Vi demonstrere brugen af en fiberoptisk distribueret sensor til kortlægning af temperaturen inden for blanding luftstråler. Den Rayleigh scattering-baserede sensor genererer tusindvis af datapunkter langs en enkelt fiber at yde ekstraordinær rumlig opløsning, der er uopnåelig med traditionelle sensorer såsom termoelementer.
Pålideligheden af Computational Fluid Dynamics (CFD) kode kontrolleres ved at sammenligne simuleringer med eksperimentelle data. Et typisk datasæt består hovedsageligt af hastighed og temperaturmålinger, både ideelt at have høj rumlig og tidsmæssig opløsning for at lette streng kode validering. Mens høj opløsning hastighed data opnås let gennem optiske målemetoder som partikel billede Velocimetry, har det vist sig vanskeligt at opnå temperaturdata med lignende resolution. Traditionelle sensorer såsom termoelementer kan ikke udfylde denne rolle, men den seneste udvikling af distribuerede sensing baseret på Rayleigh spredning og fejede-bølge interferometri tilbyder opløsning egnet til CFD kode validering arbejde. Tusinder af temperaturmålinger kan genereres langs en enkelt tynd optisk fiber ved hundrede Hertz. Sensorer fungerer over store temperaturområder og inden uigennemsigtige væsker, hvor optiske teknikker er uegnede. Men denne type sensorer følsomt over for belastning og fugt samt temperatur og så nøjagtighed påvirkes af håndtering, vibration og forskydninger i relativ fugtighed. En sådan adfærd er helt i modsætning til traditionelle sensorer og så ukonventionelle installations- og operationelle procedurer er nødvendige for at sikre nøjagtige målinger. Dette demonstrerer gennemførelse af en Rayleigh scattering-typen fordelte temperatursensor i en termisk blanding eksperiment, der involverer to luftstråler ved 25 og 45 ° C. Vi præsenterer kriterier til at guide udvælgelsen af optisk fiber for sensoren og beskrive setup anlæg for et jet blanding eksperiment. Vi illustrerer sensor baselining, som forbinder aflæsninger til et absolut temperatur standard, og drøfte praktiske spørgsmål såsom fejl på grund af flyde-induceret vibration. Dette materiale kan hjælpe dem interesseret i temperaturmålinger med høj datatæthed og båndbredde til fluid dynamik eksperimenter og lignende applikationer. Vi fremhæver faldgruber specifikke for disse sensorer til consideration i eksperiment design og drift.
Computational Fluid Dynamics (CFD) koder anvendes til at simulere mange forskellige væskesystemer, fra luftstrømmen omkring fly og biler ned for arteriel blodgennemstrømning. Omfanget og troskab af sådanne simulationer er vokset med tilgængeligheden af computerkraft. Men på trods af sofistikerede avancerede simuleringer, deres nøjagtighed og pålidelighed er ofte svære at kvantificere. I praksis er nøjagtigheden af CFD koder vurderes ved at sammenligne simuleringer med eksperimentelle data i en proces kaldet kodevalidering.
En typisk eksperimentelle datasæt består hovedsageligt af hastighed og temperaturmålinger, både ideelt for høj rumlig og tidsmæssig opløsning for at lette streng kode validering. Velocity felter kan kortlægges ved høj opløsning ved hjælp partikel billede Velocimetri (PIV), en veletableret optisk teknik 1,2. I modsætning hertil er det vanskeligt at kortlægge temperatur felter med opløsning sammenlignes med PIV. Optical teknikker, såsom laser-induceret fluorescens er tilgængelige 3,4, men de kræver kameraer og med relativt høj effekt lasere, og er uegnede til uigennemsigtige fluider.
Et alternativ er tilgængelig i det relativt nye teknik distribueret temperatur sensing baseret på Rayleigh spredning og fejede-bølgelængde interferometri (SWI) 5-7. Tusinder af temperaturmålinger kan erhverves langs en enkelt optisk fiber. En distribueret temperaturføler (DTS) kan spænde store flow felter og funktion i miljøer, der er uegnede til billedbaserede teknikker 8. Der er også DTSs baseret på Raman og Brillouin spredning 9,10, men sensorer baseret på Rayleigh spredning og SWI giver rumlige og tidsmæssige opløsning mere egnet til typiske fluid dynamics eksperimenter.
Selvom DTSs tilbud datatæthed langt ud over de traditionelle sensorer såsom termoelementer (TCS), sensorer baseret på Rayleigh scattering reagere på stamme samt temperatur 11. Hvis fibercoatingen er hygroskopisk, sensorer svare også fugtighedsændringer 12,13. Absorption af vanddamp svulmer overtrækket mens desorption krymper det 14, som belaster underliggende glasfiber og ændrer signalet. Som følge heraf er nøjagtighed påvirkes af håndtering, vibration og forskydninger i relativ fugtighed. Dette er helt i modsætning til traditionelle sensorer og skal overholdes så ukonventionelle installation og målemetoder til at opnå nøjagtige data. Dette papir demonstrerer brugen af en DTS i en termisk blanding eksperiment, der præsenterer en protokol og retningslinjer for at sikre nøjagtigheden.
De DTS anvendes her, er baseret på detektering og analyse af Rayleigh spredning inden for en fiberoptisk bølgeleder. En tilfældig fordeling af urenheder og strukturelle variationer langs fiberkernen giver anledning til en backscatter mønster, der er unik for fiberen og generelt stabile. Spektret og amplitudeaf dette mønster kan læses for at tjene som en fiber signatur. Fysiske ændringer såsom temperaturskift eller stamme ændrer signatur i en gentagelig måde og påvisning signatur variationer er grundlaget for at anvende fiberen som en sensor.
Figur 1 illustrerer princippet komponenter af den optoelektroniske detektionsindretningen, kaldet en optisk fordelte sensor interrogator, og betegnet her blot som "interrogator". I en teknik kendt som fejet-bølgelængde interferometri, en laveffekt afstemmelig laser lancerer et smalt bånd signal ind i fiberen med henblik på registrering resulterende tilbagekastning 5-7. Laseren er fejet hen et interval på flere nanometer og signalet delt mellem reference- og måling ben. Spredt lys fra sensoren er kombineret med referencesignalet for at generere interferenssignaler på detektorerne. Detektorudgangen digitaliseres og analyseres for at hente Rayleigh spredning signal. Den RayleIGH underskrift sensor skift i bølgelængde, hvor sensor temperatur (stamme, eller luftfugtighed) ændringer. Størrelsen af denne bølgelængdeforskydning er relateret til sensor følsomhed, som er en fysisk konstant associeret med fibertype, som har en kalibreringsfaktor analog med Seebeck koefficient på en TC.
Figur 2 viser glastanken der tjener som testsektionen anvendt i denne undersøgelse. Kameraet bag tanken giver en følelse af skalaen. Luften kommer ind gennem to sekskantede kanaler og blander før ud gennem en udluftning. For at fremhæve de jets, blev en flow stream podes med olietåge, mens den anden forblev ren luft. Låget tank har et vindue dækket med en sort polymer skærm. Selvom ikke synlig i billedet, er DTS ophængt under den sorte skærm.
En 50 m lange DTS blev monteret under tankens låg som vist i fig. 3. Den blev forældet fra 155 um diameter polyimid-coatede optiske fiberog hang på 127 um diameter stålwire spændt mellem tanken gavle. Sensoren blev vævet gennem tråden i et alternerende mønster og looped frem og tilbage på tværs af tanken 49 gange. Det strækker sig over et 0,5 x 0,8 m fly og genererer 1.355 uafhængige datapunkter ved 4 Hz og rumlig opløsning på 30 mm, 4.067 datapunkter når oversamplet med 10 mm afstand. En sådan temperatur data af høj tæthed supplerer hastighedsdata og øger værdien af datasæt for CFD validering. Protokollen beskriver processen med sensor udvælgelse, fabrikation og konfiguration og samtidig fokusere på de særlige betænkeligheder i at bruge DTS i en væske dynamik eksperiment.
Vi har vist anvendelsen af en DTS i et fluid dynamik eksperiment. Den største fordel ved disse sensorer er det store antal målepunkter, der kan opnås fra en enkelt sensor. De DTS her anvendte genererede data på 4.067 point på tværs af en 0,5 x 0,8 m fly, langt ud over praktisk grænser for konventionelle punkt sensorer såsom termoelementer. Mens en sådan datatæthed kan overskrides med optiske teknikker såsom laser induceret fluorescens (LIF), vil en DTS fungere i uigennemsigtige væsker og applikationer, der mangler optisk adgang. Den høje datatæthed af et DTS er velegnet til eksperimenter, der er involveret i Computational Fluid Dynamics kode validering.
Baselining er det afgørende skridt i protokollen og centrale i fastlæggelsen målenøjagtighed. En thermo test sektion er afgørende for at sikre, at hele DTS er ved én temperatur når baselined. Hvis dette ikke er muligt, T basen bliver T base (x), som bør være MAPPed af flere TC placeret i umiddelbar nærhed af DTS. Selvom baseline kvalitet kan forbedres på denne måde, det komplicerer processen med at kortlægge DTS baseline til standarderne for konvertering til absolutte temperatur.
Altid være på udkig efter kilder til belastning efter baseline, der kan introducere uforudsigelige signal skift. Sådanne kilder, f.eks testsektion termisk udvidelse, der strækker sensoren, bevægelse af understøtninger, dynamisk belastning fra høje strømningshastigheder, eller flow-induceret vibration. De præ- og posttest målinger under isotermiske betingelser vil bidrage til at identificere sådanne problemer.
Stamme følsomhed er den vigtigste mangel ved denne Rayleigh spredning-baserede DTS. I modsætning til konventionelle sensorer som termoelementer, det er følsomt over for håndtering, fugtighed og vibrationer. Disse emner er mest relevante for den nøgne sensorkonfigurationen demonstreret her, men langt mindre vigtigt for sensorer til huse i kapillærer.
I modsætning til konventionelle sensorer, kan en DTS ikke fremskaffes med papirarbejde opsporing det til en anerkendt kalibrering standard som NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibreringer er nødvendige, helst med en isoterm test sektion, der kan være svært i nogle anvendelser. Vibration er af særlig interesse for nøgne fibre spændt på tværs en stor test sektion. Vi har haft blandet succes med en vertikalt orienteret array, der spænder over den lange akse af tanken ved længder segment af 1,7 m. En konfiguration med 28 m af fiber og 16 segmenter klaret sig godt i løbet af en undersøgelse 18, men forsøg på at udvide den til 53 m med 29 segmenter var mislykket 16.
Generelt signalstøj for enhver sensor længde og konfiguration kan formindskes ved at øge længdedimension over hvilken interrogator software beregner Rayleigh signal skift, men dette reducerer effektiv rumlig opløsning. hver ansøgning skal finde sin egen balance mellem signal støj og rumlig opløsning. Igen kan sådanne vanskeligheder i vid udstrækning undgås ved boliger sensoren i en kapillær på bekostning af forlænget termisk responstid.
Denne relativt nye temperaturmåling teknologi kræver udvikling for at reducere følsomheden over for vibrationer. Meget af dette arbejde vil nødvendigvis indebære interrogator hardware og software. Sensorerne selv kan også forbedres for at reducere følsomheden over for håndtering og fugtighed ændringer, som er berørt af fiber belægninger. Arbejdet kunne fokusere på at udvikle belægninger overlegne til polyimid og acrylat-coatede fibre i øjeblikket kommercielt tilgængelige.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Tyler Gorney and Aida Rahim at Luna Innovations for their invaluable technical insight and assistance with our application.
The submitted manuscript has been created by UChicago Argonne, LLC, Operator of Argonne National Laboratory (“Argonne”). Argonne, a U.S. Department of Energy Office of Science laboratory, is operated under Contract No. DE-AC02-06CH11357. This work was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Nuclear Energy.
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 | |
jacket stripper | |||
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 |