Rozproszone czujniki światłowodowe do mapowania pola temperatury o wysokiej rozdzielczości
7 listopada 2016
Demonstrujemy użycie rozproszonego czujnika światłowodowego do mapowania pola temperatury mieszających strumieni powietrza. Czujnik oparty na rozpraszaniu Rayleigha generuje tysiące punktów danych wzdłuż jednego włókna, aby zapewnić wyjątkową rozdzielczość przestrzenną, która jest nieosiągalna w przypadku tradycyjnych czujników, takich jak termopary.
Ogólnym celem tego eksperymentu jest dostarczenie danych o wysokiej rozdzielczości w celu walidacji kodów komputerowych obliczeniowej dynamiki płynów, sprawdzając ich zdolność do dokładnej symulacji wymiany ciepła w przepływach turbulentnych. Ta zaawansowana technika pomiaru temperatury może generować tysiące punktów danych wzdłuż jednego czujnika wykonanego z komercyjnego światłowodu telekomunikacyjnego. Jest w stanie zapewnić gęstość danych, która znacznie wykracza poza tradycyjne czujniki, takie jak termopary.
Ale w przeciwieństwie do termopar, te czujniki światłowodowe są wrażliwe zarówno na odkształcenia, jak i temperaturę. Tak więc obsługa, wibracje i zmiany wilgotności wpływają na sygnał temperatury. Czułość na odkształcenia jest zupełnie inna niż w przypadku tradycyjnych czujników.
A uzyskanie dokładnych danych wymaga specjalnych procedur i praktyk operacyjnych, które tutaj zademonstrujemy. Rozproszony czujnik temperatury lub DTS zostanie zademonstrowany za pomocą tej sekcji testowej. Jest to szklany zbiornik z dwoma sześciokątnymi kanałami powietrznymi przymocowanymi do podstawy.
Powietrze wydostaje się przez otwór wentylacyjny u góry po wymieszaniu wnętrza. Po wewnętrznej stronie górnego panelu znajduje się polimerowy ekran nad lokalizacją DTS. Uzyskaj dostęp do wnętrza sekcji testowej, zdejmując panele na górze i z boku.
W poprzek górnej części sekcji testowej rozciągnięty jest stalowy drut o rastrze 20 milimetrów. Nad obszarem pomiaru przewody podtrzymują światłowód rozproszonego czujnika temperatury. Włókna światłowodowe biegną prostopadle do drutu stalowego i są oddalone od siebie o 10 milimetrów.
Początek DTS ma około metra światłowodu zarezerwowanego do łączenia i zakończenia końcowego. Segmenty są przeplatane przez sąsiednie druty z jednej strony obszaru pomiarowego na drugą. Włókno jest zapętlone do sąsiedniego segmentu, a końce są przymocowane do odcinka testowego za pomocą taśmy.
To jest schemat końcowego układu sekcji testowej z góry. Stalowe druty pokrywają obszar, w którym znajdują się kanały. Włókno rozprowadzanego czujnika temperatury jest przeplecione przez przewody w obszarze nad kanałami.
Aby utkać światłowód DTS, wykonaj następujące kroki. Zacznij od 50-metrowej szpuli światłowodu i rozwiń ją na tyle, aby utworzyć rezerwę do łączenia ze złączem na zewnątrz zbiornika. Zakotwicz włókno poza rezerwą do pokrywy sekcji testowej.
Następnie rozwiń około pół metra światłowodu, który zostanie użyty do uruchomienia pierwszych nowych segmentów czujnika. Połóż kilkaset milimetrów włókna na siatce drucianej i uformuj ją w pętlę. Przeplatanie pętli przez druty nośne na przemian przechodzi powyżej i poniżej sąsiednich drutów.
Po osiągnięciu przeciwnej strony zbiornika, światłowód dla pierwszych dwóch segmentów czujnika jest gotowy do przyklejenia na miejsce. Pociągnij pierwszy segment i przyklej go taśmą na miejscu na spodniej stronie pokrywy. Linijka przyklejona do wieczka, służy do wskazywania położenia i kontrolowania odstępów między segmentami.
Chcemy, aby był on na tyle napięty, aby pozostał na swoim miejscu podczas przepływu, ale nie na tyle, aby odkształcenie na odcinku testowym obciążało czujnik i powodowało błąd pomiaru. Teraz uformuj pętlę o średnicy około 30 milimetrów w niezakotwiczonej części włókna i przyklej ją taśmą 10 milimetrów od pierwszego segmentu. Zakotwicz drugi koniec drugiego segmentu do pokrywy zbiornika.
Rozwiń około pół metra światłowodu, aby rozpocząć następną parę segmentów czujnika. Powtórz kroki użyte dla pierwszych dwóch segmentów detektora, aby utworzyć dodatkowe pary segmentów. Po umieszczeniu matrycy czujników przymocuj złącze do końca światłowodu.
Podłącz czujnik do żółtego opóźniającego, który połączy czujnik z interrogatorem. Podłącz opóźniający do interrogatora i wykonaj kroki konfiguracji. Interrogator czujnikowy oparty jest na szybkiej interferometrii długości fal
.Przestrajalny laser diodowy o małej mocy wysyła sygnał wąskopasmowy do światłowodu. Laser jest przesuwany przez kilka nanometrów, a sygnał jest dzielony między nogi referencyjne i pomiarowe. Rozproszone światło z czujnika jest łączone z sygnałem referencyjnym w celu wygenerowania sygnałów zakłócających na detektorach.
Wyjście detektora służy do pobierania sygnału rozpraszania zwolnienia. Pozycje czujników muszą być teraz zmapowane. Aby to zrobić, podłącz lutownicę do transformatora zmiennego, ustawionego na około 40 procent.
Na komputerze użyj oprogramowania interrogatora, aby wyświetlić dane na żywo na ekranie. Weź lutownicę i zbliż się do początku pierwszego segmentu czujnika, przytrzymaj żelazko w pobliżu czujnika i krótko dotknij go do punktu końcowego. Na komputerze zatrzymaj pobieranie danych, aby zamrozić szczyt.
Następnie powiększ skok temperatury, aby zarejestrować położenie szczytu i fizyczną lokalizację. Zbieraj dane w ten sam sposób dla punktów początkowych i końcowych każdego segmentu. Po zmapowaniu pozycji czujników przygotuj jeden lub więcej wzorców temperatury.
W takim przypadku użyj termopary do tego zadania. Wybierz region w strefie pomiaru DTS. Zamontuj termoparę w pobliżu światłowodu DTS.
Po zakończeniu prac we wnętrzu zamknij zbiornik, przywracając wszystkie panele na swoje pozycje. Kontynuuj, owijając zbiornik jakąś formą izolacji. Po owinięciu pozostaw go na tyle długo, aby wytworzyć atmosferę izotermiczną wokół czujnika.
Gdy system jest gotowy, uruchom oprogramowanie interrogatora i rozpocznij pomiary. Aby uzyskać linię bazową, najpierw zatrzymaj pomiar. Następnie wybierz linię bazową i wprowadź nazwę pliku w odpowiednim polu.
Wybierz zakres pomiarowy i kliknij OK, aby być procesem bazowym. Jednocześnie zapisz odczyt temperatury termopary w celu kalibracji. Gdy oprogramowanie zakończy linię bazową, przejdź do trybu pomiaru.
Sygnał powinien teraz wynosić zero na całej długości czujnika i nie dryfować z czasem, jeśli system jest w stanie stabilnym termicznie. W tym momencie przejdź do elementów sterujących przepływem i ogrzewaniem, aby przygotować się do biegu. Przy włączonym przepływie powietrza dostosuj natężenia przepływu w kanałach.
Wyreguluj regulator mocy, aby podgrzać jeden strumień i ustalić żądaną różnicę temperatur między dyszami. Wróć do systemu po jego uruchomieniu przez noc, aby osiągnąć równowagę. Sprawdź sygnał DTS na żywo, aby uzyskać dostęp do poziomów szumów i wybierz odpowiednią długość miernika.
Użyj rozproszonego systemu temperatury, aby zarejestrować 2000 skanów z częstotliwością 4 herców. Są to surowe dane dotyczące zmierzonej różnicy temperatur w stosunku do temperatury początkowej. Lewy koniec osi poziomej odpowiada segmentowi włókna na granicy systemu oznaczonemu jako wschodni koniec.
Przesuwając się w prawo, światłowód zapętla się tam iz powrotem w kierunku zachodniego końca. Szczyty występują tam, gdzie czujnik znajduje się bezpośrednio nad gorącym strumieniem. Hałas w kierunku zachodniego krańca jest spowodowany wibracjami wywołanymi przepływem.
W tym przypadku surowe dane są odwzorowywane na pozycje w sekcji testowej. Punkt widzenia znajduje się z góry na równinie pomiarowej na tablicy DTS. Kontury kanałów sześciokątnych są w orientacji A.
Interpolacja liniowa między punktami danych umożliwia utworzenie mapy konturu temperatury 2D, aby zapewnić poczucie wzorca termicznego pod pokrywą. Czerwony obszar oznacza ciepły obszar nad wschodnim strumieniem, ale nie jest na nim wyśrodkowany. Dane z czujników mogą być również wykorzystane do odwzorowania średniej kwadratowej trasy wahań temperatury.
Obszar magenta to obszar wysokich wahań temperatury i silnych turbulencji, w którym dwa wznoszące się strumienie oddziałują na siebie, uderzając w pokrywę. Widzieliśmy, jak pojedynczy czujnik światłowodowy, oparty na rozpraszaniu Rayleigha, może generować tysiące pomiarów temperatury, aby zapewnić szczegółowy obraz pełnego pola, który byłby nieosiągalny w przypadku termopar. Aby zapewnić dokładność pomiaru, zawsze zwracaj szczególną uwagę na kontrolę odkształcenia po linii bazowej i minimalizuj drgania wywołane przepływem poprzez przemyślane zaprojektowanie konfiguracji wspornika czujnika.
Ta technika detekcji rozproszonej zapewnia nowe możliwości pomiarów temperatury w płynach nieprzezroczystych i innych zastosowaniach, które nie są odpowiednie dla technik optycznych opartych na laserach i kamerach.
Przegląd
To badanie demonstruje zastosowanie rozproszonego czujnika światłowodowego do mapowania pola temperaturowego mieszanych strumieni powietrza. Czujnik wykorzystuje rozpraszanie Rayleigha do generowania tysięcy punktów danych wzdłuż pojedynczego światłowodu, osiągając wyjątkową rozdzielczość przestrzenną w porównaniu z tradycyjnymi czujnikami.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Dynamika płynów
- Techniki pomiaru temperatury
Tło
- Dane o wysokim rozdzielczeniu pola przepływu są niezbędne do walidacji kodów dynamik komputerowych płynów.
- Tradycyjne czujniki, takie jak termopar, dostarczają ograniczonej gęstości danych.
- Czujniki światłowodowe są wrażliwe zarówno na odkształcenie, jak i temperaturę.
- Dokładne zbieranie danych wymaga specjalnych procedur operacyjnych.
Cel badania
- Walidacja symulacji dynamiki komputerowych płynów przenoszenia ciepła w turbulentnych przepływach.
- Demonstracja ustawienia i działania rozproszonego czujnika temperatury (DTS).
- Porównanie wydajności czujników światłowodowych z tradycyjnymi metodami pomiaru temperatury.
Stosowane metody
- Konstrukcja sekcji testowej z sześciokątnymi kanałami powietrza do mieszania strumieni powietrza.
- Przepicanie światłowodów przez druty wsporcze w celu stworzenia tablicy czujników.
- Użycie laserowego czujnika do pomiaru danych temperatury.
- Mapowanie pozycji czujników i kalibracja za pomocą termopar.
Główne wyniki
- Czujnik światłowodowy zapewnił wysoką gęstość danych temperaturowych na całym obszarze pomiaru.
- Dokładne mapowanie pozycji czujników uzyskano za pomocą lutownicy i oprogramowania.
- Pomiar bazowy wskazał stabilne warunki termiczne podczas eksperymentów.
- Kontrola przepływu i ogrzewania z powodzeniem ustanowiła pożądane różnice temperatur.
Wnioski
- Rozproszone czujniki światłowodowe oferują znaczne zalety w porównaniu z tradycyjnymi termoparami.
- Specjalistyczne techniki są niezbędne do zmniejszenia wpływu odkształcenia na pomiary.
- Ta metoda poprawia zrozumienie przenoszenia ciepła w turbulentnym przepływie.
Często zadawane pytania
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.
