Волоконно-оптические датчики для Распределенные картирования температурного поля с высоким разрешением

Общая цель этого эксперимента — предоставить данные о полях потока с высоким разрешением для проверки компьютерных кодов вычислительной гидродинамики, проверяя их способность точно моделировать теплопередачу в турбулентных потоках. Этот усовершенствованный метод измерения температуры может генерировать тысячи точек данных вдоль одного датчика, изготовленного из коммерческого телекоммуникационного волокна. Он способен обеспечить плотность данных, которая намного превосходит традиционные датчики, такие как термопары.

Но в отличие от термопар, эти волоконно-оптические датчики чувствительны как к деформации, так и к температуре. Таким образом, управляемость, вибрация и изменения влажности влияют на температурный сигнал. Чувствительность к деформации совсем не похожа на традиционные датчики.

А получение точных данных требует специальных операционных процедур и практик, которые мы продемонстрируем здесь. Распределенный датчик температуры, или DTS, будет продемонстрирован с помощью этого тестового раздела. Он представляет собой стеклянный бак с двумя шестиугольными воздуховодами, прикрепленными к основанию.

Воздух выходит через вентиляционное отверстие в верхней части после смешивания внутри помещения. На внутренней стороне верхней панели находится черный полимерный экран над местом расположения DTS. Чтобы получить доступ к внутренней части тестовой секции, снимите панели сверху и сбоку.

Через верхнюю часть испытательного участка нанизана стальная проволока с шагом 20 миллиметров. В зоне измерения провода поддерживают оптическое волокно распределенного датчика температуры. Оптические волокна проходят перпендикулярно стальной проволоке и расположены на расстоянии 10 миллиметров друг от друга.

В начале DTS примерно метр волокна зарезервирован для сращивания и конечной заделки. Сегменты вплетаются в соседние провода с одной стороны измеряемой области на другую. Волокно закольцовывается в соседний сегмент, а концы крепятся к тестовому участку с помощью ленты.

Это схема финальной схемы тестового участка сверху. Стальная проволока покрывает область, которая включает в себя воздуховоды. Волокно распределенного датчика температуры проплетается через провода в области над воздуховодами.

Чтобы сплести оптическое волокно DTS, выполните следующие действия. Начните с 50-метровой катушки волокна и размотайте достаточно, чтобы создать резерв для сращивания с разъемом снаружи бака. Закрепите волокно за пределами резерва к крышке испытательного участка.

Затем размотайте около полуметра волокна, которое будет использоваться для запуска первых новых сегментов датчика. Положите несколько сотен миллиметров волокна на проволочную сетку и сформируйте из нее петлю. Проплетая петлю через опорные провода, чередуя подъем и опускание под соседние провода.

Когда противоположная сторона резервуара достигнута, волокно для первых двух сегментов датчика готово к заклеиванию. Натяните первый сегмент и заклейте его скотчем на нижней стороне крышки. Линейка, приклеенная к крышке, используется для обозначения положения и контроля расстояния между сегментами.

Мы хотим, чтобы он оставался на месте во время потока, но не настолько тугой, чтобы деформация на испытательном участке вызывала нагрузку на датчик и приводила к ошибке измерения. Теперь сформируйте петлю диаметром примерно 30 миллиметров в незакрепленной части волокна и примотайте ее лентой на расстоянии 10 миллиметров от первого сегмента. Другой конец второго сегмента закрепите на крышке бака.

Размотайте около полуметра волокна, чтобы начать следующую пару сегментов датчика. Повторите шаги, использованные для первых двух сегментов детектора, чтобы создать дополнительные пары сегментов. Установив сенсорную решетку, соедините разъем с концом волокна.

Подключите датчик к желтому кабелю задержки, который будет соединять датчик с опросчиком. Подключите кабель задержки к запросчику и выполните шаги по настройке. Сенсорный запросчик основан на быстрой интерферометрии длины волны.

Маломощный перестраиваемый диодный лазер посылает узкополосный сигнал в волокно. Лазер развертывается на несколько нанометров, а сигнал распределяется между контрольной и измерительной ветвями. Рассеянный свет от датчика, объединенный с опорным сигналом, генерирует интерференционные сигналы на детекторах.

Выход детектора используется для получения сигнала рассеяния при выпуске. Теперь необходимо нанести на карту положения датчиков. Для этого подключите паяльник к переменному трансформатору, выставленному примерно на 40 процентов.

Находясь за компьютером, используйте программное обеспечение опросчика для отображения данных на экране в режиме реального времени. Возьмите паяльник и подойдите к началу первого сегмента датчика, подержите утюг возле датчика и кратковременно коснитесь им до конечной точки. На компьютере остановите сбор данных, чтобы заморозить пик.

Затем увеличьте скачок температуры, чтобы зафиксировать положение пика и физическое местоположение. Собирайте данные таким же образом для начальной и конечной точек каждого сегмента. После составления карты положений датчиков подготовьте один или несколько температурных стандартов.

В этом случае используйте для этой задачи термопару. Выберите регион в зоне измерения DTS. Установите термопару рядом с волокном DTS.

После завершения работ в интерьере закройте бак, вернув все панели на свои места. Продолжайте, обернув бак какой-либо утеплителем. После упаковки дайте ему постоять достаточно долго, чтобы создать изотермическую атмосферу вокруг датчика.

Когда система будет готова, запустите программное обеспечение опросчика и начните измерения. Чтобы получить базовую линию, сначала остановите измерение. Затем выберите базовый план и введите имя файла в соответствующее поле.

Выберите диапазон измерений и нажмите OK, чтобы стать базовым процессом. Одновременно запишите показания температуры термопары для калибровки. После того, как программное обеспечение завершит построение базового уровня, перейдите в режим измерения.

Сигнал теперь должен быть нулевым по всей длине датчика и не дрейфовать со временем, если сама система находится в термически стабильном состоянии. На этом этапе перейдите к регуляторам расхода и нагрева, чтобы подготовиться к забегу. При включенном потоке воздуха отрегулируйте скорость потока в каналах в соответствии с ней.

Отрегулируйте регулятор мощности для нагрева одной струи и установите желаемый перепад температур между форсунками. Вернитесь в систему после того, как она проработала ночь, чтобы достичь равновесия. Изучите сигнал DTS в реальном времени, чтобы получить доступ к уровням шума и выбрать подходящую расчетную длину.

Используйте распределенную температурную систему для регистрации 2000 сканирований с частотой 4 Гц. Это исходные данные измеренной разницы температур от базовой температуры. Левый конец горизонтальной оси соответствует сегменту волокна на границе системы, обозначенному как восточный конец.

Двигаясь вправо, волокно петляет вперед и назад к западному концу. Пики возникают там, где датчик находится непосредственно над горячей струей. Шум в западном конце возникает из-за вибрации, вызванной потоком.

Здесь исходные данные сопоставляются с позициями в тестовом участке. Точка обзора находится сверху на измерительной плоскости на массиве DTS. Контуры шестиугольных каналов имеют ориентацию от А к ориентации.

Линейная интерполяция между точками данных позволяет создать двухмерную карту температурного контура, чтобы получить представление о тепловом характере под крышкой. Красная область указывает на теплую область над восточной струей, но не с ее центром. Данные датчика также могут быть использованы для картографирования среднего квадрата маршрута температурных колебаний.

Пурпурная область является областью высоких колебаний температуры и высокой турбулентности, где две восходящие струи взаимодействуют, ударяясь о крышку. Мы видели, как один волоконно-оптический датчик, основанный на рэлеевском рассеянии, может генерировать тысячи измерений температуры, чтобы предоставить подробную картину всего поля, которая была бы недостижима с помощью термопар. Чтобы обеспечить точность измерений, всегда уделяйте особое внимание контролю деформации после базовой линии и минимизируйте вибрации, вызванные потоком, благодаря продуманному проектированию конфигурации опоры датчика.

Этот метод распределенного зондирования открывает новые возможности для измерения температуры в непрозрачных жидкостях и других приложениях, которые не подходят для оптических методов, основанных на лазерах и камерах.