Rozproszone czujniki światłowodowe do mapowania pola temperatury o wysokiej rozdzielczości

Ogólnym celem niniejszego eksperymentu jest dostarczenie wysokorozdzielczych danych dotyczących pola przepływu w celu walidacji komputerowych kodów obliczeniowej dynamiki płynów, co pozwoli sprawdzić ich zdolność do dokładnego symulowania wymiany ciepła w przepływach turbulentnych. Ta zaawansowana technika pomiaru temperatury pozwala na generowanie tysięcy punktów danych wzdłuż pojedynczego czujnika wykonanego z komercyjnego światłowodu telekomunikacyjnego. Jest ona w stanie zapewnić gęstość danych znacznie wyższą niż w przypadku tradycyjnych czujników, takich jak termopary.

W przeciwieństwie do termopar, te czujniki światłowodowe są wrażliwe nie tylko na temperaturę, ale również na odkształcenia. W związku z tym sposób obchodzenia się z nimi, wibracje oraz zmiany wilgotności wpływają na sygnał temperatury. Czułość na odkształcenia znacząco różni się od tej w tradycyjnych czujnikach.

Uzyskanie dokładnych danych wymaga zastosowania specjalnych procedur i praktyk operacyjnych, które zaprezentujemy w tym materiale. Rozproszony czujnik temperatury, czyli DTS, zostanie zademonstrowany przy użyciu tej sekcji testowej. Jest to szklany zbiornik z dwoma sześciokątnymi kanałami powietrznymi przymocowanymi do podstawy.

Powietrze opuszcza urządzenie przez otwór wentylacyjny na górze po wymieszaniu się wewnątrz. Na wewnętrznej stronie górnego panelu znajduje się czarny polimerowy ekran nad miejscą rozmieszczenia DTS. Dostęp do wnętrza sekcji testowej uzyskuje się poprzez zdjęcie paneli górnego oraz bocznego.

Wzdłuż górnej części sekcji testowej rozciągnięto stalowy drut o skoku 20 mm. Nad obszarem pomiarowym druty podtrzymują włókno optyczne rozproszonego czujnika temperatury. Włókna optyczne przebiegają prostopadle do stalowego drutu i są rozmieszczone w odstępach 10 mm.

Na początku DTS zarezerwowano około metra światłowodu na potrzeby spawania i zakończenia końcowego. Segmenty są przeplatane przez sąsiednie druty od jednej strony obszaru pomiarowego do drugiej. Światłowód jest zapętlony, aby rozpocząć kolejny sąsiedni segment, a końce są przymocowane do sekcji testowej za pomocą taśmy.

Jest to schemat rzutu z góry na układ końcowej sekcji testowej. Druty stalowe pokrywają obszar obejmujący kanały. Włókno rozproszonego czujnika temperatury jest wplecione w druty w obszarze nad kanałami.

Aby ułożyć światłowód dla systemu DTS, należy wykonać następujące kroki. Rozpocznij od szpuli światłowodu o długości 50 metrów i odwiń odpowiednią ilość, aby stworzyć zapas do złączenia z konektorem poza zbiornikiem. Przymocuj światłowód za obszarem zapasu do pokrywy sekcji testowej.

Następnie rozwiń około pół metra włókna, które zostanie wykorzystane do rozpoczęcia pierwszych nowych segmentów czujnika. Połóż kilkaset milimetrów włókna na siatce drucianej i uformuj z niego pętlę. Zacznij przeplatać pętlę przez druty wspierające, naprzemiennie przechodząc nad i pod sąsiednimi drutami.

Po dotarciu do przeciwległej strony zbiornika, włókno dla pierwszych dwóch segmentów czujnika jest gotowe do przymocowania taśmą. Napięty pierwszy segment należy przykleić taśmą do spodu pokrywy. Do wyznaczenia pozycji i kontroli odstępów między segmentami służy przyklejona do pokrywy linijka.

Napięcie powinno być wystarczające, aby światłowód pozostał w pozycji podczas przepływu, ale nie na tyle duże, aby odkształcenie w sekcji testowej obciążało czujnik i powodowało błąd pomiarowy. Teraz, w niezakotwionej części światłowodu, uformuj pętlę o średnicy około 30 milimetrów i przymocuj ją taśmą 10 milimetrów od pierwszego segmentu. Zakotwicz drugi koniec drugiego segmentu do pokrywy zbiornika.

odwiń około pół metra włókna, aby rozpocząć tworzenie kolejnej pary segmentów czujnika. Powtórz kroki zastosowane dla pierwszych dwóch segmentów detektora, aby stworzyć dodatkowe pary segmentów. Po przygotowaniu matrycy pomiarowej, zespawaj konektor z końcem włókna.

Włóż czujnik do żółtego kabla opóźniającego, który połączy czujnik z interrogatorem. Podłącz kabel opóźniający do interrogatora i wykonaj kroki konfiguracji. Interrogator czujnika opiera się na szybkiej interferometrii falowej.

Strojony laser diodowy o niskiej mocy wysyła sygnał wąskopasmowy do włókna. Laser jest przesuwany w zakresie kilku nanometrów, a sygnał jest rozdzielany na ramię referencyjne i pomiarowe. Światło rozproszone z czujnika jest łączone z sygnałem referencyjnym, aby wygenerować sygnały interferencyjne w detektorach.

Wyjście detektora służy do odzyskania sygnału rozproszenia przy uwalnianiu. Należy teraz przeprowadzić mapowanie pozycji czujników. W tym celu należy podłączyć lutownicę do transformatora regulacyjnego ustawionego na około 40 procent.

Na komputerze należy użyć oprogramowania interogatora, aby wyświetlić dane na żywo na ekranie. Należy wziąć lutownicę i zbliżyć ją do początku pierwszego segmentu czujnika, trzymać lutownicę w pobliżu czujnika i krótko dotknąć punktu końcowego. Na komputerze należy zatrzymać akwizycję danych, aby zamrozić pik.

Następnie przybliż widok na skok temperatury, aby zapisać położenie szczytu oraz lokalizację fizyczną. W ten sam sposób zbierz dane dla punktów początkowych i końcowych każdego segmentu. Po zmapowaniu pozycji czujników przygotuj jeden lub więcej wzorców temperatury.

W tym przypadku do wykonania zadania należy użyć termopary. Wybierz obszar w strefie pomiarowej DTS. Zamontuj termoparę w pobliżu włókna DTS.

Po zakończeniu prac wewnątrz, zamknij zbiornik, przywracając wszystkie panele na ich miejsca. Następnie owiń zbiornik odpowiednią izolacją. Po owinięciu pozostaw go na wystarczająco długo, aby wokół czujnika wytworzyła się atmosfera izotermiczna.

Gdy system będzie gotowy, uruchom oprogramowanie interregatora i rozpocznij pomiary. Aby uzyskać linię bazową, najpierw zatrzymaj pomiar. Następnie wybierz opcję baseline i wprowadź nazwę pliku w odpowiednim polu.

Wybierz zakres pomiarowy i kliknij OK, aby rozpocząć proces wyznaczania linii bazowej. Jednocześnie zapisz odczyt temperatury z termopary w celu kalibracji. Po zakończeniu wyznaczania linii bazowej przez oprogramowanie przejdź do trybu pomiaru.

Sygnał powinien teraz wynosić zero na całej długości czujnika i nie powinien dryfować w czasie, jeśli system znajduje się w stanie stabilności termicznej. W tym momencie należy przejść do sterowania przepływem i ogrzewaniem, aby przygotować się do pomiaru. Przy włączonym przepływie powietrza należy dostosować natężenia przepływu w kanałach tak, aby były one zgodne.

Ustaw kontroler mocy, aby podgrzać jedną dyszę i ustalić pożądaną różnicę temperatur między dyszami. Powróć do systemu po pozostawieniu go przez noc w celu osiągnięcia stanu równowagi. Przeanalizuj sygnał DTS w czasie rzeczywistym, aby ocenić poziom szumów i wybrać odpowiednią długość wzorca.

Użyj rozproszonego systemu pomiaru temperatury do zarejestrowania 2000 skanów z częstotliwością 4 Hz. Są to surowe dane dotyczące zmierzonej różnicy temperatur względem temperatury bazowej. Lewy koniec osi poziomej odpowiada segmentowi światłowodu na granicy systemu oznaczonej jako koniec wschodni.

Przesuwając się w prawo, włókno zapętla się w przód i w tył w kierunku zachodniego końca. Piki występują w miejscach, gdzie czujnik znajduje się bezpośrednio nad gorącym strumieniem. Szum w kierunku zachodniego końca jest wynikiem wibracji indukowanych przepływem.

W tym miejscu surowe dane są naniesione na pozycje w sekcji testowej. Punkt widzenia znajduje się powyżej płaszczyzny pomiarowej na matrycy DTS. Kontury kanałów sześciokątnych służą do orientacji w osi A.

Interpolacja liniowa między punktami danych umożliwia stworzenie dwuwymiarowej mapy konturowej temperatury, co pozwala zobrazować rozkład termiczny pod pokrywą. Obszar koloru czerwonego wskazuje ciepły region nad wschodnim strumieniem, który nie jest jednak z nim wycentrowany. Dane z czujników mogą być również wykorzystane do mapowania wartości średnio kwadratowej fluktuacji temperatury.

Obszar w kolorze purpurowym charakteryzuje się wysokimi wahaniami temperatury i dużą turbulencją, gdzie dwa wznoszące się strumienie oddziałują na siebie w momencie uderzenia w pokrywę. Przekonaliśmy się, w jaki sposób pojedynczy czujnik światłowodowy, oparty na rozproszeniu Rayleigha, może generować tysiące pomiarów temperatury, aby dostarczyć szczegółowego obrazu całego pola, co byłoby nieosiągalne przy użyciu termopar. Aby zapewnić dokładność pomiarów, należy zawsze zwrócić szczególną uwagę na kontrolę odkształceń po ustaleniu linii bazowej oraz zminimalizować wibracje indukowane przepływem poprzez przemyślaną konfigurację wsporników czujnika.

Ta rozproszona technika pomiarowa stwarza nowe możliwości pomiaru temperatury w płynach nieprzezroczystych oraz w innych zastosowaniach, w których nie można wykorzystać technik optycznych opartych na laserach i kamerach.