Fiber Optic Distributed Sensoren voor Mapping Temperature Field High-resolution
7 november 2016
Demonstreren we gebruik van een vezeloptische sensor voor gedistribueerde In kaart brengen mengtemperatuur luchtstralen. De Rayleigh-verstrooiing gebaseerde sensor genereert duizenden gegevenspunten langs een enkele vezel buitengewone ruimtelijke resolutie die onbereikbaar met traditionele sensoren, zoals thermokoppels leveren.
Het algemene doel van dit experiment is om gegevens met hoge resolutie van het stromingsveld te verstrekken om computercodes voor computationele vloeistofdynamica te valideren en hun vermogen om warmteoverdracht in turbulente stromingen nauwkeurig te simuleren te controleren. Deze geavanceerde temperatuurmeettechniek kan duizenden gegevenspunten genereren langs een enkele sensor gemaakt van commerciële telecomovezel. Het is in staat om gegevensdichtheid te bieden die ver voorbij traditionele sensoren zoals thermokoppels gaat.
Maar in tegenstelling tot thermokoppels zijn deze glasvezelsensoren gevoelig voor spanning evenals temperatuur. Dus handeling, trillingen en veranderingen in luchtvochtigheid beïnvloeden het signaal van de temperatuur. De spanningsgevoeligheid is heel anders dan bij traditionele sensoren.
En het verkrijgen van nauwkeurige gegevens vereist speciale bedieningsprocedures en praktijken die we hier zullen demonstreren. De gedistribueerde temperatuursensor, of DTS, zal worden gedemonstreerd met behulp van deze testsectie. Het is een glazen tank met twee zeshoekige luchtkanalen die aan de basis zijn bevestigd.
De lucht stroomt uit door een opening aan de bovenkant na het mengen in het interieur. Aan de binnenkant van het bovenpaneel bevindt zich een zwarte polymeerscherm over de locatie van de DTS. Toegang tot het interieur van de testsectie door panelen aan de boven- en zijkant te verwijderen.
Over de bovenkant van de testsectie loopt staaldraad met een stap van 20 millimeter. Over het meetgebied ondersteunen de draden de optische vezel van de gedistribueerde temperatuursensor. De optische vezels lopen loodrecht op de staaldraad en zijn 10 millimeter uit elkaar geplaatst.
Het begin van de DTS heeft ongeveer een meter vezel gereserveerd voor splitsing en eindbeëindiging. Segmenten worden door aangrenzende draden geweven van de ene kant van het meetgebied naar de andere. De vezel wordt in een lus gelegd om het aangrenzende segment te verbinden en de uiteinden worden met tape aan de testsectie bevestigd.
Dit is een schematische weergave van de uiteindelijke lay-out van de testsectie van bovenaf. De stalen draden bedekken een gebied dat de kanalen omvat. De vezel van de gedistribueerde temperatuursensor is door de draden geweven in het gebied boven de kanalen.
Om de optische vezel van de DTS te weven, volg je deze stappen. Begin met een 50 meter spoel vezel en spoel genoeg uit om een reserve te creëren voor splitsing naar een connector buiten de tank. Bevestig de vezel voorbij de reserve aan het deksel van de testsectie.
Spoul vervolgens ongeveer een halve meter vezel uit die zal worden gebruikt om de eerste nieuwe sensorsegmenten te starten. Leg een paar honderd millimeter vezel op het gaas en vorm het tot een lus. Begin met het weven van de lus door de steundraden en wissel af tussen boven en onder aangrenzende draden.
Wanneer de andere kant van de tank is bereikt, is de vezel voor de eerste twee sensorsegmenten klaar om op zijn plaats te worden getapt. Trek het eerste segment strak en tap het op de onderkant van het deksel. Een liniaal die aan het deksel is vastgelijmd, wordt gebruikt om de positie aan te geven en de segmentafstand te regelen.
We willen dat dit strak genoeg is om tijdens het stromen op zijn plaats te blijven, maar niet zo strak dat vervorming bij de testsectie de sensor belast en meetfouten veroorzaakt. Vorm nu een lus van ongeveer 30 millimeter diameter in het niet-bevestigde deel van de vezel en tap deze 10 millimeter van het eerste segment. Bevestig het andere uiteinde van het tweede segment aan het tankdeksel.
Spoul ongeveer een halve meter vezel uit om het volgende paar sensorsegmenten te beginnen. Herhaal de stappen die voor de eerste twee detectorsegmenten zijn gebruikt om extra segmentparen te maken. Met de sensorarray op zijn plaats, splits een connector aan het uiteinde van de vezel.
Sluit de sensor aan op de gele vertragingskabel die de sensor zal verbinden met de vraagsteller. Verbind de vertragingskabel met de vraagsteller en voltooi de configuratiestappen. De sensorvraagsteller is gebaseerd op snelle golflengte-interferometrie.
Een laagvermogen instelbare diodelaser stuurt een smalbandsignaal de vezel in. De laser wordt over verschillende nanometers geveegd en het signaal wordt verdeeld tussen referentie- en meetbenen. Verspreid licht van de sensor wordt gecombineerd met het referentiesignaal om interferentiesignaal op de detectoren te genereren.
Het detectoruitvoer wordt gebruikt om het vrijgegeven verstrooiingssignaal op te halen. De sensorposities moeten nu worden toegewezen. Om dit te doen, sluit een soldeerbout aan op een variabele transformator, ingesteld op ongeveer 40 procent.
Gebruik op de computer de vraagstellersoftware om live gegevens op het scherm weer te geven. Neem de soldeerbout en benader het begin van het eerste segment van de sensor, houd de ijzer nabij de sensor en raak het kortstondig aan op het eindpunt. Op de computer stopt u de gegevensverwerving om de piek te bevriezen.
Zoom vervolgens in op de temperatuurpiek om de positie van de piek en de fysieke locatie vast te leggen. Verzamel gegevens op dezelfde manier voor de begin- en eindpunten van elk segment. Na het toewijzen van de sensorposities, bereidt u een of meer temperatuurstandaarden voor.
In dit geval gebruikt u de thermokoppel voor de taak. Selecteer een gebied in de meetzone van de DTS. Monteer de thermokoppel nabij de vezel van de DTS.
Na het voltooien van het werk in het interieur, sluit u de tank door alle panelen in hun positie terug te brengen. Ga verder door de tank in een of andere vorm van isolatie te wikkelen. Eenmaal gewikkeld, laat u het lang genoeg zitten om een isotherme atmosfeer rond de sensor te vestigen.
Wanneer het systeem klaar is, start u de vraagstellersoftware en begint u met metingen. Om de basislijn te krijgen, stopt u eerst met meten. Selecteer vervolgens basislijn en voer een bestandsnaam in het aangeboden veld in.
Selecteer een meetbereik en klik op OK om met het basislijnproces te beginnen. Noteer tegelijkertijd de thermokoppeltemperatuurwaarde voor kalibratie. Zodra de software de basislijn heeft voltooid, ga
Overzicht
Deze studie demonstreert het gebruik van een gedistribueerde glasvezelsensor voor het in kaart brengen van het temperatuurveld van mengende luchtstralen. De sensor maakt gebruik van Rayleigh-verstrooiing om duizenden datapunten langs een enkele vezel te genereren, waardoor een uitzonderlijke ruimtelijke resolutie wordt bereikt in vergelijking met traditionele sensoren.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Vloeistofdynamica
- Temperatuurmeettechnieken
Achtergrond
- Gegevens van hoge resolutie voor stromingsvelden zijn essentieel voor het valideren van computationele vloeistofdynamica codes.
- Traditionele sensoren zoals thermokoppels leveren beperkte datadichtheid op.
- Glasvezelsensoren zijn gevoelig voor zowel spanning als temperatuur.
- Speciale bedieningsprocedures zijn vereist voor nauwkeurige dataverzameling.
Doel van de studie
- Om computationele vloeistofdynamica simulaties van warmteoverdracht in turbulente stromingen te valideren.
- Om de opstelling en werking van een gedistribueerde temperatuursensor (DTS) te demonstreren.
- Om de prestaties van glasvezelsensoren te vergelijken met traditionele temperatuurmeetmethoden.
Gebruikte methoden
- Constructie van een testsectie met zeshoekige luchtkanalen voor mengende luchtstralen.
- Het weven van optische vezels door steendraden om een sensorarray te creëren.
- Gebruik van een laser-gebaseerde sensorvragenaar om temperatuurdata te meten.
- In kaart brengen van sensorposities en kalibreren met thermokoppels.
Belangrijkste resultaten
- De glasvezelsensor leverde temperatuurdata met hoge dichtheid over het meetgebied.
- Accurate kaartlegging van sensorposities werd bereikt met behulp van een soldeerbout en software.
- Basismetingen gaven stabiele thermische omstandigheden tijdens experimenten aan.
- Stroming en verwarmingscontroles slaagden erin de gewenste temperatuurverschillen te bereiken.
Conclusies
- Gedistribueerde glasvezelsensoren bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele thermokoppels.
- Gespecialiseerde technieken zijn noodzakelijk om de effecten van spanning op metingen te verminderen.
- Deze methode verbetert het begrip van warmteoverdracht in turbulente stromingen.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
High-resolution temperature field mapping using fiber optic distributed sensors enables rigorous validation of computational fluid dynamics (CFD) models, which are critical for predictive process development in biopharma R&D. The ability to generate thousands of spatially resolved temperature data points supports mechanistic de-risking and enhances confidence in simulation-driven decision making. This capability is particularly relevant for optimizing complex fluid handling, mixing, and thermal control in bioprocessing environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of thermal gradients in experimental systems relevant to process development.
- Supports mechanistic de-risking by providing high-density data for validating heat transfer models.
- Improves predictive confidence in simulation-based process optimization.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated thermal environments for downstream assay workflows.
- Enables reproducible and quantitative temperature mapping across complex geometries.
- Supports standardization of thermal control in high-throughput screening platforms.
Translational & Preclinical Research
- Provides continuity from discovery-scale thermal mapping to pilot and preclinical process validation.
- Enables risk-adjusted advancement of process designs based on robust thermal data.
- Supports alignment of experimental conditions with translational process requirements.
Pipeline & Workflow Integration
This distributed sensing method integrates into the process development continuum, from early discovery through scale-up and preclinical validation, wherever precise thermal mapping is required.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling accurate thermal environment characterization.
- Screening: Provides reproducible, high-density temperature data for assay standardization and scalability.
- Analytics: Delivers quantitative outputs and spatially resolved measurements for robust comparison of process conditions.
- Translational Research: Bridges laboratory-scale findings to preclinical process validation through consistent thermal mapping.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for high-resolution temperature monitoring across diverse experimental setups.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in process modeling.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable temperature measurement capabilities.
- Strategic Value: Informs better go/no-go decisions and improves capital efficiency by reducing late-stage process risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of process development candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fiber optic sensor installation and calibration.
- Demands specialized instrumentation for Rayleigh scattering and interferometric analysis.
- Necessitates cross-team standardization of handling and environmental controls to ensure data integrity.
- Adaptation across different model systems may require custom support structures and baseline procedures.
- Accuracy is sensitive to strain, vibration, and humidity, necessitating careful experimental design and operation.
