적으로, 모든 센서 길이 및 구성에 대한 잡음 리더 소프트웨어는 레일리 신호 시프트를 계산하는 동안 게이지 길이를 증가시킴으로써 감소 될 수있는 신호, 그러나 이것은 유효 공간 해상도를 감소시킨다. 각 덮은기 신호 잡음 및 공간 해상도 사이에 자신의 균형을 유지해야합니다. 또, 이러한 문제는 대부분의 발열 반응 시간의 비용으로 모세관의 센서 하우징에 의해 회피 될 수있다. 이 비교적 새로운 온도 측정 기술은 진동에 대한 감수성을 줄이기 위해 개발이 필요합니다. 이 작품의 대부분은 반드시 리더 하드웨어와 소프트웨어를 포함 할 것이다. 센서 자체는 섬유 코팅의 영향을받는 운전 및 습도 변화에 대한 민감성을 줄이기 위해 개선 될 수있다. 작업은 현재 시판되는 폴리이 미드 및 아크릴 레이트 코팅 된 섬유의 우수한 코팅을 개발에 초점 있었다.

전산 유체 역학 (CFD) 코드 혈류 동맥 아래 비행기, 자동차 주변 공기에서 유체 시스템의 다양한 시뮬레이션하기 위해 사용된다. 이러한 시뮬레이션의 범위 및 정확도는 컴퓨팅 파워의 가용성으로 성장했다. 그러나 고급 시뮬레이션의 복잡성에도 불구하고, 자신의 정확성과 신뢰성은 종종 정량화하기 어렵다. 실제로, CFD 코드의 정확성은 프로세스 호출 코드 검증에서 실험 데이터와 시뮬레이션을 비교함으로써 평가된다. 전형적인 실험 데이터 세트, 코드 엄격한 검증을 용이하게하기 위해 이상적으로 높은 공간 및 시간 해상도를 모두 속도 및 온도 측정 주로 이루어져있다. 속도 필드는 입자 화상 속도계 (PIV), 잘 설립 된 광학 기술을 이용하여 1,2- 높은 해상도로 매핑 될 수있다. 대조적으로, PIV에 필적 해상도 온도 필드를 매핑하는 것이 곤란하다. 하기 Optica레이저 - 유도 된 형광 (L)와 같은 기술은 3,4- 가능하지만 카메라의 비교적 고출력 레이저를 필요로하고, 불투명 한 액체에 부적합하다. 대안은 레일리 산란을 기반으로 휩쓸 파장 간섭 (SWI) 5-7 분산 온도 감지의 비교적 새로운 기술을 사용할 수 있습니다. 온도 측정 수천 단일 광섬유를 따라 획득 될 수있다. 분산 온도 센서 (DTS)는 이미지 기반 기술 8 부적합한 환경에서 큰 유동장과 기능에 걸쳐있다. 이 라만과 브릴 루앙은 9,10 산란에 기초가 DTS,하지만 센서는 레일리 산란에 따라도하고 SWI는 전형적인 유체 역학 실험을위한 공간 및 시간 해상도가 더 적합 제공합니다. 비록 이러한 레일리 scatte에 따라 열전대 (최우수), 센서까지 기존 센서의 이상가 DTS 제공 데이터 밀도링 응답 온도 (11)뿐만 아니라 변형합니다. 섬유 코팅은 흡습성이 경우 습도가 12, 13을 변경하려면 센서는 응답합니다. 탈착 기본 유리 섬유 균주 신호를 변경하는 것이 14 축소하면서 수증기 흡수 코팅을 팽윤. 그 결과, 정밀도가 취급 진동, 습도의 변화에 ​​의해 영향을 받는다. 이것은 매우 전통적인 센서 달리 등 자유로운 설치 및 측정 방법이 정확한 데이터를 얻기 위해 준수해야합니다. 이 문서는 정확성을 보장하기 위해 프로토콜과 가이드 라인을 제시, 열 혼합 실험에서 DTS를 사용하는 방법을 보여줍니다. 여기서 사용 된 DTS는 광섬유 도파로 내에서 검출 및 레일리 산란 분석에 기초한다. 섬유 코어를 따라 불순물과 구조적 변화의 임의의 분포는 일반적으로 섬유와 안정 고유 한 산란 패턴을 발생시킨다. 스펙트럼 및 진폭이 패턴의 섬유 서명 역할을 읽을 수 있습니다. 온도 변화 나 변형 등의 물리적 변화는 반복적 인 방법으로 특성을 변경하고, 서명의 변화를 검출하는 센서로 광을 사용하기위한 기초이다. 도 1은 광전 센서 장치의 원리 구성, 광 분산 센서 리더라고 간단히 &quot;리더&quot;로서 여기에 표시를 나타낸다. 스위프 파장 간섭으로 알려진 기술에서, 저전력 가변 파장 레이저는 5-7 얻어진 산란을 등록하기위한 목적으로 섬유로 협 대역 신호를 발사. 레이저는 수 나노 미터의 간격을 가로 질러 스윕하고, 상기 신호는 기준 및 측정 레그 사이의 분리. 상기 센서로부터 산란 광 검출기에서 간섭 신호를 생성하는 기준 신호와 결합된다. 검출기 출력은 디지털화 및 레일리 산란 신호를 검색하기 위해 분석된다. Rayle파장 센서 온도 (변형, 또는 습도) 변화에 센서 시프트 고등학교의 서명. 이 파장 변화의 크기는 TC의 제벡 계수와 유사한 교정 계수를 갖는 섬유 형과 관련된 물리적 상수 감도 센서에 관한 것이다. 도 2는이 연구에서 사용하는 시험 부로서 기능하는 유리 수조를 도시한다. 탱크 뒤에 카메라는 규모의 감각을 준다. 공기는 두 각형 덕트를 통해 입력하고 벤트를 종료하기 전에 혼합. 다른 하나는 깨끗한 공기를 유지하면서 제트를 강조하기 위해, 하나의 흐름 스트림은 오일 미스트로 접종 하였다. 탱크 뚜껑은 검은 고분자 화면으로 덮여 창을 가지고있다. 사진에 표시되지 있지만, DTS는 검은 화면 아래에 일시 중단됩니다. 도에 도시 된 바와 같이, 50 m 길이 DTS 탱크 뚜껑 아래에 장착 하였다. 3.이 155 μm의 직경 폴리이 미드 코팅 된 광섬유에서 유행 하였다와 탱크 엔드 패널 사이에 중독 127 μm의 직경 강철 와이어에 매달아. 센서는 교번 패턴 스루 와이어 직조 앞뒤로 탱크에 걸쳐 49 회 반복 하였다. 그것은 0.5 × 0.8 m 비행기를 걸쳐 10mm 간격으로 오버 샘플링 할 때 1355 4 Hz에서 독립적 인 데이터 포인트와 30mm의 공간 해상도, 4067 데이터 포인트를 생성한다. 고밀도 온도 데이터 속도로 데이터를 보완 CFD 검증 용 데이터 세트의 값을 증가시킨다. 프로토콜은 유체 역학 실험의 DTS를 사용하여 특정의 문제에 집중하면서 센서 선택, 제조 및 구성하는 과정을 설명합니다.

<table><tbody><tr><td>센서 문의기</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-A 및 -B</td><td>두 시스템은 주로 속도와 공간 해상도가 다릅니다</td></tr>. <tr><td>융착 접속기</td><td>Fujikura</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>절단기</td><td>Fujikura</td><td>CT-3A</td><td></td></tr><tr><td>3홀 재킷 스트리퍼</td><td>Fiber Instrument Sales</td><td>F11301T</td><td></td></tr><tr><td>광섬유</td><td>OFS, Specialty Photonics Division</td><td>BF06160-02</td><td>폴리이미드 코팅</td></tr><tr><td>광학 섬유</td><td>Newport Corp.</td><td>F-SM1500-4.2/50</td><td>아크릴레이트 코팅</td></tr><tr><td>커넥터</td><td>AFL 글로벌</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>종단 섬유</td><td>OFS, 특수 포토닉스 사업부</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

고해상도 온도 필드 매핑을위한 광섬유 분산 센서

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

전산 유체 역학 (CFD) 코드의 신뢰성 실험 데이터와 시뮬레이션을 비교하여 확인한다. 전형적인 데이터 세트의 속도와 온도 판독 주로 모두 이상적 코드 엄격한 검증을 용이하게 높은 시공간 해상도를 갖는 이루어져있다. 고해상도 데이터 속도 용이 이러한 입자 화상 속도계의 광학 측정 기술을 통해 얻어지는 반면, 유사한 해상도 온도 데이터를 획득하는 것이 곤란 입증되었다. 열전대와 같은 기존의 센서는이 역할을 채울 수는 없지만, 레일리 산란과 휩쓸 전파 간섭을 기반으로 분산 된 센싱의 최근 개발 CFD 코드 검증 작업에 적합한 해상도를 제공합니다. 온도 측정 수천 헤르츠의 수백에 하나의가는 광섬유를 따라 생성 할 수 있습니다. 센서는 넓은 온도 범위 및 광학 기술이 적합하지 않은 불투명 한 액체 내에서 작동합니다. 그러나 이런 유형의 센서변형 및 습도뿐만 아니라 온도에 민감 때문에 정확도, 처리 진동, 상대 습도의 변화에 ​​의해 영향을 받는다. 이러한 동작은 매우 전통적인 센서 달리 등 자유로운 설치 및 운영 절차는 정확한 측정을 보장하기 위해 필요하다. 이 논문은 25, 45 ° C에서 두 개의 에어 제트를 포함하는 열 혼합 실험에서 레일리 산란 형 분산 온도 센서의 구현을 보여줍니다. 우리는 센서 광섬유의 선택을 안내하고 제트 혼합 실험을 위해 설치 설정을 설명하는 기준을 제시한다. 우리는 진동을 유발 흐름에 의한 오류로 절대 온도의 표준 수치를 연결 센서 기준선을 설명하고, 실질적인 문제에 대해 설명합니다. 이 물질은 유체 역학 실험 및 유사 애플리케이션을위한 높은 데이터 밀도와 대역폭을 가지는 온도 측정에 관심이 도움이 될 수 있습니다. 우리는 considera 이러한 센서 특정 함정을 강조실험 설계 및 운영에 기.

DTS 원시 데이터는도에서 도시된다. 6 센서를 따라 거리 대 기준 온도 (약 20 ℃)에서 측정 된 ΔT을 표시합니다. 데이터는 절대 온도로 변환하지 않고 시험 부 내의 물리적 위치에 매핑 된 둘한다는 의미에서 &quot;원시&quot;이다. 데이터는 50m의 전체 길이에 걸쳐 센서 1,666 독립적 인 측정을 제공 30mm의 게이지 길이에 기초한다. 30mm의 게이지는 5,000 데이터 포인트의 수를 증가시키는 오버 샘플링 모드에서 10mm 간격으로 도포 하였다. 이러한 데이터 밀도는 최우수 같은 종래의 센서 실질적인 없습니다. 도 X = 0. 6 센서는 탱크의 동쪽 끝이고, x가 증가로 앞뒤로 서쪽 끝으로 반복합니다. 이 추위 서쪽 JE 상에있는 봉우리는 센서가 뜨거운 동쪽 제트를 통과 어디 발생하고 페이드티. 줄거리는 하나의 DTS에서 원시 신호는 넓은 지역에 걸쳐 온도의 기본적인 묘사를 제공 할 수있는 방법도 보여줍니다. 유동 유발 진동에 의한 섬유의 서쪽 끝으로 신호 잡음을합니다. 진동이 육안으로 보이지 않는었지만, 신호를 저하시키기에 충분한 그리고 우리는 긴 센서 (&gt; 10m)으로 가장 자주이 문제를 참조하십시오. 원시 데이터도 테스트 부분에 매핑된다. DTS 어레이에 의해 형성되는 0.5 × 0.8 m의 측정면에 걸쳐 온도를 도시 7. 관점 뚜껑에 아래를 내려다 보면서 탱크 위에서이다. 육각 채널의 개요는 방향 원조로 포함되어 있습니다. 뚜껑 아래 녹화 루프는 제외되기 때문에 형상이 4,067 데이터 포인트에 기초한다. 센서 인접한 세그먼트 사이의 선형 보간은 2 차원 형상을 만들기 위해 사용되었다. 일전자 윤곽 동쪽 제트를 통해 따뜻한 지역으로 뚜껑 아래에 열 패턴의 명확한 의미를 제공하지만 중심 없습니다. 또한 분명 플롯에 Y = 0 탱크 미드 플레인, 주위에 거친 대칭이다. 온도 데이터 이러한 종류의 열적 혼합 및 열 전달을 포함하는 유체 역학 연구 속도 데이터에 유용한 상보이다. 엄격한 코드 검증은 모두 온도와 속도 필드의 높은 해상도 데이터를 필요로한다. 동일한 센서 데이터는 온도 변동의 크기를 나타 내기 위해 처리 될 수있다. 2,000 스캔 데이터 세트의 RMS는 (루트가 광장을 의미)도 8에 도시된다. 마젠타 색 온도 변동이 상대적으로 높은 지역을 표시합니다. 이것은 또한 두 개의 라이징 제트 뚜껑에 충돌로 작용 높은 난류 영역이다. RMS 데이터는 열 혼합의 맥락에서 난류 모델링에 유용합니다. 그림 1. 질문자의 개략도. 온도 측정을위한 광 분산 센서 리더의 원리 구성 요소. 이 시스템은 센서의 레일리 산란 서명을 특징 휩쓸 파장 간섭에 기초한다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> 그림 2. 테스트 섹션 실험 혼합 에어 제트 :. 공기는 상단 통풍구를 통해 종료하기 전에 두 각형 덕트 및 혼합을 통해 기본을 통해 탱크로 들어갑니다. 뚜껑 창을 덮고있는 검은 화면이 3mm DTS (보이지 않는) 이상입니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">경기 수</a>쉽게이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> 그림 구성을 장착 3. DTS. 탱크의 장축을 가로 질러 중독 강 보강 와이어 사이에 짠 DTS를 나타내는 탱크의 상위 뷰입니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> 그림 4. DTS 확대합니다. 확대 납땜 인두로 매핑 될 센서 루프, 첨부 파일, 그리고 첫 번째 테스트 포인트의 위치를 강조 위쪽 뚜껑에서 탱크 내부에서 볼 수있는 DTS의 사진. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오 이 파이의</a>gure. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> 그림 5. 레일리 산란 신호. 센서 구성 유틸리티 (명확성을 위해 여기에 표시된 짧은 센서)로 기록 된 전형적인 레일리 산란 신호. 적절한 종료는 노이즈 플로어에 날카로운 신호 드롭을 생성합니다. 커넥터에서 약간의 신호 단계까지와 겸손 반사가 제대로 접합 커넥터의 특징입니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> 그림 6. 원시 DTS 데이터입니다. 25 ℃에서 45 ° C의 뜨거운 동쪽 제트 원시 DTS 데이터의 단일 스캔 차가운 서쪽 제트 센서가 바로 여기서 봉우리가 발생할<html> 뜨거운 제트 위. 센서가 앞뒤로 탱크 벽 사이의 반복되는 것을 기억하자. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> 아래 덮개.도 7 측정 된 공기 온도는 탱크 내의 물리적 위치로 절대 온도로 변환 매핑 원시 데이터 DTS. 데이터 4 Hz에서 기록 된 2,000 검색을 기반으로. 데이터 간격 4067 플롯 데이터 포인트의 총 10mm. 센서 세그먼트 사이 영역을 채우는 데 사용되는 선형 보간법. 육각형은 입구의 위치를 보여줍니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; 그림 8. 루트는 측정 된 온도의 제곱 (RMS)를 의미한다. 그림에 그려진 데이터의 RMS를. 7. 마젠타는 높은 온도 변화와 고온 및 저온 분사의 열적 혼합을 나타냅니다. 육각형은 입구의 위치를 보여줍니다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="1 번 테이블" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> 1m / 초, 20 ° C에서 교차 흐름에서 선택한 섬유 유형과 주택 구성에 대한 크기의 열 응답 시간 표 1. 주문. <img alt="표 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> 표 2. 선택된 코팅 구성에 대한 대략적인 동작 온도 한계 습도 민감도.

우리는 공기 제트를 혼합하는 온도 영역을 매핑하기 위해 광섬유 분배 센서의 사용을 입증한다. 레일리 산란 기반 센서는 열전대와 같은 전통적인 센서를 얻기 어려운 뛰어난 공간 해상도를 제공하는 단일 섬유를 따라 데이터 포인트의 수천을 생성합니다.

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

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.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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