Fibra Óptica sensores distribuídos para High-resolution Mapeamento Temperatura campo

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

Mas, ao contrário dos termopares, esses sensores de fibra óptica são sensíveis à tensão e à temperatura. Portanto, o manuseio, a vibração e as mudanças na umidade influenciam o sinal da temperatura. A sensibilidade à deformação é bem diferente dos sensores tradicionais.

E a obtenção de dados precisos requer procedimentos e práticas operacionais especiais que demonstraremos aqui. O sensor de temperatura distribuído, ou DTS, será demonstrado usando esta seção de teste. É um tanque de vidro com dois dutos de ar hexagonais presos à base.

O ar sai por uma abertura na parte superior depois de misturar o interior. No interior do painel superior, há uma tela de polímero preto sobre a localização do DTS. Acesse o interior da seção de teste removendo os painéis na parte superior e lateral.

Amarrado na parte superior da seção de teste, está um fio de aço com um passo de 20 milímetros. Sobre a área de medição, os fios suportam a fibra óptica, do sensor de temperatura distribuído. As fibras ópticas correm perpendicularmente ao fio de aço e são espaçadas 10 milímetros entre si.

O início do DTS tem aproximadamente um metro de fibra reservado para emenda e terminação final. Os segmentos são tecidos através de fios adjacentes de um lado da região de medição para o outro. A fibra é enrolada para ser o segmento adjacente e as extremidades são presas à seção de teste com fita adesiva.

Este é um esquema do layout da seção de teste final acima. Os fios de aço cobrem uma região que inclui os dutos. A fibra do sensor de temperatura distribuído é tecida através dos fios na área sobre os dutos.

Para tecer a fibra óptica do DTS, siga estas etapas. Comece com um carretel de fibra de 50 metros e desenrole o suficiente para criar a reserva para emenda em um conector fora do tanque. Ancore a fibra além da reserva na tampa da seção de teste.

Em seguida, desenrole cerca de meio metro de fibra que será usada para iniciar os primeiros novos segmentos de sensor. Coloque algumas centenas de milímetros de fibra na tela de arame e molde-a em um laço. Sendo tecendo o laço através dos fios de suporte alternando entre ir acima e abaixo dos fios adjacentes.

Quando o lado oposto do tanque é alcançado, a fibra para os dois primeiros segmentos do sensor está pronta para ser colada na posição. Puxe o primeiro segmento esticado e prenda-o na posição na parte inferior da tampa. Uma régua colada na tampa é usada para indicar a posição e o espaçamento do segmento de controle.

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

desenrolar cerca de meio metro de fibra para iniciar o próximo par de segmentos do sensor. Repita as etapas usadas para os dois primeiros segmentos do detector para criar pares de segmentos adicionais. Com a matriz de detecção no lugar, junte um conector à extremidade da fibra.

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

Um laser de diodo sintonizável de baixa potência envia um sinal de banda estreita para a fibra. O laser é varrido por vários nanômetros e o sinal é dividido entre as pernas de referência e medição. A luz dispersa do sensor é combinada com o sinal de referência para gerar sinais de interferência nos detectores.

A saída do detector é usada para recuperar o sinal de dispersão de liberação. As posições do sensor agora devem ser mapeadas. Para fazer isso, conecte um ferro de solda a um transformador variável, ajustado para cerca de 40 por cento.

No computador, use o software interrogador para exibir dados ao vivo na tela. Pegue o ferro de solda e aproxime-se do início do primeiro segmento do sensor, segure o ferro próximo ao sensor e toque-o brevemente até o ponto final. No computador, pare a aquisição de dados para congelar o pico.

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

Nesse caso, use o termopar para a tarefa. Selecione uma região na zona de medição do DTS. Monte o termopar próximo à fibra do DTS.

Depois de concluir o trabalho no interior, feche o tanque retornando todos os painéis às suas posições. Continue envolvendo o tanque em alguma forma de isolamento. Depois de embrulhado, deixe-o descansar por tempo suficiente para estabelecer uma atmosfera isotérmica ao redor do sensor.

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

Selecione uma faixa de medição e clique em OK para ser o processo de linha de base. Registre simultaneamente a leitura da temperatura do termopar para calibração. Depois que 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 desviar ao longo do tempo se o sistema estiver em um estado termicamente estável. Neste ponto, vá para os controles de fluxo e aquecimento para se preparar para uma corrida. Com o fluxo de ar ligado, ajuste as taxas de fluxo nos canais para corresponder.

Ajuste o controlador de energia para aquecer um jato e estabeleça a temperatura diferencial desejada entre os jatos. Retorne ao sistema depois de ter funcionado durante a noite para atingir o equilíbrio. Examine o sinal DTS ao vivo para acessar os níveis de ruído e escolha o comprimento de medição apropriado.

Use o sistema de temperatura distribuída para registrar 2000 varreduras a 4 hertz. Estes são dados brutos da diferença de temperatura medida em relação à temperatura basal. A extremidade esquerda do eixo horizontal corresponde a um segmento de fibra no limite do sistema denotado como a extremidade leste.

Movendo-se para a direita, a fibra se move para frente e para trás em direção à extremidade oeste. Os picos ocorrem onde o sensor está diretamente acima do jato quente. O ruído em direção à 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 da planície de medição na matriz DTS. Os contornos dos canais hexagonais são um A para orientação.

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 abaixo da tampa. A área vermelha indica uma região quente sobre o jato leste, mas não centrada nele. Os dados do sensor também podem ser usados para mapear o quadrado médio da rota das flutuações de temperatura.

A região magenta é de altas flutuações de temperatura e alta turbulência, onde os dois jatos ascendentes interagem à medida que colidem com a tampa. Vimos como um único sensor de fibra óptica, baseado no espalhamento de rayleigh, pode gerar milhares de medições de temperatura para fornecer uma imagem detalhada de todo o campo que seria impossível obter com termopares. Para garantir a precisão da medição, sempre preste atenção especial 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 detecção distribuída oferece novas possibilidades para medições de temperatura em fluidos opacos e outras aplicações inadequadas para técnicas ópticas que dependem de lasers e câmeras.