Name: Fibra Óptica sensores distribuídos para High-resolution Mapeamento Temperatura campo (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Explore sensores de fibra óptica distribuídos usando espalhamento Rayleigh para mapeamento térmico de alta resolução em jatos de ar turbulentos. Esta técnica supera termopares tradicionais na validação de simulações de dinâmica dos fluidos.

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Os autores agradecem a Tyler Gorney e Aida Rahim da Luna Innovations por sua inestimável visão técnica e assistência com nossa aplicação.
O manuscrito submetido foi criado pela UChicago Argonne, LLC, Operadora do Argonne National Laboratory ("Argonne"). Argonne, um laboratório do Departamento de Energia dos EUA, é operado sob o Contrato nº. DE-AC02-06CH11357. Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Energia Nuclear.

Tipo 1. Selecione Optimal Sensor de Aplicação <ol><li> Escolha comprimento do sensor baseado em troca entre velocidade de amostragem e número de pontos de dados. NOTA: uma amostras de interrogador sensores de até 50 m de comprimento em 2.5 Hz e resolução &lt;10 mm, enquanto os outros sensores de amostras até 10 m de comprimento com resolução de 5 mm e 100 Hz. </li><li> Selecione um tipo de fibra óptica monomodo com base em requisitos dos limites de serviço temperatura, tempo de resposta, sensibilidade umidade e configuração de instalação (nu ou em capilar). NOTA: 155 mm de diâmetro de modo único revestido de poliimida telecom comercial de fibra óptica Aqui temos utilizado. NOTA: Ver Tabelas 1 e 2 como exemplos de fibras e configurações que usamos em nosso laboratório. </li></ol> 2. Instale fibra óptica no ponto de teste <ol><li> secção de teste aberto através da remoção de uma das placas laterais de vidro compridas. </li><li> Faça furos de 1 mm de diâmetroem paredes laterais 3 mm abaixo da tampa para as âncoras de arame (fig. 3). NOTA: Âncoras prender o fio de aço que suportam o sensor. O passo âncora pode ser variada de acordo com a dimensão da secção de ensaio e carregamento dinâmico esperado de fluxo. O campo 20 milímetros usado aqui mostrou-se estável com vibração mínima no fluxo de cerca de 1 m / seg. Vibração corrompe DTS sinais e é mais problemática com longas sensores 15,16. </li><li> Cadeia um segmento de fio de aço de 127 um de diâmetro em toda a secção de ensaio, amarrando-o para uma âncora de latão em cada extremidade do tanque. Repita até que há um total de 47 segmentos de fios amarrados através do tanque. </li><li> Cortar 50 m de fibra óptica usando comunicações / eletricistas tesouras com reserva para ser consumido no conector splicing e fibra de terminação (provavelmente &lt;0,5 m, mas depende de proficiência em splicing). Recolher esta fibra em uma pequena bobina, ~ 50 mm de diâmetro. </li><li> Coloque o primeiro segmento do sensor em uma borda da área escolhida para medir a temperatura with, o conjunto de sensores. NOTA: Depois do primeiro segmento é fixada em posição, a fibra vai ser enrolada por um segmento adjacente, fixa em posição, e mais fibra dispensado para o segmento seguinte, num processo repetitivo que constrói a matriz até que toda a fibra é usada. </li><li> Tecer as fibras acima e abaixo de fios adjacentes, trabalhando a partir de um lado do tanque para a outra fibra, distribuir a partir do carretel, conforme necessário. NOTA: A fibra é perpendicular ao fio, como mostrado na Fig. 3 com o tecido de suporte contra a força da gravidade numa direcção e o fluxo na outra. </li><li> Anexar cada extremidade do primeiro segmento de fibra à tampa com fita adesiva transparente convencional ou fita da película de poliimida. O primeiro segmento da matriz está agora no lugar. NOTA: Não fixe o sensor tenso como uma corda de guitarra, mas sim tenso o suficiente para ser em linha reta e eliminar a folga visível. Se o sensor é tensionado, pequenas deformações no suporte, por exemplo, EXPAN térmicasion da tampa, vai mudar essa tensão e gerar anômala deslocamentos de sinal e erros de medição. </li><li> Laço da fibra 180 graus a devolvê-lo de volta para o segmento seguinte, como mostrado na Fig. 4 e a fita para a tampa a uma distância de 10 mm a partir do primeiro segmento. NOTA: Minimizar o diâmetro de espira, uma vez que é &quot;desperdiçado fibra&quot; (não faz parte da matriz), mas deve ser cerca de 30 mm ou mais para tensões toleráveis. A fibra usada aqui tem tolerado 30 mm de diâmetro loops para vários meses sem perda de sinal perceptível, mas limites variam de acordo com tipo de fibra. Para a fibra utilizada aqui, o fabricante especifica a &quot;curto prazo&quot; limite raio de curvatura como ≥ 10 mm e &quot;longo prazo&quot; limite como ≥ 17 mm. </li><li> Mais uma vez tecer a fibra entre os fios na direcção do lado oposto do tanque e a fita em posição. Repetir o processo de laço, com fita adesiva, e tecer até que toda a fibra é usada. </li></ol> 3. Splice Connector e Terminação de Fibra <ol><li> Unir um conector modo single-type LC a uma extremidade da fibra utilizando um splicer da fusão seguindo as instruções do fabricante 17. </li><li> Cortar ~ 0,25 m de fibra de terminação com o electricista / comunicação tesoura e splice para a outra extremidade da fibra, mais uma vez com uma coladeira fusão seguindo as instruções do fabricante. NOTA: Esta montagem (fibra, conector e terminação) vai agora ser referido como um &quot;sensor&quot;. A fibra de terminação dispersa sinal residual a partir do pulso de laser para evitar o seu retorno para o interrogador. </li></ol> 4. Configuração Sensor <ol><li> Ligue a extremidade do conector do tipo LC do sensor na porta interrogador e iniciar o software de configuração. </li><li> Gerar dados do sensor de amplitude, selecionando &quot;adquirir&quot; (distinto de dados de temperatura), que é exibido automaticamente quando a verificação for concluída. NOTA: O traço de um sensor com boas emendas terão o general as características mostradas na fig. 5. Um pobre emenda pode ser indicada por um piso de ruído indistinto ou reflexo dominante, onde se espera que o conector. Se um pobre emenda é suspeita, volte ao passo 3 e repita o procedimento de splicing. </li><li> Seleccionar a parte activa do sensor, arrastando o cursor amarelo mostrado no ecrã para o início do sensor e o cursor vermelho até ao fim. </li><li> Dê o sensor de um nome e selecione &quot;salvar arquivos de sensores&quot;. NOTA: O sensor está agora configurado e pronto para uso. </li><li> Feche o software de configuração e mudar para o software de medição. </li></ol> 5. Mapa Sensor de Posição da secção de teste <ol><li> Inicie o software de medição interrogador e carregar o sensor apenas configurado. </li><li> Ligue um ferro de solda a um transformador variável definida para ~ 40%, pré-aquecimento durante 5-10 min. NOTA: O ferro de solda gera picos de temperatura locais para o mapeamento. Um ferro de solda pode melt o revestimento de fibra e arruinar o sensor assim que começar com uma configuração de baixa transformador, usando apenas energia suficiente para obter picos claros. A 10-20 ° C, pico suficiente para este processo. </li><li> Selecione &quot;medida&quot; no software interrogador para plotar dados em tempo real na tela. </li><li> Diminuir o zoom para exibir todo o sensor na tela. </li><li> Segure ferro de solda perto do sensor e brevemente tocá-lo no primeiro ponto de mapeamento, aqui o mais segmento do respiradouro onde se encontra com a tampa (Fig. 4). </li><li> posição do registro do pico de temperatura como indicado pelo software, juntamente com a localização física correspondente dentro da secção de ensaio. </li><li> Repita 5,5-5,6 para mapear os pontos finais de todos os 49 segmentos. </li></ol> 6. Sensor de base: A Link to temperatura absoluta <ol><li> Posição de um ou mais de temperatura padrões, por exemplo, TC ou detector de temperatura de resistência (RTD), perto das DTS para servir como o padrão que liga DTS leituras para te absolutamperatura. </li><li> Feche o tanque, substituindo a placa lateral longa de vidro que foi removido na etapa 2.1. </li><li> Isolar o tanque por envolvê-lo em mantas ou painéis de isolamento convencionais e deixe-a descansar durante a noite para estabelecer um ambiente isotérmico. </li><li> Inicie o software interrogador, selecione &quot;linha de base&quot; (ou &quot;tara&quot;), e, simultaneamente, note / gravar a TC (ou RTD) leitura. Quando o software é terminar com a linha de base, selecione &quot;medida&quot; para traçar dados ao vivo para examinar a qualidade da linha de base. NOTA: Este passo crítico estabelece a linha de base do DTS e o sinal deve agora indicar zero, isto é, AT (x) = 0 ± uma fracção de grau. De agora em diante, o sinal vai variar conforme a temperatura do tanque diverge a partir da temperatura de referência: AT (x) = T (x) ABS - base T, em que T (x) abs é a temperatura absoluta ao longo da fibra e da base T é a linha de base temperatura 6,18. Se o teste section é nonisothermal, base de T deverá ser uma função da posição, isto é, base T (x), e precisão será comprometida, a menos base T (x) é mapeada com mais do que um TC ou RTD (ver secção de discussão). Não se mova ou tocar o sensor até a etapa 7 está concluída. esticá-la de qualquer forma pode introduzir compensações que podem degradar a precisão da medição. </li><li> Examinar o sinal vivo, que não deve desviar longe de zero. Se deriva é excessiva para uma aplicação (o nosso limite é de aproximadamente 0,5 ° C depois de ~ 5 min), permitir mais tempo para seção de teste para atingir o equilíbrio térmico e / ou melhorar o isolamento (ver nota abaixo) e, em seguida, repita o passo 6.4. NOTA: A qualidade do sinal é sempre melhor imediatamente após a linha de base e irá variar ao longo do tempo, dependendo da distribuição da temperatura dentro da secção de ensaio. Bom isolamento e longos períodos de espera antes de forro de base irá reduzir a dispersão e erros de medição. Considerável, desvios rápidos indicar a seção de teste não éisotérmico, o que acabará por levar a medições imprecisas. </li><li> Seleccione a função de registro no software interrogador e gravar 10-100 scans de dados DTS para as mesmas condições estagnada, isotérmicos apenas usados ​​para gerar a linha de base. Record também a leitura TC / RTD. NOTA: Este é os dados de reserva de verificações pós-teste de compensações que podem ser geradas pela tensão de fluxo ou deformação inesperada da seção de teste ou suportes. </li></ol> 7. Teste de funcionamento <ol><li> Ligue o compressor para gerar o fluxo de ar e ajustar controladores de fluxo para combinar com as taxas de fluxo em 1,25 kg / s para cada canal. NOTA: A velocidade média de admissão é de 1,1 m / seg e número de Reynolds é 10.000. </li><li> Ajustar a potência do aquecedor de 600 W para aquecer o jet a leste de 20 ° C acima do jet oeste, que é a temperatura ambiente. </li><li> Permitir que o sistema para executar durante a noite para alcançar o equilíbrio. </li><li> No dia seguinte examinar sinal DTS ao vivo para avaliar os níveis de ruído. Selecione o sensor &quot;Gage length &quot;no software para alcançar os níveis de ruído aceitáveis ​​(a 30 milímetros Gage é usado aqui). NOTA: comprimento Gage corresponde ao sensor resolução espacial. Em geral, sinalizar ruído aumenta conforme diminui comprimento Gage e como aumentos de vibração induzida por fluxo (consulte o guia de utilizador e de referência 13 e 14). </li><li> Log 2.000 DTS scans a 4 Hz. </li><li> Desligue a energia de aquecimento e fluxo de ar. Deixe o tanque sentar-se durante a noite para atingir o equilíbrio e gravar 10-100 DTS scans para complementar o conjunto de dados pré-teste pós-teste guardado para compensar cheques. </li></ol> Análise 8. Dados <ol><li> Seleccione a função de pós-processamento na janela principal do software interrogador e importe os dados de teste, que está em um formato binário proprietário. </li><li> Exportar os dados como um arquivo de texto simples que podem ser lidos por programas de planilhas convencionais. NOTA: Estes dados representam AT medido ao longo da fibra, onde AT (x) = T (x) abs - base T. Ele contém nenhuma referência aposição na secção de teste (ver Fig. 6). Detalhes adicionais estão disponíveis no guia do usuário do interrogador e referências 6 e 16 para esta etapa ea próxima. </li><li> Dados de texto de importação em uma planilha convencional e converter em temperatura absoluta, adicionando linha de base T, medida pelo TC ou RTD no passo 6.4, a todos os dados. NOTA: A conversão para temperatura absoluta é simplesmente uma correção de valor único offset: T (x) = abs AT (x) + T linha de base, uma vez que têm estipulado que a seção de teste foi isotérmica durante a linha de base. </li><li> Use o software de planilha ou programa de manipulação de dados semelhante para decompor os dados T (x) e mapeá-lo para posições físicas dentro da seção de teste como o mostrado nas Figuras 7 e 8. NOTA: O programa irá utilizar os dados recolhidos com o ferro de solda na etapa 5. </li></ol>

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</ol>

Os autores não têm nada a divulgar.

Nós demonstramos a utilização de um DTS numa experiência de dinâmica de fluidos. A principal vantagem destes sensores é o grande número de pontos de medição que podem ser obtidos a partir de um único sensor. As DTS aqui utilizados dados gerados em 4.067 pontos através de um plano de 0,5 x 0,8 m, muito além dos limites possíveis de sensores de ponto convencionais, tais como termopares. Enquanto tal densidade de dados pode ser ultrapassado por técnicas ópticas, tais como fluorescência induzida por laser (LIF), a DTS funcionará em fluidos e aplicações que não têm acesso óptico opacos. A densidade de um DTS dados de alta é adequado para experimentos envolvidos na validação do código de dinâmica de fluidos computacional. Baseline é o passo crítico no protocolo e central na determinação precisão da medição. Uma seção de teste isotérmica é essencial para garantir todo o DTS está em uma temperatura quando baseline. Se isso não for possível, a base torna-se t base T (x), que deve ser MAPPed por vários TCs colocados em estreita proximidade com as DTS. Embora a qualidade da linha de base pode ser melhorado desta forma, que complica o processo de mapeamento do DTS linha de base com as normas para a conversão a temperatura absoluta. Sempre à procura de fontes de tensão após a linha de base, que podem introduzir mudanças de sinal imprevisíveis. Tais fontes são, por exemplo, a expansão da seção de teste térmico, que se estende do sensor, o movimento de suportes, carregamento dinâmico de altas taxas de fluxo, ou a vibração induzida pelo fluxo. As medidas pré e pós-teste sob condições isotérmicas vai ajudar a identificar tais problemas. sensibilidade da estirpe é o principal defeito desta DTS-base espalhamento Rayleigh. Ao contrário de sensores convencionais, como termopares, que é sensível ao manuseio, umidade e vibração. Estes problemas são mais relevantes para a configuração do sensor nua demonstrado aqui, mas muito menos importante para sensores alojados em capilares. Ao contrário de sensores convencionais, a DTS não podem ser adquiridos com a papelada rastreá-lo para um padrão de calibração reconhecido como o NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ calibrações são necessárias, de preferência com uma seção de teste isotérmica, que pode ser difícil em alguns aplicações. Vibração é de especial preocupação para a fibra nua amarrada em uma seção de teste de grande porte. Tivemos sucesso misturado com uma matriz de orientação vertical que atravessa o eixo longo do tanque em comprimentos de segmento de 1,7 m. Uma configuração com 28 m de fibra e 16 segmentos bom desempenho durante um estudo 18, mas as tentativas de estendê-lo a 53 m com 29 segmentos foi mal sucedida 16. Em geral, um sinal de ruído para qualquer comprimento e configuração do sensor pode ser diminuída aumentando o comprimento de referência sobre o qual o software calcula o interrogador deslocamento do sinal de Rayleigh, mas isso reduz a resolução espacial eficaz. cada Applicação deve encontrar o seu próprio equilíbrio entre o ruído de sinal e resolução espacial. Mais uma vez, estas dificuldades podem ser evitadas em grande parte, alojando o sensor em um capilar à custa do tempo de resposta térmica prolongada. Esta tecnologia relativamente nova medição de temperatura requer o desenvolvimento para reduzir a susceptibilidade à vibração. Muito deste trabalho envolverá necessariamente o hardware e software interrogador. Os próprios sensores também podem ser melhorados para reduzir a sensibilidade para manuseio e umidade mudanças, que são afetados pelos revestimentos de fibras. Trabalho poderia focar no desenvolvimento de revestimentos superiores ao poliimida e fibras revestidas de acrilato atualmente disponível no mercado.

dinâmica de fluidos computacional (CFD) códigos são usados ​​para simular uma grande variedade de sistemas de fluidos, a partir do fluxo de ar em torno de aviões e automóveis até arterial fluxo sanguíneo. O alcance ea fidelidade de tais simulações têm crescido com a disponibilidade de poder computacional. No entanto, apesar da sofisticação das simulações avançadas, sua precisão e confiabilidade são muitas vezes difíceis de quantificar. Na prática, a precisão dos códigos de CFD é avaliada por comparação com dados experimentais simulações em uma validação do código de processo chamado. Um típico conjunto de dados experimental é composto principalmente de velocidade e temperatura medições, tanto idealmente de alta resolução espacial e temporal para facilitar a validação do código rigoroso. Campos de velocidade pode ser mapeado em alta resolução utilizando velocimetria por imagem de partículas (PIV), uma técnica de 1,2 óptica bem estabelecida. Em contraste, é difícil para mapear domínios de temperatura com resolução comparável à de PIV. Optical técnicas como a fluorescência induzida por laser estão disponíveis 3,4, mas eles exigem câmeras e relativamente lasers de alta potência, e não são adequados para fluidos opacos. Uma alternativa está disponível na técnica relativamente nova de sensores de temperatura distribuídos com base no espalhamento Rayleigh e interferometria de comprimento de onda varreu (SWI) 5-7. Milhares de medições de temperatura podem ser adquiridos ao longo de uma única fibra óptica. Um sensor de temperatura distribuída (DTS) pode se estender por grandes campos e função de fluxo em ambientes que não são adequados para as técnicas baseadas em imagens 8. Há também ETEDs baseados em Raman e difusão de Brillouin 9,10, mas de sensores com base em dispersão de Rayleigh e SWI fornecer a resolução espacial e temporal mais adequado para as experiências típicas dinâmica de fluidos. Embora a densidade oferta de dados ETEDs muito além de sensores tradicionais, como termopares (CT), sensores baseados em Rayleigh scatteanel de responder a esticar bem como a temperatura 11. Se o revestimento de fibra é higroscópico, sensores também respondem a umidade muda 12,13. Absorção de vapor de água incha o revestimento enquanto dessorção encolhe 14, o que tensiona a fibra de vidro subjacente e altera o sinal. Como resultado, a precisão é afectada pelo tratamento, vibração, e mudanças na humidade relativa. Isso é completamente diferente de sensores tradicionais e métodos de instalação e de medição assim não convencionais devem ser observados para obter dados precisos. Este artigo demonstra o uso de um DTS em um experimento de mistura térmica, apresentando um protocolo e diretrizes para garantir a precisão. Os DTS aqui utilizados baseia-se na detecção e análise de espalhamento Rayleigh dentro de uma guia de onda de fibra óptica. A distribuição aleatória de impurezas e de variações estruturais ao longo do núcleo da fibra dá origem a um padrão de retroespalhamento que é único para a fibra e geralmente estável. O espectro e a amplitudedeste padrão pode ser lido para servir como uma assinatura de fibra. As alterações físicas, tais como mudanças de temperatura ou uma tensão alterar a assinatura de uma forma reproduzível, e detectar variações de assinatura é a base para o uso da fibra como um sensor. A Figura 1 ilustra os principais componentes do dispositivo de detecção optoelectrónicos, chamados um interrogador do sensor óptico distribuído, e denotados aqui simplesmente como &quot;interrogador&quot;. Em uma técnica conhecida como interferometria de comprimento de onda varreu, um laser de baixa potência ajustável lança um sinal de banda estreita na fibra com a finalidade de registrar resultante backscatter 5-7. O laser é varrido através de um intervalo de vários nanómetros e o sinal de referência e dividir entre pernas de medição. A luz dispersa a partir do sensor é combinado com o sinal de referência para gerar sinais de interferência nos detectores. saída do detector é digitalizado e analisado para recuperar o sinal de espalhamento Rayleigh. o Rayleassinatura igh das mudanças de sensores no comprimento de onda onde a temperatura sensor (tensão ou humidade) mudanças. A magnitude desta mudança de comprimento de onda está relacionada com sensores de sensibilidade, que é uma constante física associada com o tipo de fibra, que tem um factor de calibragem análogo ao do coeficiente de Seebeck de um TC. A Figura 2 mostra o tanque de vidro que serve como a secção de teste utilizado neste estudo. A câmera atrás do tanque dá uma sensação de escala. O ar entra através de duas condutas hexagonais e mistura-se antes de sair através de um respiradouro. Para destacar os jatos, um fluxo de fluxo foi semeada com névoa de óleo, enquanto o outro permaneceu ar puro. A tampa do tanque tem uma janela coberta por uma tela de polímero preto. Apesar de não ser visível na foto, o DTS é suspenso abaixo da tela preta. A 50 m de comprimento DTS foi montado por baixo da tampa do tanque, como mostrado na Fig. 3. Foi formado a partir de fibras ópticas revestidas com poli-imida 155 um de diâmetroe pendurado 127 fio de aço de um de diâmetro amarrado entre painéis de extremidade do tanque. O sensor foi tecida através do fio em um padrão alternado e em loop e para trás através do tanque de 49 vezes. Estende-se por um plano de 0,5 x 0,8 m e gera 1.355 pontos independentes de dados a 4 Hz e resolução espacial de 30 mm, 4.067 pontos de dados quando amostrado com espaçamento de 10 mm. Tal dados de temperatura alta densidade complementa dados de velocidade e aumenta o valor dos conjuntos de dados para a validação de CFD. O protocolo descreve o processo de escolha do sensor, fabricação e configuração enquanto incidindo sobre as preocupações específicas na utilização das DTS em um experimento de dinâmica de fluidos.

<table><tbody><tr><td>Interrogador de sensores</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-A e -B</td><td>Os dois sistemas diferem principalmente em velocidade e resolução espacial</td></tr><tr><td>Splicer de fusão</td><td>Fujikura</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>Cutelo</td><td>Fujikura</td><td>CT-3A</td> Decapador de revestimento de 3 furos Fujikura CT-3A <td></td></tr><tr><td></td><td>Vendas de instrumentos de fibra</td><td>F11301T</td><td></td></tr><tr><td>Fibras ópticas</td><td>OFS, Divisão de Fotônica Especializada</td><td>BF06160-02</td><td>Revestimento de poliimida</td></tr><tr><td>Óptico fibras</td><td>Newport Corp.</td><td>F-SM1500-4.2/50 Conector de</td><td>revestimento de acrilato</td></tr><tr><td></td><td>AFL Global</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>Fibra de terminação</td><td>OFS, Divisão Fotônica Especializada</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

fibra Óptica sensores distribuídos para high-resolution mapeamento temperatura campo

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

A confiabilidade da dinâmica de fluidos computacional (CFD) códigos é verificada comparando simulações com dados experimentais. Um conjunto de dados típico consiste principalmente de velocidade e temperatura leituras, tanto idealmente com alta resolução espacial e temporal para facilitar a validação do código rigoroso. Embora os dados de velocidade alta resolução é facilmente obtida através de técnicas de medição ópticos, como velocimetria de imagem de partículas, tem sido difícil obter dados de temperatura com resolução semelhante. sensores tradicionais, tais como termopares não pode preencher esse papel, mas o recente desenvolvimento do sensoriamento distribuídos com base no espalhamento Rayleigh e interferometria de onda varreu oferece resolução adequada para o trabalho de validação do código de CFD. Milhares de medições de temperatura podem ser gerados ao longo de uma única fibra óptica fina em centenas de Hertz. Sensores funcionar em grandes faixas de temperatura e dentro de fluidos opacos, onde técnicas ópticas não são adequados. Mas este tipo de sensoré sensível à tensão e humidade, bem como a temperatura e assim a precisão é afectada pelo tratamento, vibração, e mudanças na humidade relativa. Tal comportamento é bastante diferente de sensores tradicionais e os procedimentos de instalação e funcionamento de modo não-convencionais são necessárias para garantir medições precisas. Este trabalho demonstra a execução de um sensor de temperatura distribuído Rayleigh-tipo de dispersão através de uma experiência de mistura térmica envolvendo dois jactos de ar a 25 e 45 ° C. Nós apresentamos critérios para orientar a seleção de fibra óptica para o sensor e descrever a configuração de instalação para um experimento de jato de mistura. Nós ilustramos baselining sensor, que liga as leituras para um padrão de temperatura absoluta, e discutir questões práticas, tais como erros devido ao fluxo induzido por vibração. Este material pode auxiliar os interessados ​​em medições de temperatura com densidade de dados de altura e largura de banda para experimentos de dinâmica de fluidos e aplicações similares. Destacamos armadilhas específicas para esses sensores para considerăção no projeto e operação de experiência.

Os dados em bruto DTS está representada na Fig. 6 mostrando AT medido a partir da temperatura de linha de base (aproximadamente 20 ° C) em função da distância ao longo do sensor. Os dados são &quot;em bruto&quot;, no sentido de que ele não tenha sido convertido para a temperatura absoluta e mapeados para posições físicas no interior da secção de ensaio. Os dados são baseados em um comprimento de calibre 30 mm, o que proporciona 1,666 medições independentes ao longo do comprimento total do sensor de 50 m. A 30 milímetros Gage foi aplicada em intervalos de 10 mm de um modo oversampling que aumenta o número de pontos de dados a 5.000. Essa densidade de dados não é possível com os sensores convencionais, como TCs. Em x = 0 na Fig. 6 o sensor está na extremidade leste do tanque, e quando x aumenta ele faz um loop e para trás em direção ao extremo oeste. Picos ocorrem onde o sensor passa sobre o jet leste quente e, em seguida, desaparecer onde é mais frio je oestet. A trama mostra como até mesmo o sinal bruto a partir de um único DTS pode fornecer um retrato básico de temperatura ao longo de um vasto região. Observe o ruído de sinal no final oeste da fibra, o que é devido à vibração induzida por fluxo. Apesar da vibração não era visível a olho nu, era suficiente para degradar o sinal e vemos este problema na maioria das vezes com sensores longos (&gt; 10 m). Os dados brutos é mapeado para a seção de teste na Fig. 7, que mostra a temperatura em todo o plano de medição de 0,5 x 0,8 m formada pela matriz DTS. O ponto de vista é a partir de cima do tanque olhando para baixo sobre a tampa. Contornos dos canais hexagonais são incluídos como meio de orientação. O contorno é baseado em 4.067 pontos de dados uma vez que os laços gravadas sob a tampa são excluídos. A interpolação linear entre os segmentos adjacentes do sensor foi utilizado para criar o contorno 2D. ºe contorno fornece uma noção clara do padrão térmico sob a tampa com uma região quente sobre o jato leste, mas não centrada em torno dele. Também evidente é uma simetria áspero em torno do plano médio do tanque, que é y = 0 no gráfico. Este tipo de dados de temperatura é um complemento útil para dados de velocidade em estudos de dinâmica de fluidos envolvendo mistura térmica e transferência de calor. validação do código rigoroso requer esses dados de alta resolução para ambos os campos de temperatura e de velocidade. Os mesmos dados do sensor podem ser processados ​​para revelar a magnitude das flutuações de temperatura. Os RMS (Root Mean Square) dos 2.000 conjunto de dados de digitalização é plotado na Figura 8. Magenta marca a região onde as flutuações de temperatura são relativamente elevados. Esta é também uma região de elevada turbulência, onde os dois jactos crescentes interagir como colidir com a tampa. dados RMS é útil para a modelação turbulência no contexto da mistura térmica. Figura esquemática 1. interrogador. Componentes Princípio de interrogador sensor de distribuição óptica para medições de temperatura. O sistema é baseado em interferometria de comprimento de onda varreu, o que caracteriza a assinatura Rayleigh retroespalhamento do sensor. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figura 2. seção Teste jato da Air mistura experiência:. Ar entra tanque através de base através de dois canais hexagonais e misturas antes de sair através da abertura superior. A tela preta a tapar a janela da tampa é de 3 mm acima das DTS (não visível). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>facilitar clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figura 3. DTS configuração de montagem. Vista de cima do tanque de mostrar DTS tecidas entre os fios de suporte de aço amarradas através do longo eixo do tanque. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figura 4. DTS close-up. Close-up foto de DTS com visão de dentro do tanque para cima a tampa para destacar loops do sensor, apego e localização do primeiro ponto de teste a ser mapeada com ferro de solda. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior deste Fi</a>gura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figura 5. sinal de espalhamento Rayleigh. Típico sinal de espalhamento Rayleigh gravado com utilitário de configuração de sensor (sensor de curto mostrado aqui para maior clareza). terminação adequada irá gerar queda de sinal afiada para piso de ruído. A etapa sinal de ligeira e reflexão modesta no conector é característica de um conector adequadamente emendadas. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figura 6. Os dados brutos DTS. A única digitalização dos dados DTS matérias com o jato leste quente a 45 ° C e jet oeste frio a 25 ° C. Picos ocorrem onde o sensor é directamente<html> acima do jato quente. Lembre-se que o sensor é loop e para trás entre paredes do tanque. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figura 7. A medição da temperatura do ar abaixo de tampa. DTS dados brutos convertidos em temperatura absoluta e mapeados para a posição física dentro do tanque. Dados baseados em 2.000 exames registrados a 4 Hz. Dados espaçamento de 10 mm para um total de 4.067 pontos de dados representados graficamente. A interpolação linear utilizado para encher as regiões entre os segmentos do sensor. Hexágonos mostrar posições de entradas. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figura 8. raiz quadrada média (RMS) da temperatura medida. RMS de dados representados na Fig. 7. Magenta indica flutuações de temperatura elevada e a mistura térmica de jactos quentes e frias. Hexágonos mostrar posições de entradas. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="tabela 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabela 1. Pedido de grandeza do tempo de resposta térmica para tipos de fibras seleccionadas e configurações de habitação em fluxo cruzado a 1 m / seg e 20 ° C. <img alt="mesa 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabela 2. limites de temperatura de operação aproximada e sensibilidades umidade para configurações de revestimento selecionados.

Nós demonstramos a utilização de um sensor de fibra óptica distribuída para mapeamento do campo de temperatura da mistura de jactos de ar. O sensor baseado em espalhamento Rayleigh gera milhares de pontos de dados ao longo de uma única fibra para fornecer resolução espacial excepcionais que é inatingível com sensores tradicionais, tais como termopares.

Fibra Óptica sensores distribuídos para High-resolution Mapeamento Temperatura campo

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

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.

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