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

Summary

Показано использование волоконно-оптического распределенного датчика для отображения температурного поля смешения воздушных струй. Датчик рассеяния на основе Рейли генерирует тысячи точек данных по одному волокну, чтобы обеспечить исключительную пространственное разрешение, которое недостижимо с традиционными датчиками, такими как термопары.

Abstract

Надежность вычислительной гидродинамики (CFD) кодов проверяется путем сравнения моделирования с экспериментальными данными. Типичный набор данных состоит в основном из скорости и температуры чтений, как в идеале, имеющих высокую пространственное и временное разрешение, чтобы облегчить строгую проверку кода. В то время как данные скорости с высоким разрешением легко получить с помощью оптических методов измерения, таких как велосиметрии изображения частиц, оказалось трудно получить данные о температуре с аналогичным разрешением. Традиционные датчики, такие как термопары не может заполнить эту роль, но в последнее время развитие распределенного зондирования на основе релеевского рассеяния и прокатилась волн интерферометрии предлагает разрешение удобной для работы валидации CFD кода. Тысячи измерений температуры могут быть сформированы вдоль одного тонкого оптического волокна при сотен герц. Датчики функционируют на больших температурных диапазонах и в пределах непрозрачных жидкостей, где оптические методы непригодны. Но этот тип датчикачувствителен к деформации и влажности, а также температуры и поэтому точность зависит от обработки, вибрации, а также сдвиги в относительной влажности. Такое поведение вполне в отличие от традиционных датчиков и так нетрадиционный процедуры установки и эксплуатации необходимы для обеспечения точности измерений. Эта статья демонстрирует реализацию датчика температуры в распределенных рэлеевское рассеяние типа в тепловом смесительной эксперименте с участием двух воздушных струй при 25 и 45 ° C. Мы представляем критерии для руководства выбор оптического волокна для датчика и описать настройку установки для эксперимента смешения струи. Проиллюстрируем датчика Baselining, который связывает показания к стандарту абсолютной температуры, а также обсудить практические вопросы, такие, как ошибки, связанные с потоком индуцированных вибрации. Этот материал может помочь тех, кто заинтересован в измерении температуры, имеющих высокую плотность данных и пропускной способности для динамических экспериментов жидкости и других подобных приложений. Мы выделяем подводные камни, характерные для этих датчиков для consideraции при проектировании и эксплуатации эксперимента.

Introduction

Вычислительная гидродинамика (CFD) коды используются для имитации широкого спектра гидравлических систем, от потока воздуха вокруг самолетов и автомобилей до артериального кровотока. Объем и точность воспроизведения такого моделирования выросли при наличии вычислительной мощности. Тем не менее, несмотря на сложности передовых моделирования, их точность и надежность часто трудно поддаются количественной оценке. На практике точность кодов CFD оценивается путем сравнения моделирования с экспериментальными данными при проверке элемента кода процесса, называемого.

Типичный экспериментальный набор данных состоит в основном из измерений скорости и температуры, как в идеале высокой пространственным и временным разрешением, чтобы облегчить строгую проверку кода. Поля скоростей могут быть отображены в высоком разрешении с использованием велосиметрии изображения частиц (PIV), хорошо изученного оптический метод ^1,2. В отличие от этого, трудно сопоставить поля температуры с разрешением, сопоставимым с PIV. Opticaл методы , такие как лазер-индуцированной флуоресценции доступны ^3,4, но они требуют камер и относительно мощных лазеров, и не подходят для непрозрачных жидкостей.

Альтернатива доступна в относительно новой технологии распределенного измерения температуры на основе релеевского рассеяния и качающейся волны интерферометрии (SWI) ^5-7. Тысячи измерений температуры могут быть получены по одному оптическому волокну. Распределенный датчик температуры (DTS) может охватывать большие поля потока и функции в условиях, которые не подходят для методов на основе изображений ^8. Есть также DTSS на основе комбинационного рассеяния и Бриллюэна ^9,10, но сенсоры на основе релеевского рассеяния и SWI обеспечивают пространственное и временное разрешение больше подходит для типичных экспериментов гидродинамики.

Хотя DTSS плотность предлагают данные далеко за рамки этого традиционных датчиков, таких как термопары (ТК), сенсоры на основе Рэлея scatteкольцо реагирует напрягаться, а также температуры ^11. Если покрытие волокна гигроскопичен, датчики также реагируют на влажность воздуха изменяет ^12,13. Поглощение паров воды набухает покрытия в то время как десорбция сжимается его ^14, который напрягает основную стекловолокно и изменяет сигнал. В результате, точность зависит от обработки, вибрации, а также сдвиги в относительной влажности. Это вполне в отличие от традиционных датчиков и должны соблюдаться так нетрадиционные методы установки и измерения, чтобы получить точные данные. Эта статья демонстрирует использование DTS в эксперименте теплового смешения, представляя протокол и руководящие принципы для обеспечения точности.

В DTS, используемые здесь, основаны на выявлении и анализе рэлеевского рассеяния в волоконно-оптического волновода. Случайное распределение примесей и структурных вариаций вдоль сердцевины волокна приводит к появлению узора обратного рассеяния, который является уникальным для волокна и в целом стабильной. Спектр и амплитудаэтого шаблона может быть считан, чтобы служить в качестве подписи волокна. Физические изменения, такие как сдвиги температуры или напряжения изменяют сигнатуру повторяемым способом, и обнаружение вариаций подписи является основанием для использования волокна в качестве датчика.

На рисунке 1 показаны основные компоненты оптико - электронного измерительного устройства, называемые оптический датчик распределены запросчик, и обозначаемые здесь просто как "следователем". В методике , известной как Загибающиеся длины волны интерферометрии, лазер малой мощности перестраиваемого запускает узкополосный сигнал в волокно с целью регистрации результирующую обратного рассеяния ^5-7. Лазер пронесся с интервалом в несколько нанометров и сигнал разделяется между опорным и измерительными ножками. Рассеянный свет от датчика в сочетании с опорным сигналом, для генерирования сигналов помех на детекторах. выходной сигнал детектора преобразуется в цифровую форму и анализируется, чтобы получить сигнал рассеяния Рэлея. РейлIGH подпись сдвигов датчика длины волны, где температура датчика (деформации, или влажности) изменяется. Величина этого сдвига длины волны связан с чувствительности датчика, который является физической константой, связанный с типом волокна, который имеет калибровочный коэффициент, аналогичный коэффициенту Зеебека ТК.

На рисунке 2 показан стеклянный резервуар , который служит в качестве испытательного участка , используемого в данном исследовании. Камера позади танка дает ощущение масштаба. Воздух поступает через два гексагональных протоков и смешивается перед выходом через вентиляционное отверстие. Чтобы выделить самолеты, один поток поток был посеян с масляным туманом, а другой оставался чистым воздухом. Крышка бака имеет окно, закрытое с экраном черного полимера. Хотя не видно на фото, DTS подвешена ниже черного экрана.

Длиною 50 м DTS был установлен под крышкой бака , как показано на рис. 3. Она была сделана из диаметром 155 мкм полиимидной покрытием оптического волокнаи подвесили на диаметр мкм стальной проволоки 127 натянутой между концевыми панелями бака. Датчик был соткан через провод в шахматном порядке и петельные взад и вперед через резервуар 49 раз. Она охватывает 0,5 х 0,8 м плоскостью и генерирует 1355 независимых точек данных с частотой 4 Гц и пространственное разрешение 30 мм, 4,067 точек данных при передискретизация с шагом 10 мм. Такие данные температуры высокой плотности дополняет данные по скорости и увеличивает значение наборов данных для проверки CFD. Протокол описывает процесс выбора датчика, изготовления и конфигурации с особым упором на конкретные проблемы в использовании DTS в динамике эксперимента жидкости.

Protocol

Тип 1. Выберите оптимальный датчик для применения

1. Выберите длину датчика, основанный на компромиссе между скоростью дискретизации и количества точек данных.
   Примечание: Один образцы запросчика датчиков до 50 м в длину при 2,5 Гц и разрешением <10 мм, а остальные образцы датчиков до 10 м в длину при разрешении 5 мм и 100 Гц.
2. Выберите тип одномодового оптического волокна на основе требований для пределов обслуживания температуры, время отклика, чувствительность влажности и конфигурации установки (голой или в капилляр).
   Примечание: Здесь мы использовали диаметр 155 мкм полиимида покрытием одномодового коммерческого телекоммуникационного оптического волокна.
   ПРИМЕЧАНИЕ: См Таблицы 1 и 2 в качестве примеров волокон и конфигураций , которые мы использовали в нашей лаборатории.

2. Установить Оптоволокно в разделе Test

1. Открыть раздел теста путем удаления одной из длинных стеклянных боковых пластин.
2. отверстия диаметром 1 мм Дрельв боковых стенках 3 мм ниже крышки для проволочных анкеров (рис. 3).
   Примечание: анкеры держать стальной проволоки, которые поддерживают датчик. Шаг якоря может изменяться в соответствии с размером рабочей части и ожидаемой динамической нагрузки от потока. Шаг 20 мм используется здесь оказалось стабильным с минимальной вибрацией в потоке вблизи 1 м / сек. Вибрация DTS портит сигналы и более проблематично с длинными датчиками ^15,16.
3. Строка стальной проволоки сегмент диаметром 127 мкм по всей испытательной секции, связывая его с латунным якоря на каждом конце резервуара. Повторяйте до тех пор, пока в общей сложности 47 сегментов проволоки, натянутые через бак.
4. Вырезать 50 м оптического волокна с использованием связи / электриков ножницы с запасом, чтобы потребляться в разъем для сращивания и заделки оптоволокна (вероятно, <0,5 м, но зависит от мастерства при сплайсинга). Собирают это волокно на небольшую катушку, ~ 50 мм в диаметре.
5. Положите первый сегмент датчика на одном краю области выбранной для измерения температуры остроумиеч массив датчиков.
   Примечание: После того, как первый сегмент фиксируется в нужном положении, волокно будет петельные для соседнего сегмента, фиксируется в нужном положении, и больше клетчатки отпускались для следующего сегмента в повторяющийся процесс, который строит массив до тех пор, пока используется все волокна.
6. Плетение волокна выше и ниже соседних проводов, работающих с одной стороны резервуара к другому, распределяя волокно с катушки по мере необходимости.
   Примечание: Волокно перпендикулярно к проводу , как показано на рис. 3 с переплетением , поддерживающей его против силы тяжести в одном направлении , и поток в другом.
7. Приложить каждый конец первого сегмента волокна к крышке с обычной ясной лентой или полиимидной пленки ленты. Первый сегмент массива в настоящее время на месте.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Не устанавливайте датчик натянутом как струна гитары, а скорее достаточно тугой , чтобы быть прямыми и подними видимой слабину. Если датчик натягивается, небольшие деформации в подложке, например, тепловой ExpanSion крышки, изменит эту напряженность и генерировать аномальный сигнал смещения и погрешности измерений.
8. Петля волокно на 180 градусов , чтобы вернуть его обратно для следующего сегмента , как показано на рис. 4 и прикрепить ее к крышке на расстоянии 10 мм от первого сегмента.
   Примечание: минимизировать диаметр петли, так как он "впустую волокна" (не часть массива), но она должна быть примерно 30 мм или более для переносимых нагрузок. Волокно, используемое здесь переносится диаметром 30 мм петли в течение нескольких месяцев без заметной потери сигнала, но пределы будут изменяться в зависимости от типа волокна. Для получения волокна, используемого здесь, производитель указывает "краткосрочный" изгиб предел радиуса как ≥ 10 мм и "долгосрочный" пределе ≥ 17 мм.
9. Опять же ткут волокна между проводами по направлению к противоположной стороне емкости и ленты в определенном положении. Повторите зацикливание, запись на пленку, и ткачество процесс до тех пор, пока используется все волокна.

3. Разъем для сращивания и Terminaции на световод

1. Сращивания разъем одномодового LC-типа к одному концу волокна с помощью сварочного аппарата в соответствии с инструкциями изготовителя ^17.
2. Вырезать ~ 0,25 м заделки оптоволокна с монтерского ножницами / связи и сращивать к другому концу волокна, снова с сварочного аппарата, следуя инструкциям производителя.
   Примечание: Эта сборка (волокно, разъем, и прекращение) теперь будет упоминаться как "датчик". Заделки оптоволокна рассеивает остаточного сигнала от лазерного импульса, чтобы предотвратить его возвращение к запросчику.

4. Конфигурация датчика

1. Вставьте конец разъема LC-типа датчика в порт опросного и запустить программное обеспечение для конфигурирования.
2. Сформировать данные амплитуды датчика, выбрав "захватит» (отличный от температурных данных), которая автоматически отображается при завершении сканирования.
   Примечание: Трасса для датчика с хорошими сращивания будет иметь генRAL характеристики , показанные на рис. 5. Плохое сплайсинга может быть указана нечеткого шума или доминирующего отражения , где ожидается разъем. При подозрении на плохое сращивание, вернитесь к шагу 3 и повторите процедуру сплайсинга.
3. Выберите активную часть датчика, перемещая желтый курсор, показанный на экране в начале датчика и красного курсора до конца.
4. Дайте датчик имя и выберите "сохранить файлы датчиков".
   ПРИМЕЧАНИЕ: Датчик настроен и готов к использованию.
5. Закройте программное обеспечение для конфигурирования и переключиться на программное обеспечение измерения.

5. Карта Датчик положения в пределах испытательной секции

1. Запустите программное обеспечение для измерения запросчика и загрузите датчик только настроенный.
2. Подключите паяльник к переменной трансформатора, установленного на ~ 40%, предварительного нагрева в течение 5-10 мин.
   Примечание: Паяльник создает локальные всплески температуры для отображения. Паяльник может, мELT покрытие волокна и разрушить датчик так начните с установкой низкого трансформатора, используя только достаточно энергии, чтобы получить четкие шипы. 10-20 ° С шип достаточно для этого процесса.
3. Выберите "меру" в программном обеспечении опросного для построения данных в реальном времени на экране.
4. Уменьшить, чтобы отобразить весь датчик на экране.
5. Держите паяльник вблизи датчика и кратко коснуться его в первой точке отображения, здесь дальше всего сегмента из жерла , где он встречает крышку (рис. 4).
6. положение записи пика температуры, как указано с помощью программного обеспечения наряду с соответствующим физическим местоположением в испытательной секции.
7. Повторить 5,5-5,6 для отображения конечных точек всех 49 сегментов.

6. Датчик Базовый уровень: Связь с абсолютной температуры

1. Позиция один или несколько температурных стандартов, например, TC или резистивный датчик температуры (RTD), рядом с DTS , чтобы служить в качестве стандарта , соединяющего DTS показания с абсолютной тэmperature.
2. Закройте бак путем замены длинной стеклянной боковой пластины, которая была снята на шаге 2.1.
3. Изолируйте бак, обернув его в одеяла или обычных изоляционных панелей и позволяют ему сидеть на ночь, чтобы создать изотермический атмосферу.
4. Запустите программу запросчика, выберите "базовый" (или "тары"), и одновременно отметить / записи TC (или RTD) чтение. Когда программа завершается с базовой линией, выберите "мера" для построения данных в реальном времени, чтобы изучить качество исходных условий.
   Примечание: Этот важный шаг устанавливает базовую линию DTS и теперь сигнал должен указать ноль, то есть, & Delta ; t (х) = 0 ± а доли градуса. С этого момента, сигнал будет изменяться как температура бака отклоняется от исходной температуры: & Delta ; t (х) = Т (х) _абс - T _база, где Т (х) _абс абсолютная температура вдоль волокна и Т _{основания} является базовым температура ^6,18. Если тест Sectioп неизотермическая, T _база будет функцией положения, то есть, T _база (х), и точность будет нарушена , если T _база (х) не отображается с более чем одним TC или RTD (обсуждение см раздел). Не двигайся или коснитесь датчика до шага 7 не будет завершена. Напрягая его в любом случае можно ввести смещения , которые могут ухудшить точность измерения.
5. Осмотрите живой сигнал, который не должен дрейфовать далеко от нуля. Если дрейф является чрезмерным для применения (наш предел составляет примерно 0,5 ° C после ~ 5 мин), позволяют больше времени для испытательного участка для достижения теплового равновесия и / или улучшить изоляцию (см примечание ниже), а затем повторите шаг 6.4.
   Примечание: Качество сигнала всегда лучше сразу после определения исходных условий и будет дрейфовать с течением времени в зависимости от распределения температуры в испытательной секции. Хорошая изоляция и длительный период ожидания до базовой футеровки приведет к снижению дрейфа и погрешности измерений. Значительное, быстрое дрейфует указывают испытательный участок неизотермические, что в конечном итоге приведет к неточным измерениям.
6. Выберите функцию регистрации в программном обеспечении опросного и записывать 10-100 сканирование данных DTS для одних и тех же условиях, на прежнем уровне, изотермических просто используются для генерации базовой линии. Запись также показания TC / RTD.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это резерв данных для посттестовых проверки смещений, которые могут быть сгенерированы деформации от потока или неожиданной деформации испытательной секции или опор.

7. Тестовый прогон

1. Включите компрессор для создания потока воздуха и регулировать регуляторы потока, чтобы соответствовать скорости потока в 1,25 кг / с на каждый канал.
   Примечание: Средняя скорость на входе составляет 1,1 м / сек и число Рейнольдса 10000.
2. Установленная мощность нагревателя 600 Вт, чтобы нагреть на восток Jet 20 ° C выше западной струи, которая при температуре окружающей среды.
3. Дайте системе работать на ночь, чтобы достичь равновесия.
4. На следующий день изучения живой сигнал DTS для оценки уровня шума. Выберите датчик "Gage лength "в программном обеспечении для достижения приемлемых уровней шума (30 мм Gage используется здесь).
   Примечание: длина Гейдж соответствует датчику пространственного разрешения. В целом, уровень сигнала увеличивается по мере уменьшения шума длины Gage и как возбуждаемых потоком увеличивает вибрации (смотри руководство пользователя и ссылки 13 и 14).
5. Log 2000 DTS сканирование с частотой 4 Гц.
6. Выключите питание нагревателя и воздушный поток. Пусть танк на ночь, чтобы достичь равновесия и записывать 10-100 DTS сканирования в дополнение к набору данных предтестовое сохраненный для посттестовых смещения проверки.

Анализ 8. Данные

1. Выберите функцию постобработки в главном окне программного обеспечения запросчика и импортировать данные тестирования, которое в двоичном формате.
2. Экспорт данных в виде простого текстового файла, который можно прочитать с помощью обычных программ работы с электронными таблицами.
   Примечание: Эти данные представляют измеренное & Delta ; t вдоль волокна , где & Delta ; t (х) = Т (х) _абс - T _{базовой.} Он не содержит никаких ссылок наПоложение в испытательной секции (см. 6). Дополнительная информация доступна в руководстве пользователя опросного и ссылки 6 и 16 для этого шага и в следующем.
3. Импорт текстовых данных в обычной таблицы и преобразовать в абсолютную температуру, добавляя T _{базовой линии,} измеренной по TC или RTD на этапе 6.4, ко всем данным.
   Примечание: Переход к абсолютной температуре просто одноранговой коррекции значения смещения: Т (х) _абс = & Delta ; t (х) + T _{базовой линии} , так как мы предусмотрели , что испытательный участок был изотермический во время базовой линии.
4. Использование электронных таблиц программное обеспечение или аналогичная программа обработки данных для разложения данных Т (х) и сопоставить его с физическим позиций в испытательной секции так, как показано на рисунках 7 и 8.
   Примечание: Программа будет использовать данные, собранные с паяльником в шаге 5.

Representative Results

Необработанные данные DTS приведена на рис. 6 , показывающий измеренное & Delta ; t от базовой температуры (примерно 20 ° C) в зависимости от расстояния вдоль датчика. Данные "сырой" в том смысле, что она не имеет ни были преобразованы в абсолютной температуры, ни отображаются в физические позициях в испытательной секции. Данные основаны на длине образца 30 мм, что обеспечивает 1666 независимых измерений по всей длине датчика 50 м. 30 мм Гейдж была применена с интервалом 10 мм в режиме передискретизации, что увеличивает число точек данных до 5000. Такая плотность данных практически невозможно с обычными датчиками, такими как ТКС.

При х = 0 на рис. 6 датчик находится в восточной части резервуара, а также увеличивает х он возвращается назад и вперед по направлению к западной части. Пики происходят, когда датчик проходит над горячей восточной струи, а затем исчезают, где он находится над холодной западной JEт. Сюжет показывает, как даже необработанный сигнал от одного DTS может обеспечить базовое изображение температуры в довольно широком регионе. Обратите внимание на шум сигнала в направлении западной части волокна, которое происходит из-за потока индуцированной вибрации. Хотя вибрация не была видна невооруженным глазом, это было достаточно, чтобы ухудшить сигнал, и мы видим эту проблему, чаще всего с длинными датчиками (> 10 м).

Необработанные данные отображаются на испытательной секции на рис. 7, который показывает температуру по всей плоскости измерения 0,5 х 0,8 м , образованный массив DTS. Точка зрения сверху резервуара, глядя вниз на крышку. Контуры гексагональных каналов включены в качестве ориентира. Контур основан на 4,067 точек данных, так как петли тесьмой под крышкой исключены. Линейная интерполяция между соседними сегментами датчика был использован для создания 2D-контур.

Thе контур обеспечивает четкое ощущение теплового рисунка под крышкой с теплой области на восточном струи, а не вокруг него. Кроме того, очевидно, является грубой симметрией вокруг танка срединной плоскости, что у = 0 на графике. Такого рода данные температуры является полезным дополнением к данным скорости в гидродинамике исследованиях с участием теплового перемешивания и переноса тепла. Строгие проверки кода требует таких данных с высоким разрешением для обоих полей температур и скоростей.

Одни и те же данные датчиков могут быть обработаны, чтобы выявить величину колебаний температуры. В RMS (среднеквадратичное) из 2000 сканирования набора данных приведена на рисунке 8. Пурпурный отмечает область , где колебания температуры являются относительно высокими. Это также область высокой турбулентности, где две восходящие струи взаимодействуют, как посягают на крышке. Данные СУР полезны для моделирования турбулентности в контексте теплового смешивания.

Рисунок 1. Дознаватель схематичными. Основные компоненты оптического распределенного датчика опросного для измерения температуры. Система основана на качающейся длин волн интерферометрии, характеризующего Рейли обратного рассеяния подпись датчика. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. Испытательный участок струи воздуха смешивания эксперимент:. Воздух поступает через бак основания через два гексагональных каналов и смесей перед выходом через верхний клапан. Черный экран , закрывающего окно крышка 3 мм над DTS (не видна). Плоблегчить нажмите здесь, чтобы увидеть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3. DTS монтажные конфигурации. Вид сверху резервуара , показывая DTS сплетенные между опорными стальных проволок , натянутых поперек длинной оси танка. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4. DTS крупным планом. Крупным планом фото DTS с видом изнутри резервуара вверх на крышке , чтобы выделить петли датчика, крепление и расположение первой контрольной точки , чтобы быть сопоставлен с паяльником. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы увидеть увеличенную версию этого фифигура.

Рисунок 5. Сигнал рассеяния Рэлея. Типичный сигнал рэлеевского рассеяния , записанные с утилитой конфигурирования датчика (короткого датчика , показанного здесь для ясности). Правильное завершение будет генерировать резкое падение сигнала на уровень шума. Небольшой шаг сигнала и скромное отражение на разъеме характерно правильно сращивания разъем. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6. Необработанные данные DTS. Один сканирование необработанных данных DTS с горячей восточной струи при 45 ° C и холодной струи на запад при 25 ° С Пики возникают там, где датчик находится непосредственно выше горячей струи. Напомним , что датчик зацикливается туда и обратно между стенкам бака. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 7. Измеренная температура воздуха ниже крышки. DTS необработанные данные преобразуются в абсолютной температуры и отображенные на физическое положение внутри бака. Данные основаны на 2000 сканирований регистрируемых с частотой 4 Гц. Расстояние между данными 10 мм в общей сложности 4,067 наносимых точек данных. Линейная интерполяция используется для заполнения областей между сегментами датчика. Шестиугольников показано расположение входных отверстий. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

54076fig8.jpg "/>
Рисунок 8. среднеквадратичное (RMS) измеряемой температуры. RMS данных , приведенных на рис. 7. Пурпурный показывает высокие колебания температуры и тепловое перемешивание горячих и холодных струй. Шестиугольников показано расположение входных отверстий. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Таблица 1. Порядок величины теплового времени отклика для отдельных типов волокон и конфигураций жилья в поперечном потоке на расстоянии 1 м / сек и 20 ° C.

Таблица 2. Примерные пределы рабочей температуры и чувствительности влажности для выбранных конфигураций покрытия.

Discussion

Мы продемонстрировали использование DTS в динамике эксперимента жидкости. Главным преимуществом этих датчиков является большое количество точек измерения, которые могут быть получены из одного датчика. В DTS, используемые здесь генерируются данные в 4,067 точках через 0,5 х 0,8 м плоскостью, далеко за осуществимых пределы обычных точечных датчиков, таких как термопары. Хотя такая плотность данных может быть превышена оптическими методами, такими, как лазер индуцированной флуоресценции (LIF), A DTS будет функционировать в непрозрачных жидкостей и приложений, которые не имеют оптический доступ. Высокая плотность данных в формате DTS подходит для экспериментов, связанных с вычислительной валидации кода гидрогазодинамики.

Baselining является важным шагом в протоколе и центральное место в определении точности измерений. Изотермический тест раздел имеет важное значение для обеспечения всей DTS является при одной температуре, когда базовая версия. Если это не представляется возможным, T _база становится T _база (х), который должен быть МАРРред несколькими техническими комиссиями, расположенных в непосредственной близости от DTS. Хотя базовый уровень качества может быть улучшена таким образом, это усложняет процесс сопоставления исходных условий DTS к стандартам для преобразования в абсолютной температуры.

Всегда быть в поисках источников напряжения после базовой линии, которое может вводить непредсказуемые сдвиги сигналов. Такие источники, например, экспериментальный участок теплового расширения, который простирается датчик, перемещение опор, динамическая нагрузка с высокой скоростью потока, или вибрации вызванные потоком. Измерения до и посттестовых в изотермических условиях поможет выявить такие проблемы.

Чувствительность Штамм является основным недостатком этого Рэлея DTS рассеяния на основе. В отличие от обычных датчиков, таких как термопары, он чувствителен к обработке, влажности и вибрации. Эти вопросы являются наиболее актуальными для голой конфигурации датчика здесь было показано, но гораздо менее важны для датчиков, размещенных в капиллярах.

В отличие от обычных датчиков, A DTS не могут быть приобретены с отслеживанием документов его признанным стандартом калибровки , такие как NIST (Национальный институт стандартов и технологий). В месте калибровки необходимы, предпочтительно с изотермическим испытательной секции, которая может быть трудным в некоторых Приложения. Вибрация представляет особый интерес для голого волокна, натянутой поперек большой испытательной секции. Мы имели смешанный успех с вертикально-ориентированной массив, который охватывает длинной оси резервуара при длине сегмента 1,7 м. Конфигурация с 28 м волокна и 16 сегментов показали хорошие результаты в ходе одного исследования ^18, но попытки распространить его на 53 м с 29 сегментами был неудачным ^16.

В общем случае, сигнал шум для любой длины датчика и конфигурации могут быть уменьшены за счет увеличения длины образца, по которому программное обеспечение запросчик вычисляет сдвиг сигнала рэлеевскую, но это снижает эффективное пространственное разрешение. Каждый Applicaция должна ударить свой собственный баланс между шумом сигнала и пространственным разрешением. Опять же, такие трудности могут быть в значительной степени избежать, корпус датчика в капилляр за счет длительного времени теплового отклика.

Это относительно новая технология измерения температуры требует развития, чтобы уменьшить восприимчивость к вибрации. Большая часть этой работы будет обязательно включать в себя аппаратное и программное обеспечение запросчика. Сами датчики также могут быть улучшены, чтобы уменьшить чувствительность к обработке и влажности, которые пострадали от покрытия волокна. Работа может сосредоточиться на разработке покрытий, превосходящие полиимида и акрилатных покрытием волокон в настоящее время коммерчески доступным.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Sensor interrogator	Luna Inc.	ODiSI-A and -B	The two systems differ primarily in speed and spatial resolution
Fusion splicer	Fujikura	70S
Cleaver	Fujikura	CT-3A
3-hole jacket stripper	Fiber Instrument Sales	F11301T
Optical fibers	OFS, Specialty Photonics Division	BF06160-02	Polyimide coating
Optical fibers	Newport Corp.	F-SM1500-4.2/50	Acrylate coating
Connector	AFL Global	FUSE-LC-9U-SMA-6
Termination fiber	OFS, Specialty Photonics Division	552 HPWR 040