Fibra Óptica sensores distribuídos para High-resolution Mapeamento Temperatura campo

O objetivo geral deste experimento é fornecer dados de campo de fluxo com alta resolução para validar códigos computacionais de dinâmica de fluidos computacional, verificando sua capacidade de simular com precisão a transferência de calor em escoamentos turbulentos. Esta técnica avançada de medição de temperatura pode gerar milhares de pontos de dados ao longo de um único sensor feito de fibra óptica comercial de telecomunicações. É capaz de fornecer uma densidade de dados muito superior à dos sensores tradicionais, como termopares.

Mas diferentemente dos termopares, esses sensores de fibra óptica são sensíveis à deformação mecânica, bem como à temperatura. Assim, manuseio, vibração e mudanças na umidade influenciam o sinal de temperatura. A sensibilidade à deformação é bastante diferente dos sensores tradicionais.

E obter dados precisos exige procedimentos e práticas operacionais especiais, que demonstraremos aqui. O sensor distribuído de temperatura, ou DTS, será demonstrado utilizando esta seção de teste. Trata-se de um tanque de vidro com dois dutos de ar hexagonais ligados à base.

O ar sai por uma ventilação no topo após se misturar no interior. Na parte interna do painel superior, há uma tela de polímero preto sobre a localização do DTS. Acesse o interior da seção de teste removendo os painéis do topo e do lado.

Estendido ao longo da parte superior da seção de teste, há um fio de aço com um passo de 20 milímetros. Sobre a área de medição, os fios suportam a fibra óptica do sensor distribuído de temperatura. As fibras ópticas se estendem perpendicularmente ao fio de aço e estão espaçadas em 10 milímetros uma da outra.

O início do DTS possui aproximadamente um metro de fibra reservado para emenda e terminação final. Os segmentos são entrelaçados através dos fios adjacentes de um lado da região de medição ao outro. A fibra é dobrada para iniciar o segmento adjacente e as extremidades são fixadas à seção de teste com fita.

Este é um esquema da disposição final da seção de teste vista de cima. Os fios de aço cobrem uma região que inclui os dutos. A fibra do sensor distribuído de temperatura é entrelaçada pelos fios na área acima dos dutos.

Para tecer a fibra óptica do DTS, siga estes passos. Comece com um carretel de 50 metros de fibra e desenrole o suficiente para criar a reserva necessária para emenda a um conector fora do tanque. Fixe a fibra além da reserva à tampa da seção de teste.

Em seguida, desenrole cerca de meio metro de fibra que será usado para iniciar os primeiros novos segmentos do sensor. Coloque algumas centenas de milímetros da fibra sobre a malha de arame e modele-a em um laço. Comece a entrelaçar o laço pelos fios de suporte, alternando entre passar acima e abaixo dos fios adjacentes.

Quando o lado oposto do tanque for alcançado, a fibra para os dois primeiros segmentos do sensor estará pronta para ser fixada com fita. Puxe o primeiro segmento com firmeza e fixe-o com fita na parte inferior da tampa. Uma régua colada na tampa é usada para indicar a posição e controlar o espaçamento entre os segmentos.

Queremos que isso fique suficientemente tenso para permanecer na posição durante o fluxo, mas não tão tenso que a deformação na seção de teste tensione o sensor e cause erro de medição. Agora, forme um laço de aproximadamente 30 milímetros de diâmetro na parte não fixada da fibra e fixe-a com fita adesiva a 10 milímetros do primeiro segmento. Fixe a outra extremidade do segundo segmento à tampa do tanque.

desenrole cerca de meio metro de fibra para iniciar o próximo par de segmentos do sensor. Repita os passos utilizados para os dois primeiros segmentos do detector para criar pares adicionais de segmentos. Com a matriz sensorial no lugar, emende um conector à extremidade da fibra.

Conecte o sensor ao cabo amarelo de atraso que ligará o sensor ao interrogador. Conecte o cabo de atraso ao interrogador e conclua as etapas de configuração. O interrogador de sensores é baseado em interferometria rápida de comprimento de onda.

Um laser de diodo sintonizável de baixa potência envia um sinal de banda estreita para a fibra. O laser é varrido ao longo de vários nanômetros, e o sinal é dividido entre os braços de referência e medição. A luz espalhada pelo sensor é combinada com o sinal de referência, gerando sinais de interferência nos detectores.

A saída do detector é utilizada para recuperar o sinal de espalhamento da liberação. As posições dos sensores devem agora ser mapeadas. Para isso, conecte um ferro de solda a um transformador variável, ajustado em cerca de 40 por cento.

No computador, utilize o software do interrogador para exibir dados em tempo real na tela. Pegue o ferro de solda e aproxime-o do início do primeiro segmento do sensor, mantenha o ferro próximo ao sensor e toque brevemente no ponto final. No computador, pare a aquisição de dados para congelar o pico.

Em seguida, aproxime o pico de temperatura para registrar a posição do pico e a localização física. Colete os dados da mesma maneira para os pontos inicial e final de cada segmento. Após mapear as posições dos sensores, prepare um ou mais padrões de temperatura.

Neste caso, utilize o termopar para a tarefa. Selecione uma região na zona de medição do DTS. Instale o termopar próximo à fibra do DTS.

Após concluir o trabalho no interior, feche o tanque recolocando todas as placas em suas posições. Em seguida, envolva o tanque com algum tipo de isolamento. Uma vez envolvido, deixe-o em repouso por tempo suficiente para estabelecer uma atmosfera isotérmica ao redor do sensor.

Quando o sistema estiver pronto, inicie o software do interrogador e comece as medições. Para obter a linha de base, interrompa primeiro a medição. Em seguida, selecione linha de base e insira um nome de arquivo no campo fornecido.

Selecione uma faixa de medição e clique em OK para iniciar o processo de linha de base. Simultaneamente, registre a leitura de temperatura do termopar para calibração. Após o software concluir a linha de base, vá para o modo de medição.

O sinal agora deve ser zero ao longo de todo o comprimento do sensor e não deve apresentar deriva ao longo do tempo se o sistema estiver em um estado termicamente estável. Neste momento, vá até os controles de fluxo e aquecimento para se preparar para um experimento. Com o fluxo de ar ligado, ajuste as taxas de fluxo nos canais para que coincidam.

Ajuste o controlador de potência para aquecer um jato e estabeleça a diferença de temperatura desejada entre os jatos. Retorne ao sistema após ele ter funcionado durante a noite para atingir o equilíbrio. Examine o sinal DTS em tempo real para avaliar os níveis de ruído e escolha o comprimento de base apropriado.

Utilize o sistema de temperatura distribuído para registrar 2000 varreduras a 4 hertz. Este é o dado bruto da diferença de temperatura medida em relação à temperatura de referência. A extremidade esquerda do eixo horizontal corresponde a um segmento da fibra localizado na borda do sistema, denominada extremidade leste.

Movendo-se para a direita, a fibra faz loop para frente e para trás em direção à extremidade oeste. Os picos ocorrem onde o sensor está diretamente acima do jato quente. O ruído na extremidade oeste é devido à vibração induzida pelo fluxo.

Aqui, os dados brutos são mapeados em posições na seção de teste. O ponto de vista é de cima do plano de medição na matriz DTS. Os contornos dos canais hexagonais estão em uma orientação de A a.

A interpolação linear entre os pontos de dados permite a criação de um mapa de contorno de temperatura 2D para fornecer uma noção do padrão térmico sob a tampa. A área vermelha indica uma região quente acima do jato leste, mas não centrada nele. Os dados do sensor também podem ser usados para mapear a raiz quadrada média das flutuações de temperatura.

A região magenta é uma região de grandes flutuações de temperatura e alta turbulência, onde os dois jatos ascendentes interagem ao atingirem a tampa. Vimos como um único sensor de fibra óptica, baseado em espalhamento Rayleigh, pode gerar milhares de medições de temperatura, fornecendo uma imagem detalhada de todo o campo que seria inacessível com termopares. Para garantir a precisão das medições, preste sempre especial atenção ao controle de deformação após a linha de base e minimize as vibrações induzidas pelo fluxo por meio de um projeto cuidadoso da configuração de suporte do sensor.

Essa técnica de sensoriamento distribuído oferece novas possibilidades para medições de temperatura em fluidos opacos e outras aplicações que não são adequadas para técnicas ópticas baseadas em lasers e câmeras.