고해상도 온도 필드 매핑을위한 광섬유 분산 센서

이 실험의 전반적인 목표는 고해상도 유동장 데이터를 제공하여 전산 유체 역학 컴퓨터 코드를 검증하고 난류 흐름에서 열 전달을 정확하게 시뮬레이션하는 능력을 확인하는 것입니다. 이 고급 온도 측정 기술은 상용 통신 광섬유로 만들어진 단일 센서를 따라 수천 개의 데이터 포인트를 생성할 수 있습니다. 열전대와 같은 기존 센서를 훨씬 능가하는 데이터 밀도를 제공할 수 있습니다.

그러나 열전대와 달리 이러한 광섬유 센서는 온도뿐만 아니라 변형에도 민감합니다. 따라서 취급, 진동 및 습도 변화는 온도 신호에 영향을 미칩니다. 스트레인 감도는 기존 센서와 상당히 다릅니다.

그리고 정확한 데이터를 얻으려면 여기에서 설명할 특별한 운영 절차와 관행이 필요합니다. 분산 온도 센서 또는 DTS는 이 테스트 섹션을 사용하여 시연됩니다. 베이스에 부착된 두 개의 육각형 공기 덕트가 있는 유리 탱크입니다.

공기는 내부에서 혼합 된 후 상단의 통풍구를 통해 빠져 나옵니다. 상단 패널 내부에는 DTS 위치 위에 검은색 폴리머 스크린이 있습니다. 상단과 측면의 패널을 제거하여 테스트 섹션의 내부에 접근합니다.

테스트 섹션의 상단을 가로질러 20mm 피치의 강철 와이어가 매달려 있습니다. 측정 영역에서 와이어는 분포된 온도 센서의 광섬유를 지지합니다. 광섬유는 강선에 수직으로 연결되며 10mm 간격으로 떨어져 있습니다.

DTS의 시작에는 접합 및 종단 종료를 위해 예약된 약 1미터의 광섬유가 있습니다. 세그먼트는 측정 영역의 한 쪽에서 다른 쪽으로 인접한 와이어를 통해 짜여져 있습니다. 광섬유는 인접한 세그먼트로 고리가 되고 끝은 테이프로 테스트 섹션에 고정됩니다.

이것은 위에서 최종 테스트 섹션 레이아웃의 개략도입니다. 강선은 덕트를 포함하는 영역을 덮습니다. 분포된 온도 센서의 섬유는 덕트 위의 영역에 있는 전선을 통해 짜여져 있습니다.

DTS의 광섬유를 짜려면 다음 단계를 따르십시오. 50미터 길이의 파이버 스풀로 시작하여 탱크 외부의 커넥터에 접합하기 위한 예비를 만들 수 있을 만큼 충분히 풀립니다. 리저브를 넘어 섬유를 테스트 섹션 뚜껑에 고정합니다.

다음으로, 첫 번째 새로운 센서 세그먼트를 시작하는 데 사용될 약 50미터의 광섬유를 풀게 됩니다. 철망에 수백 밀리미터의 섬유를 놓고 고리 모양을 만듭니다. 지원 와이어를 통해 루프를 짜고, 인접한 와이어의 위와 아래를 번갈아 가며 짜고 있습니다.

탱크의 반대쪽에 도달하면 처음 두 센서 세그먼트의 광섬유를 테이프로 고정할 준비가 된 것입니다. 첫 번째 부분을 팽팽하게 당겨 뚜껑 아래쪽의 제자리에 테이프로 붙입니다. 뚜껑에 접착된 눈금자는 위치 및 제어 세그먼트 간격을 나타내는 데 사용됩니다.

우리는 이 팽팽함이 흐름 중에 제자리에 유지될 수 있을 만큼 팽팽하기를 원하지만 테스트 섹션의 변형으로 인해 센서에 부담이 가해지고 측정 오류가 발생할 정도로 팽팽하지 않기를 원합니다. 이제 광섬유의 고정되지 않은 부분에 약 30mm 직경의 루프를 형성하고 첫 번째 세그먼트에서 10mm 떨어진 곳에 테이프를 붙입니다. 두 번째 세그먼트의 다른 쪽 끝을 탱크 뚜껑에 고정합니다.

약 1/2미터의 광섬유를 풀어서 다음 센서 세그먼트 쌍을 시작합니다. 처음 두 감지기 세그먼트에 사용된 단계를 반복하여 추가 세그먼트 쌍을 만듭니다. 감지 어레이가 제자리에 있는 상태에서 커넥터를 광섬유 끝에 연결합니다.

센서를 인터로게이터에 연결하는 노란색 지연 케이블에 센서를 꽂습니다. 지연 케이블을 인터로게이터에 연결하고 구성 단계를 완료합니다. 센서 인터로게이터는 빠른 파장 간섭계를 기반으로 합니다.

저전력 가변 다이오드 레이저는 협대역 신호를 광섬유로 보냅니다. 레이저는 수 나노미터에 걸쳐 스윕되며 신호는 기준 레그와 측정 레그 사이에서 분할됩니다. 센서에서 산란된 빛은 기준 신호와 결합되어 감지기에서 간섭 신호를 생성합니다.

검출기 출력은 방출 산란 신호를 검색하는 데 사용됩니다. 이제 센서 위치를 매핑해야 합니다. 이렇게하려면 납땜 인두를 약 40 %로 설정된 가변 변압기에 연결하십시오.

컴퓨터에서 인터로게이터 소프트웨어를 사용하여 화면에 라이브 데이터를 표시합니다. 납땜 인두를 잡고 센서의 첫 번째 세그먼트 시작 부분에 접근하고 센서 근처에 다리미를 잡고 끝점까지 짧게 터치합니다. 컴퓨터에서 데이터 수집을 중지하여 피크를 동결합니다.

그런 다음 온도 스파이크를 확대하여 피크의 위치와 물리적 위치를 기록합니다. 각 세그먼트의 시작점과 끝점에 대해 동일한 방식으로 데이터를 수집합니다. 센서 위치를 매핑한 후 하나 이상의 온도 표준을 준비합니다.

이 경우 작업에 열전대를 사용하십시오. DTS의 측정 영역에서 영역을 선택합니다. DTS의 광섬유 근처에 열전대를 장착합니다.

내부에서 작업을 완료 한 후 모든 패널을 제자리로 되돌려 탱크를 닫으십시오. 탱크를 어떤 형태의 단열재로 감싸서 계속하십시오. 일단 감싸면 센서 주위에 등온 대기가 형성될 수 있을 만큼 충분히 오래 두십시오.

시스템이 준비되면 인터로게이터 소프트웨어를 시작하고 측정을 시작합니다. 기준선을 얻으려면 먼저 측정을 중지합니다. 그런 다음 기준선을 선택하고 제공된 필드에 파일 이름을 입력합니다.

측정 범위를 선택하고 확인을 클릭하여 기준선 프로세스로 설정합니다. 교정을 위해 열전대 온도 판독값을 동시에 기록합니다. 소프트웨어가 기준선을 완료하면 측정 모드로 이동합니다.

이제 신호는 센서의 전체 길이를 따라 0이어야 하며 시스템이 열적으로 안정적인 상태인 경우 초과 근무로 드리프트되지 않아야 합니다. 이 시점에서 흐름 및 가열 제어 장치로 이동하여 실행을 준비합니다. 공기 흐름을 켠 상태에서 채널의 유량을 일치하도록 조정합니다.

하나의 제트를 가열하도록 전원 컨트롤러를 조정하고 제트 간에 원하는 차등 온도를 설정합니다. 평형에 도달하기 위해 밤새 실행된 후 시스템으로 돌아갑니다. 라이브 DTS 신호를 검사하여 노이즈 레벨에 액세스하고 적절한 게이지 길이를 선택합니다.

분포 온도 시스템을 사용하여 4Hz에서 2000개의 스캔을 기록합니다. 이것은 기준 온도에서 측정된 온도 차이의 원시 데이터입니다. 수평 축의 왼쪽 끝은 동쪽 끝으로 표시된 시스템 경계의 파이버 세그먼트에 해당합니다.

오른쪽으로 이동하면 광섬유가 서쪽 끝을 향해 앞뒤로 고리를 이룹니다. 피크는 센서가 핫 제트 바로 위에 있는 곳에서 발생합니다. 서쪽 끝을 향한 소음은 흐름에 의한 진동으로 인한 것입니다.

여기서 원시 데이터는 테스트 섹션의 위치에 매핑됩니다. 관점은 DTS 어레이의 측정 플레인 위에서 본 것입니다. 육각형 채널의 윤곽선은 방향에 대해 A입니다.

데이터 포인트 간의 선형 보간을 통해 2D 온도 등고선 맵을 생성하여 뚜껑 아래의 열 패턴을 파악할 수 있습니다. 빨간색 영역은 동쪽 제트류 위에 따뜻한 지역이 있지만 중심에 있지 않음을 나타냅니다. 센서 데이터는 온도 변동의 경로 평균 제곱을 매핑하는 데에도 사용할 수 있습니다.

자홍색 영역은 높은 온도 변동과 높은 난류 중 하나이며, 두 개의 상승하는 제트가 뚜껑에 충돌하면서 상호 작용합니다. 우리는 레일리 산란을 기반으로 하는 단일 광섬유 센서가 어떻게 수천 번의 온도 측정값을 생성하여 열전대로는 얻을 수 없는 전체 필드에 대한 상세한 그림을 제공할 수 있는지 보았습니다. 측정 정확도를 보장하려면 항상 기준선 이후의 변형 제어에 특별한 주의를 기울이고 센서 지지 구성의 신중한 설계를 통해 흐름 유도 진동을 최소화하십시오.

이 분산 감지 기술은 불투명 유체 및 레이저와 카메라에 의존하는 광학 기술에 적합하지 않은 기타 응용 분야에서 온도 측정을 위한 새로운 가능성을 제공합니다.