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 glasvezel-distributed sensor voor het in kaart brengen van het temperatuurveld van mengende luchtstralen. De sensor maakt gebruik van Rayleigh-verstrooiing om duizenden datapunten langs één enkele vezel te genereren, waardoor een uitzonderlijke ruimtelijke resolutie wordt bereikt in vergelijking met traditionele sensoren.
Belangrijkste onderdelen van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Stromingsleer
- Temperatuurmetingstechnieken
Achtergrond
- Stromingsveldgegevens met een hoge resolutie zijn essentieel voor de validatie van computational fluid dynamics-codes.
- Traditionele sensoren, zoals thermokoppels, bieden een beperkte datadichtheid.
- Glasvezelsensoren zijn gevoelig voor zowel rek als temperatuur.
- Speciale operationele procedures zijn vereist voor een nauwkeurige gegevensverzameling.
Doel van de studie
- Om computationele vloeistofdynamica-simulaties van warmteoverdracht in turbulente stromingen te valideren.
- Om de opstelling en werking van een verdeelde temperatuursensor (DTS) te demonstreren.
- Om de prestaties van glasvezelsensoren te vergelijken met traditionele temperatuurmeetmethoden.
Gebruikte methoden
- Constructie van een testsectie met hexagonale luchtkanaaltjes voor het mengen van luchtstralen.
- Het weven van optische vezels door steundraden om een sensorarray te creëren.
- Het gebruik van een lasergebaseerde sensorinterrogator voor het meten van temperatuurgegevens.
- Het in kaart brengen van sensorposities en kalibreren met thermokoppels.
Belangrijkste Resultaten
- De glasvezelsensor leverde temperatuurgegevens met een hoge dichtheid over het meetgebied.
- Een nauwkeurige mapping van de sensorposities werd gerealiseerd met behulp van een soldeerbout en software.
- Nulmetingen wezen op stabiele thermische omstandigheden tijdens de experimenten.
- Flow- en verwarmingsregelingen stelden succesvol de gewenste temperatuurverschillen vast.
Conclusies
- Glasvezel-gedistribueerde sensoren bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele thermokoppels.
- Gespecialiseerde technieken zijn noodzakelijk om de effecten van rek op de metingen te beperken.
- Deze methode vergroot het begrip van warmteoverdracht bij turbulente stroming.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Hoge-resolutie mapping van het temperatuurveld met behulp van glasvezel-distributed sensors maakt een strikte validatie van computational fluid dynamics (CFD)-modellen mogelijk, die essentieel zijn voor voorspellende procesontwikkeling in biofarmaceutische R&D. Het vermogen om duizenden ruimtelijk opgeloste temperatuurdatapunten te genereren ondersteunt mechanistische risicoreductie en vergroot het vertrouwen in besluitvorming op basis van simulaties. Deze mogelijkheid is bijzonder relevant voor het optimaliseren van complexe vloeistofbehandeling, menging en thermische controle in bioverwerkingsomgevingen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt nauwkeurige analyse van thermische gradiënten mogelijk in experimentele systemen die relevant zijn voor procesontwikkeling.
- Ondersteunt mechanistische risicoreductie door hoogwaardige data te leveren voor de validatie van warmteoverdrachtsmodellen.
- Verhoogt de voorspellende betrouwbaarheid bij simulatiegebaseerde procesoptimalisatie.
Screening & assayontwikkeling
- Faciliteert de preparatie van gevalideerde thermische omgevingen voor downstream assay-workflows.
- Maakt reproduceerbare en kwantitatieve temperatuurmapping over complexe geometrieën mogelijk.
- Ondersteunt de standaardisatie van thermische controle in high-throughput screeningsplatforms.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Biedt continuïteit van thermische mapping op ontdekkingsschaal naar validatie van processen in de pilot- en preklinische fase.
- Maakt risico-gecorrigeerde voortgang van procesontwerpen mogelijk op basis van robuuste thermische gegevens.
- Ondersteunt de afstemming van experimentele condities op translationele procesvereisten.
Integratie van pipeline en workflow
Deze methode voor gedistribueerde detectie kan worden geïntegreerd in het continuüm van procesontwikkeling, van vroege ontdekking tot opschaling en preklinische validatie, overal waar nauwkeurige thermische mapping vereist is.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing en het verduidelijken van signaalpaden door nauwkeurige karakterisering van de thermische omgeving mogelijk te maken.
- Screening: Levert reproduceerbare temperatuurgegevens met een hoge dichtheid voor de standaardisatie en schaalbaarheid van assays.
- Analytics: Levert kwantitatieve output en ruimtelijk opgeloste metingen voor een robuuste vergelijking van procescondities.
- Translationeel onderzoek: Slaat de brug tussen bevindingen op laboratoriumschaal en preklinische procesvalidatie door middel van consistente thermische mapping.
- Enterprise-hergebruik: Biedt een herbruikbaar platform voor temperatuurbewaking met een hoge resolutie in diverse experimentele opstellingen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit in procesmodellering.
- Operationele waarde: Levert gestandaardiseerde, reproduceerbare en schaalbare mogelijkheden voor temperatuurmeting.
- Strategische waarde: Informeert betere go/no-go-beslissingen en verbetert de kapitaalefficiëntie door risico's in een laat stadium van het proces te verminderen.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering en verdere ontwikkeling van procesontwikkelingskandidaten mogelijk.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in de installatie en kalibratie van glasvezelsensoren.
- Vereist gespecialiseerde instrumentatie voor Rayleigh-verstrooiing en interferometrische analyse.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de hantering en omgevingscontroles om de integriteit van de gegevens te waarborgen.
- Aanpassing aan verschillende modelsystemen kan aangepaste ondersteuningsstructuren en basisprocedures vereisen.
- De nauwkeurigheid is gevoelig voor rek, trillingen en vochtigheid, wat een zorgvuldig experimenteel ontwerp en een nauwkeurige uitvoering noodzakelijk maakt.
