Summary
אנו מדגימים שימוש בחיישן מופץ סיבים אופטיים למיפוי שדה הטמפרטורה של ערבוב מטוסי אוויר. חיישן הפיזור מבוסס ריילי מייצר אלף נקודות נתונים לאורך סיב בודד לספק רזולוציה מרחבית חריגה היא בלתי ניתן להשגה עם חיישנים מסורתיים כגון צמדים.
Abstract
המהימנות של קודי חישובית דינמיקה של נוזלים (CFD) מסומנת על ידי השוואת סימולציות עם נתונים ניסיוניים. מערך נתונים טיפוסי מורכב בעיקר של קריאות מהירות וטמפרטורה, הוא באופן אידיאלי שיש ברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן כדי להקל אימות קוד קפדנית. בעוד נתונים במהירות גבוהה ברזולוציה מתקבלים בקלות באמצעות שיטות מדידה אופטיות כגון velocimetry תמונת חלקיק, היא הוכיחה קשה להשיג נתוני טמפרטורה עם רזולוציה דומה. חיישנים מסורתיים כגון צמדים לא יכולים למלא את התפקיד הזה, אבל ההתפתחות האחרונה של חישה מבוזרות המבוססת על פיזור ריילי ו interferometry-גל נסחף מציעה רזולוציה מתאימה לעבודת אימות קוד CFD. אלפי מדידות הטמפרטורה יכולה להיווצר לאורך סיב אופטי דק יחיד במאות הרץ. חיישנים לתפקד בתחומי טמפרטורה גדולים בתוך נוזלים אטומים שבו שיטות אופטיות אינן מתאימות. אבל זה סוג של חיישןהוא זן ולחות רגיש וכן מושפע דיוק טמפרטורה זאת על ידי טיפול, רטט, משמרות בלחות יחסית. התנהגות כזו היא בניגוד גמור חיישנים מסורתיים וכן הלאה בהליכי התקנה ותפעול שיגרתי נחוצים על מנת להבטיח מדידות מדויקות. מסמך זה מדגים יישום חיישן טמפרטורה מופצת פיזור מסוג ריילי בניסוי ערבוב תרמית המעורב שני מטוסי אוויר ° C 25 ו -45. אנו מציגים קריטריונים להנחות בבחירת סיבים אופטיים עבור החיישן ולתאר את התקנה עבור ניסוי ערבוב סילון. אנחנו להמחיש baselining חיישן, מקשר קריאות אדם לרמת טמפרטורה מוחלטת, ולדון בנושאים מעשיים כגון שגיאות עקב זרימת נגרמת רטט. חומר זה יכול לסייע למעונייני מדידות טמפרטורה שיש צפיפות ורוחב פס נתונים גבוהות לניסויי דינמיקה של נוזלים ויישומים דומים. אנו מדגישים חסרונות ספציפיים לחיישנים האלה עבור consideration בתכנון ותפעול ניסוי.
Introduction
קודי דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) משמשים כדי לדמות מגוון רחב של מערכות נוזלות, מן זרימת אוויר סביב מטוסים ומכוניות למטה עורקי זרימת דם. ההיקף והנאמנות של סימולציות כאלה גדלו עם הזמינות של כוח מחשוב. עם זאת, למרות התחכום של סימולציות מתקדמות, הדיוק והאמינות שלהם הם לעתים קרובות קשים לכמת. בפועל, את הדיוק של קודי CFD נבחן על ידי השוואת סימולציות עם נתונים ניסיוניים בתוך אימות קוד תהליך הנקרא.
סט נתונים ניסיוני טיפוסי מורכב בעיקר של מדידות מהירות וטמפרטורה, הוא באופן אידיאלי של ברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן כדי להקל אימות קוד קפדנית. שדות מהירות ניתן למפות ברזולוציה גבוהה באמצעות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) חברת 1,2 טכניקה אופטית ומבוססת. לעומת זאת, קשה למפות שדות טמפרטורה עם רזולוציה דומה לזו של PIV. אופטיקהטכניקות l כגון קרינה הנגרם ליזר זמינות 3,4, אבל הם דורשים מצלמות יחסית לייזרי הספק גבוה, והם מתאימים נוזלים אטומים.
חלופה זמינה טכניקה חדשה יחסית של הטמפרטורה חישה מבוזרות מבוססות על פיזור ריילי וגרף גל אינטרפרומטריה (SWI) 5-7. אלף מדידות טמפרטורה ניתן לרכוש יחד סיב אופטי יחיד. חיישן טמפרטורה מבוזרת (DTS) יכול להקיף שדות זרימה גדולים ותפקוד בסביבות שאינן מתאימים טכניקות מבוססות תמונה 8. ישנם גם DTSs מבוסס על רמן ברילואן פיזור 9,10, אבל חיישנים מבוסס על פיזור ריילי ו SWI לספק רזולוציה במרחב ובזמן יותר מתאים לניסוי דינמיקה של נוזלים טיפוסי.
למרות צפיפות נתוני הצעת DTSs הרבה מעבר לזה של חיישנים מסורתיים כגון צמדים (TCS), חיישנים מבוססים על ריילי scatteלהגיב טבעת להתאמץ כמו גם טמפרטורה 11. אם ציפוי הסיבים הוא היגרוסקופי, חיישנים גם להגיב לחות משתנית 12,13. קליטה של אדי מים מתנפחת הציפוי תוך desorption מתכווץ זה 14, אשר מהווה עומס על סיבי זכוכית הבסיסיים ומשנה את האות. כתוצאה מכך, דיוק מושפע טיפול, רטט, משמרות בלחות יחסית. הדבר שונה לגמרי חיישנים מסורתיים ולכן שיטות התקנה ומדידה שיגרתיות יש להקפיד לקבל נתונים מדויקים. מסמך זה מדגים את השימוש של DTS בניסוי ערבוב תרמית, הצגת פרוטוקול והנחיות כדי להבטיח דיוק.
DTS המובאים כאן מבוססים על זיהוי וניתוח של ריילי פיזור בתוך מוליך גל סיב אופטי. התפלגות אקראית של זיהומי שינויים מבניים לאורך ליבת הסיבים מולידה דפוס backscatter שייחוד הסיב היציב בדרך כלל. הספקטרום משרעתניתן לקרוא של דפוס זה לשמש חתימת סיבים. שינויים פיסיים כגון משמרות טמפרטורה או זן לשנות את החתימה באופן הדיר, ואת גילוי וריאציות חתימה הוא הבסיס באמצעות הסיבים כחיישן.
איור 1 מדגים את רכיבי העיקרון של מכשיר חישת אופטו, נקרא חוקר חיישן מופץ אופטי, ואת מה שאנו מכנים כאן בפשטות "חוקר". בשנת בטכניקה המכונה interferometry גל סחף, מתכונן לייזר בהספק נמוך משיקה אות פס צר לתוך הסיב לצורך רישום כתוצאה backscatter 5-7. הליזר שסחף הפסקה של מספר ננומטרים ואת האות לפצל בין רגלי התייחסות ומדידה. אור מפוזר מהחיישן בשילוב עם אות הייחוס לייצר אותות הפרעות לגלאים. פלט גלאי הוא דיגיטציה ונותח כדי לאחזר את אות פיזור ריילי. Rayleחתימת igh של משמרות חיישן הגל שבו טמפרטורת חיישן (זן, או לחות) שינויים. סדר הגודל של שינוי אורך גל זה קשור חיישן רגישות, שהנו קבוע פיזיקלי משויך לסוג הסיבים, אשר יש גורם כיול מקביל מקדם Seebeck של TC.
איור 2 מציג את מיכל זכוכית המשמש בסעיף הבדיקה נעשה שימוש במחקר זה. המצלמה מאחורי הטנק נותנת תחושה של קנה מידה. האוויר נכנס דרך שני צינורות משושה ומתערבב לפני היציאה דרך פורקן. כדי להדגיש את המטוסים, זרם זרם אחד היה זרע עם ערפל שמן ואילו השני נותר אוויר טהור. מכסה הטנק יש חלון מכוסה מסך פולימרי שחור. למרות שלא ניתן להבחין בה בתמונה, את DTS מושעה מתחת למסך השחור.
50 DTS מ 'אורך הוצב מתחת למכסה מיכל כפי שמוצג באיור. 3. זה היה נושן מ 155 מיקרומטר בקוטר מצופה polyimide סיבים אופטייםותלה על תיל פלדה 127 מיקרומטר בקוטר מתוח בין לוחות סוף טנק. החיישן נרקם דרך כבל דפוס לסירוגין כרך הלוך ושוב על פני הטנק 49 פעמים. היא משתרעת מטוס 0.5 x 0.8 מ 'ומייצר 1,355 נקודות נתונים עצמאית ב 4 הרץ ו ברזולוציה מרחבית של 30 מ"מ, 4,067 נקודות נתונים כאשר oversampled עם ריווח 10 מ"מ. נתוני טמפרטורה גבוהה צפיפות כזו משלים נתונים מהירים ומגדילים את הערך של ערכות נתונים עבור אימות CFD. הפרוטוקול מתאר את התהליך של בחירת חיישן, ייצור, ותצורה תוך התמקדות חששות מסוימים באמצעות DTS בניסוי דינמיקה של נוזלים.
Protocol
1. סוג החיישן אופטימלי בחר עבור יישום
- בחר אורך חיישן מבוסס על איזון בין מהירות הדגימה ומספר נקודות נתונים.
הערה: דגימות חוקרות אחד חיישנים עד 50 מ 'אורך על 2.5 הרץ ורזולוציה <10 מ"מימ בעוד חיישני דוגמאות האחרים עד 10 מ' אורך ברזולוצית 5 מ"מ ו 100 הרץ. - בחר סוג של סיב אופטי במצב יחיד המבוסס על דרישות גבולות טמפרטורת שירות, זמן תגובה, רגישות לחות תצורת התקנה (חשופה או נימים).
הערה: כאן השתמשנו 155 מיקרומטר בקוטר מצופה polyimide במצב יחיד מסחרי הטלקום סיב אופטי.
הערה: ראה לוחות 1 ו -2 כדוגמאות סיבים ותצורות השתמשנו במעבדה שלנו.
2. התקן סיב אופטי בסעיף מבחן
- בסעיף מבחן פתוח על ידי הסרה אחד מלוחות צד הזכוכית הארוכה.
- מקדחה 1 חורים בקוטר מ"מב קירות צדדיים 3 מ"מ מתחת מכסה עבור עוגני תיל (איור. 3).
הערה: עוגן להחזיק חוט פלדת תומכי החיישן. המגרש העוגן יכול להיות מגוון בהתאם לגודל סעיף מבחן וטעינת הדינאמיים צפוי מתזרים. המגרש 20 מ"מ משמש כאן הוכיח יציבה עם רטט מינימלי בתזרים ליד 1 מ '/ שנייה. אותות משחית DTS רטט והוא יותר בעייתי עם חיישנים זמן 15,16. - מחרוזת קטע תיל פלדה 127 מיקרומטר בקוטר ברחבי סעיף הבדיקה בכך שקשר אותו עוגן פליז בכל קצה של הטנק. חזור על פעולה עד יש בסך הכל 47 מגזרי תיל המתוח לרוחב הטנק.
- חותך 50 מטר של סיב אופטי באמצעות תקשורת / מספרי חשמלאים בהסתייגות שיצרוך מחבר שחבור וסיבי סיום (סביר <0.5 מ ', אבל תלוי מיומן ב שחבור). אסוף סיבים זה על סליל קטן, ~ 50 מ"מ קוטר.
- הנח את קטע החיישן הראשון בקצה אחד של האזור הנבחר למדוד שנינות טמפרטורהh את מערך החיישנים.
ההערה: לאחר הקטע הראשון הוא קבוע בעמדה, הסיב יהיה בלולאה עבור פלח סמוך, קבוע בעמדה, ועוד סיבים לוותר על הקטע הבא בתהליך חוזר שבונה המערך עד שכל הסיב משמש. - ארגו את סיב מעל ומתחת חוטים סמוכים, עבודה מצד אחד של הטנק כדי הסיב מחלק, אחרים מהעמוד בו סליל לפי הצורך.
הערה: הסיבים הם בניצב החוט כפי שמוצגים באיור. 3 עם מארג התומכים בו כנגד כוח הכבידה בכיוון וזרימה אחד בשנייה. - צרף בכל קצה של קטע הסיבים תחילה את המכסה עם קלטת או קלטת סרט polyimide ברורות קונבנציונליות. הקטע הראשון של המערך הוא כעת במקום.
הערה: אין לתקן חיישן מתוח כמו מיתר של גיטרה, אלא מתוח מספיק כדי להיות ישר תופסים רפוי גלוי. אם החיישן מתוח, דפורמציות קטנות בתמיכה, למשל, Expan תרמיתשיאון של המכסה, ישתנה המתח הזה וליצור קיזוז אות חריג וטעויות מדידה. - Loop הסיב 180 מעלות לחזור אחורה היא למקטע הבא כפי שמוצג באיור. 4 ואת קלטת אותה אל המכסה במרחק של 10 מ"מ מן הקטע הראשון.
הערה: מזער את הקוטר לולאה שכן הוא "מבוזבז סיבים" (לא חלק מהמערך), אבל זה צריך להיות בערך 30 מ"מ או יותר עבור מדגיש נסבל. הסיבים משמשים כאן גילו סובלנות 30 מ"מ קוטר לולאות במשך כמה חודשים עם אות שום הפסד מורגש, אבל גבולות ישתנו בהתאם לסוג סיבי. עבור סיבים המשמשים כאן, היצרן מציין את הגבול "לטווח קצר" לכופף ברדיוס כמו ≥ 10 מ"מ ולהגביל "לטווח ארוך" כמו ≥ 17 מ"מ. - שוב לארוג הסיב בין חוטים כלפי הצד הנגדי של טנקי הקלטת בעמדה. חזור על looping, מקליטה, ואריגת התהליך עד שכל הסיב משמש.
3. מחבר אחוי ו Termination כדי סיבים
- אחוי מחבר מצב יחיד LC-סוג בקצה אחד של הסיבים באמצעות splicer היתוך בא הוראות יצרן 17.
- חותכים ~ 0.25 מ 'סיבי סיום עם מספרי החשמלאי / תקשורת אחוי אל הקצה השני של הסיבים, שוב עם splicer היתוך הבא הוראות יצרן.
הערה: הרכבה זו (סיבים, מחבר, והפסקה) עכשיו תהיה המכונה "חיישן". סיבי סיום מפזר אות השיורי מן דופק הליזר כדי למנוע ממנו לחזור החוקר.
4. חיישן תצורה
- חבר את קצה המחבר מסוג LC של החיישן ליציאת החוקר ולהתחיל תצורת תוכנה.
- להפיק נתונים משרעת הפולס על ידי בחירה "לרכוש" (להבדיל נתוני טמפרטורה), אשר מוצג באופן אוטומטי כאשר השלימה הסריקה.
הערה: עקבות עבור חיישן עם splices טוב יהיה הגןמאפיינים RAL שמוצג באיור. 5. חיבור סרט עני יכול להיות שמציין קומת קול לא ברורה או השתקפות דומיננטית שבו המחבר צפוי. אם אחוי עני פי חשד, חזרו לשלב 3 וחזרו הליך שחבור. - בחר את החלק הפעיל של החיישן על ידי גרירת הסמן הצהוב שנראה על המסך להתחלה של החיישן והסמן האדום עד הסוף.
- נתן החיישן שם ובחר "לשמור קבצי חיישן".
הערה: החיישן מוגדר ומוכן לשימוש. - סגור את תוכנת ההגדרה ולעבור תוכנת המדידה.
5. מפת מיקום חיישן בתוך סעיף מבחן
- הפעל את תוכנת מדידה החוקרת ולטעון את החיישן פשוט מוגדר.
- חבר מלחם שנאי משתנה מוגדר ~ 40%, חימום מוקדם למשך 5-10 דקות.
הערה: מלחם מייצר קוצי טמפרטורה מקומיים למיפוי. קלע זרק פחית מלחםELT ציפוי הסיבים ולהרוס את החיישן אז להתחיל עם הגדרת שנאי נמוכה, באמצעות כוח מספיק כדי לקבל קוצים ברורים. ספייק C 10-20 מעלות די לתהליך הזה. - בחר "למדוד" בתוכנה החוקרת לתכנן נתונים חיים על מסך.
- התרחק כדי להציג את החיישן כולו על המסך.
- החזק מלחם ליד חיישן בקצרה לגעת בו בנקודת המיפוי הראשונה, כאן הכי רחוק הקטע מן האוורור שבו היא עונה על המכסה (איור. 4).
- שיא עמדת שיא טמפרטורה כפי שצוין על ידי תוכנה יחד עם המיקום הפיזי המקביל בגדר סעיף בדיקה.
- חזור על 5.5-5.6 למפות את נקודות הקצה של כל 49 המגזרים.
6. חיישן Baseline: החוליה לטמפרטורה מוחלטת
- תפקיד אחד או יותר טמפרטורת סטנדרטים, למשל, TC או גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD), ליד DTS לשרת כתקן מקשר קריאות DTS ל te המוחלטmperature.
- סגור את המכל על ידי החלפת לוחית צד הזכוכית הארוכה שהוסרה בשלב 2.1.
- לבודד את הטנק על ידי לפפת אותה בשמיכות או לוחות בידוד קונבנציונליים ולאפשר לו לשבת לילה להקים אווירת בידוד תרמית.
- הפעל את תוכנת החוקר, בחר "בסיס" (או "טרה"), ובמקביל לב / להקליט את TC (או RTD) קריאה. כאשר התוכנה סיימה עם קו הבסיס, בחר "למדוד" להתוות נתונים חיים לבחון את איכות המחקר.
הערה: שלב קריטי זה קובע את הבסיס DTS ואת האות צריך עכשיו מצביעים על היעדר, כלומר, ΔT (x) = 0 ± שבריר המעלה. מעתה ואילך, האות תשתנה כמו טמפרטורה במכל סוטה מן טמפרטורת הייחוס: ΔT (x) = T (x) שרירי בטן - T בסיס, כאשר t (x) שרירי בטן היא הטמפרטורה המוחלטת לאורך הסיבים ו- T הבסיס הוא הבסיס הטמפרטורה 6,18. אם הבדיקה section הוא nonisothermal, בסיס T יהיה כפונקציה של המיקום, כלומר, בסיס T (x), ודיוק יהיה בסכנה אלא אם בסיס T (x) ממופה עם יותר מאחד TC או RTD (ראה סעיף דיון). אל תזיז או לגעת החיישן עד שלב 7 יושלם. אמץ את זה בכל דרך שאתה יכול להציג קיזוז שעשוי לבזות דיוק מדידה. - בדוק את אות חיים, אשר לא צריך להיסחף רחוק מאפס. אם להיסחף הוא מוגזם עבור יישום (לקצה גבול היכולת שלנו היא בערך 0.5 מעלות צלזיוס לאחר ~ 5 דקות), לאפשר יותר זמן בסעיף בדיקה כדי להגיע לשיווי משקל תרמי ו / או לשפר את הבידוד (ראה הערה להלן) ולאחר מכן חזור על שלב 6.4.
הערה: איכות האות תמיד הכי טובה מייד לאחר מחקר ולאחר תיסחף לאורך זמן תלוי התפלגות הטמפרטורה בתוך קטע הבדיקה. תקופות בידוד מתנה ארוכה טובים לפני תכנון בסיסי תפחתנה סחיפה וטעיית מדידה. ניכר, מרחף מהיר לציין את סעיף המבחן אינובידוד תרמי, אשר בסופו של דבר להוביל למדידה לא מדויקת. - בחר את פונקציית רישום בתוכנה החוקר ולהקליט 10-100 סריקות של נתונים DTS עבור התנאים עומדים, בידוד תרמי אותו רק השתמשו כדי ליצור את הבסיס. שיא גם בקריאה TC / RTD.
הערה: זהו נתוני מאגרי לבדיקות posttest הקיזוזים שעשויים להיווצר על ידי זן מתזרים או עיוות בלתי צפוי של סעיף הבדיקה או תומך.
7. הפעלה נסיונית
- הפעל את המדחס לייצר תזרים אוויר ולהתאים בקרי זרימה להתאים ספיקות ברמה של 1.25 ק"ג / sec לכל ערוץ.
הערה: מהירות כניסת ממוצע הוא 1.1 מ '/ שנייה ומספר ריינולדס הוא 10,000. - דוד מתח מוגדר 600 W כדי לחמם את סילון מזרח 20 ° C מעל סילון מערב, שהוא בטמפרטורת הסביבה.
- מאפשר למערכת לרוץ בלילה כדי להגיע לשיווי משקל.
- למחרת לבדוק אות DTS חי להעריך רמות רעש. בחר l גייג "חיישןength "בתוכנה כדי להשיג רמות רעש מקובלות (מד 30 מ"מימ משמש כאן).
הערה: אורך גייג 'תואם חיישן ברזולוציה מרחבית. באופן כללי, לאותת עליות רעש כמו ירידות אורך גייג וכפי עליות רטט-induced זרימה (ראה מדריך למשתמש והתייחסות 13 ו -14). - התחבר 2,000 סריקות DTS ב 4 רץ.
- כבה החשמל דוד וזרימת אוויר. תן הטנק לשבת לילה כדי להגיע לשיווי משקל ולהקליט 10-100 סריקות DTS כדי להשלים את מערך נתונים מראש מבחן הציל עבור posttest לקזז בדיקות.
ניתוח 8. נתונים
- בחר בתכונת עיבוד פוסט בחלון הראשי של התוכנה החוקרת ולייבא את נתוני הבדיקה, אשר נמצא בתבנית בינארית קניינית.
- לייצא את הנתונים כקובץ טקסט רגיל כי ניתן לקרוא על ידי תוכניות גיליון אלקטרוניות קונבנציונליות.
הערה: נתונים אלה מייצגים ΔT שנמדד לאורך הסיבים שבו ΔT (x) = T (x) שרירי בטן - בסיס T. הוא אינו מכיל התייחסותעמד בסעיף הבדיקה (ראה איור. 6). פרטים נוספים ניתן למצוא במדריך של המשתמש החוקר והפניות 6 ו -16 עבור הצעד הזה ובעולם הבא. - נתוני טקסט יבוא לתוך גיליון אלקטרוני קונבנציונלי להמיר טמפרטורה מוחלטת על ידי הוספת בסיס T, שהיא נמדדת על ידי TC או RTD בשלב 6.4, לכל הנתונים.
הערה: המרה הטמפרטורה המוחלטת היא פשוט תיקון לקזז חד ערכי: T (x) ABS = ΔT (x) + T הבסיס מאז יש לנו נקבע כי סעיף המבחן היה בידוד תרמי במהלך המחקר. - השתמש גיליון אלקטרוני תוכנה או תוכנית מניפולציה של נתונים דומים להתפרק T (x) נתונים ולמפות אותו למיקום הפיזי בתוך הקטע מבחן כזה שמוצג איורים 7 ו -8.
הערה: התוכנית יהיה לנצל את הנתונים שנאספו עם מלחם בשלב 5.
Representative Results
נתונים גולמיים DTS הוא להתוות איור. 6 מראה ΔT נמדדת על פי הטמפרטורה הבסיסית (בערך 20 מעלות צלזיוס) לעומת המרחק לאורך החיישן. הנתונים "גלם", במובן זה שהוא לא הומר טמפרטורה מוחלטת ולא ממופה למיקום פיזי בתוך קטע הבדיקה. נתונים מבוסס על אורך גייג '30 מ"מ, אשר מספק 1,666 מדידות בלתי תלויות על פני אורך חיישן מלא של 50 מ'. את מד 30 המ"מ יושם ב 10 מרווחי מ"מ מצב oversampling המגדיל את מספר נקודות נתונים ל -5000. צפיפות נתונים אלה אינה מעשית עם חיישנים קונבנציונליים כגון תורמים עיקריים.
ב- x = 0 באיור. 6 החיישן נמצא בקצה המזרחי של טנק, וכתוצאה x מגביר הוא מתפתל הלוך ושוב לקראת סוף מערב. פסגות להתרחש בו החיישן עובר על המטוס המזרחי החם ולאחר מכן לדעוך איפה זה מעל je מהמערב הקרt. העלילה מתארת עד כמה אפילו את האות גלם ממגוון DTS יחיד יכול לספק תמונה בסיסית של הטמפרטורה על פני אזור רחב למדי. שים לב האות לרעש לקראת סוף ממערב הסיבים, אשר בשל רטט זרימה מושרה. למרות הרעידות לא היו גלויות לעין בלתי המזוינת, זה היה מספיק כדי לבזות את האות ואנו רואים בעיה זו לעתים קרובות ביותר באמצעות חיישנים ארוכים (> 10 מ ').
הנתונים הגולמיים ממופים על קטע המבחן באיור. 7, אשר מראה טמפרטורה על פני המטוס המדיד 0.8 מ 0.5 x נוצר על ידי מערך DTS. נקודת המבט היא מלמעלה הטנק מביט למטה על המכסה. קווי המתאר של ערוצי משושה כלולים כעזר התמצאות. הקווים המתארים מבוסס על 4,067 נקודות נתונים מאז הלולאות המודבקות מתחת למכסה מודרים. אינטרפולציה ליניארית בין מגזרי חיישן הסמוכים ששמשה ליצירת קווי מתאר 2D.
th קונטור הדואר מספק תחושה ברורה של מבנה התרמית מתחת למכסה עם אזור חם על המטוס למזרח, אבל לא סביב זה. כמו כן ברור היא סימטריה מחוספסת מסביב midplane הטנק, אשר הוא y = 0 על המגרש. סוג זה של נתוני טמפרטורה הוא מחמאה שימושית לנתוני מהירות במחקרי דינמיקה של נוזלים המעורבים ערבוב תרמי ומעבר חום. אימות קוד קפדנית דורשת נתונים ברזולוציה גבוהה כגון הן בתחומי הטמפרטורה ומהירות.
נתוני החיישן הזהים יכולים להיות מעובד כדי לחשוף את סדר הגודל של תנודות טמפרטורה. ה- RMS (שורש ממוצע ריבועים) של 2,000 ערכת נתוני הסריקה הוא להתוות איור 8. מגנטה מסמן את האזור בו שינויי טמפרטורות גבוהים יחסית. זהו גם אזור של מערבולת גבוהה שבה שני מטוסי עולה אינטראקציה כמו impinge על המכסה. נתוני RMS שימושיים עבור מודלי מערבולת בהקשר של ערבוב תרמית.
לשמור-together.within-page = "1"> 
סכמטי חוקר באיור 1.. רכיבי עיקרון חוקר חיישן מופץ האופטי למדידות טמפרטורה. המערכת מבוססת על אינטרפרומטריה סחף גל, המאפיינת את החתימה backscatter ריילי של החיישן. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
בסעיף מבחן איור 2. מטוס אייר ערבוב ניסוי:. אוויר נכנס טנק דרך בסיס באמצעות שני צינורות משושה ותערובות לפני היציאה דרך אוורור עליון. המסך השחור המכסה את החלון המכסה הוא 3 מ"מ מעל DTS (לא גלוי). Plלהקל לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. DTS הרכבת תצורה. נוף לראש הטנק מראה DTS ארוג בין חוטי תמיכת פלדה מתוחים לרוחב ציר הזמן של הטנק. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
DTS איור 4. תקריב. תקריב צילום של DTS עם מבט מבפנים טנק כלפי מעלה המכסה כדי להדגיש לולאות חיישן, מצורף, והמיקום של נקודת המבחן הראשון להיות ממופה עם מלחם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של fi זהאיור.
איור 5. אותיות פיזור ריילי. אות פיזור ריילי אופיינית מוקלטת עם תכנית שירות להגדרת תצורת חיישן (חיישן קצר שמוצג כאן לבהירות). סיום נאות יפיק ירידת אות חריפה רצפת רעש. את צעד אות הקלה וההשתקפות צנועה למחבר אופייני למחבר שחבור כראוי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. נתוני DTS הגלם. סריקה בודדת של נתוני DTS גלם עם הסילון המזרחי החם על 45 מעלות צלזיוס סילון ממערב קר ב 25 ° C. פסגות להתרחש בו החיישן ישירות מעל סילון חם. נזכיר כי החיישן הוא לולאה הלוך ושוב בין קירות המיכל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
טמפרטורת איור 7. נמדד אוויר מתחת למכסה. DTS נתונים גולמיים מרת הטמפרטורה מוחלטת ומיפו למצב פיזי בתוך טנק. נתונים מבוססים על 2,000 סריקות המחוברות ב 4 רץ. מרווח נתונים 10 מ"מימ עבור סכום כולל של 4,067 נקודות נתונים זממו. אינטרפולציה לינארית המשמשת למילוי אזורים בין מגזרי חיישן. משושים להראות עמדות של צריכת האוויר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
54076fig8.jpg "/>
איור 8. שורש ממוצע הריבועים (RMS) של הטמפרטורה הנמדדת. RMS של נתונים להתוות איור. 7. מגנטה מציין תנודות טמפרטורה גבוהות ערבוב תרמית של מטוסים חמים וקרים. משושים להראות עמדות של צריכת האוויר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
להזמין טבלה 1. זמן תגובה גודל התרמית סוגי סיבים שנבחרו ותצורות דיור לחצות זרימה של 1 מ '/ שנייה ו -20 מעלות צלזיוס.
טבלה 2. גבולות טמפרטורת הפעלה משוערים ורגישויות לחות עבור תצורות ציפוי שנבחרו.
Discussion
אנחנו הוכחנו את השימוש של DTS בניסוי דינמיקה של נוזלים. היתרון העיקרי של גלאים אלו הוא המספר הגדול של נקודות מדידה כי ניתן להשיג חיישן בודד. DTS משמש כאן נתונים שנוצר ב- 4,067 נקודות על פני מטוס 0.5 x 0.8 מ ', הרבה מעבר לגבולות המעשיים של חיישני נקודה קונבנציונליים כגון צמדים. בעוד צפיפות נתונים כאלה יכול להיות חריגות על ידי שיטות אופטיות כגון קרינת הליזר מושרה (LIF), ב- DTS יתפקד בנוזלי אטום ויישומים שאין להם אפשרות גישה אופטית. צפיפות הנתונים הגבוהה של DTS מתאימה ניסויים מעורבים אימות קוד ובדינמיקה של נוזלים.
Baselining היא השלב הקריטי בפרוטוקול ומרכזי בקביעת דיוק המדידה. קטע בדיקת isothermal חיוני על מנת להבטיח את DTS כולו הוא בטמפרטורה אחד כאשר baselined. אם הדבר אינו אפשרי, בסיס T הופך בסיס T (x), שאמור להיות mAppאד על ידי מספר רב של תורמים נבחרים להציב בסמיכות DTS. למרות איכות מחקר ניתן לשפר באופן זה, זה מסבך את תהליך מיפוי בסיס DTS לסטנדרטים להמרת טמפרטורה מוחלטת.
תמיד להיות על המשמר מפני מקורות המתח לאחר המחקר, אשר יכול להציג משמרות אות בלתי צפויות. מקורות כאלה הם, למשל, סעיף מבחן התפשטות תרמית המותחת את החיישן, תנועת משענות, טוען דינמי מ ספיקה גבוהה, או רטט נגרמת זרימה. המדידות לפני ואחרי posttest בתנאי isothermal תעזורנה לזהות בעיות כאלה.
רגישות העיוות היא החסרון העיקרי של DTS ריילי זה מבוסס פיזור. בניגוד חיישנים קונבנציונליים כמו צמדים, שהוא עלול להיות מושפע טיפול, לחות, ורטט. נושאים אלה הם רלוונטיים ביותר עבור תצורת החיישן החשופה הפגינה כאן, אבל הרבה פחות חשוב עבור חיישנים שוכנו נימים.
בניגוד חיישנים קונבנציונלי, DTS כשאזל עם הניירת התחקות אותו סטנדרט כיול מוכר כגון NIST (המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה). In-situ כיולים נחוצים, רצוי עם קטע הבדיקה בידוד תרמי, אשר עשוי להיות קשה בחלק יישומים. רטט הוא דאגה מיוחדת סיבים חשופים המתוח לרוחב קטע ניסוי רחב היקף. היו לנו הצלחה מעורבת עם מגוון אנכי מוכווני החובק את הציר הארוך של הטנקים לעבר אורכי קטע של 1.7 מ '. תצורה עם 28 מ 'של סיבים ו -16 מגזרי ביצועים טובים במהלך מחקר אחד 18, אבל מנסה להאריך אותו ל -53 מ' עם 29 מגזרים 16 לא מוצלחים.
באופן כללי, אות לרעש לכל אורך חיישן ותצורה יכול להיות ירידה של הגדלת אורך גייג ', בן התוכנה החוקרת מחשבת את משמרת אות ריילי, אבל זה מפחית ברזולוציה מרחבית יעילה. applica כלtion חייב שיקבע איזון משלו בין אות לרעש ברזולוציה מרחבית. שוב, קשיים כאלה ניתן להימנע במידה רבה על ידי דיור החיישן בתוך נימים על חשבון זמן תגובת תרמית מורחב.
טכנולוגיה למדידת טמפרטורה חדשה יחסית זה דורשת פיתוח להפחית את הסיכויים לחלות רטט. חלק גדול מהעבודה הזאת בהכרח יהיה כרוך החומרה החוקר ותוכנה. החיישנים עצמם עשויים להיות גם שיפור כדי להפחית את רגישות לשינויי טיפול ולחות, אשר מושפעים ציפוי הסיבים. עבודה מפני להתמקד בפיתוח ציפויים עדיפים על polyimide וסיבים המצופים acrylate הזמין כרגע לשימוש מסחרי.
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 |
References
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry. , Springer. New York. (2007).
- Adrian, R. J. Twenty years of particle image velocimetry. Exp. Fluids. 39, 159-169 (2015).
- Vetrano, M. R., Simonini, A., Steelant, J., Rambaud, P. Thermal characterization of a flashing jet by planar laser-induced fluorescence. Exp. Fluids. 54, 1573-1583 (2013).
- Dahikar, S. K., Sathe, M. J., Joshi, J. B. Investigation of flow and temperature patterns in direct condensation using PIV, PLIF and CFD. Chem. Eng. Sci. 65, 4606-4620 (2010).
- Juškaitis, R., Mamedov, A. M., Potapov, V. T., Shatalin, S. V. Distributed interferometric fiber sensor system. Opt Lett. 17 (22), 1623-1625 (1992).
- Gifford, D., et al. Swept-wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing. Proc. SPIE. 6770, Fiber Optic Sens and Appl V. 67700F (2007).
- Kreger, S., Gifford, D., Froggatt, M., Soller, B., Wolfe, M. High resolution distributed strain or temperature measurements in single- and multi-mode fiber using swept-wavelength interferometry. Optical Fiber Sensors. 2006, OSA/OFS 2006 4 (2006).
- Bersan, S., et al. Application of a high resolution distributed temperature sensor in a physical model reproducing subsurface water flow. Measurement. , http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2015.09.018 (2015).
- Bao, X., Chen, L. Recent progress in distributed fiber optic sensors. Sensors. 12, 8601-8639 (2012).
- Ukil, A., Braendle, H., Krippner, P. Distributed temperature sensing: review of technology and applications. IEEE Sensors J. 12 (5), 885-892 (2012).
- Zhou, D., Qin, Z., Li, W., Chen, L., Bao, X. High-spatial-resolution distributed vibration measurement using time-resolved optical frequency-domain reflectometry. Proc. SPIE 22nd Int. Conf. Optical Fiber Sensors. 8421, 842115 (2012).
- Ding, F., Wang, L., Fang, N., Huang, Z. Experimental study on humidity sensing using a FBG sensor with polyimide coating. SPIE-Int Soc Opt. Eng. 7990, Optical Sensors Biophotonics. II 79900C (2011).
- Palmieri, L., Schenato, L. Distributed optical fiber sensing based on Rayleigh Scattering. Open Optics J. 7 (1), http://dx.doi.org/10.2174/1874328501307010104 104-127 (2013).
- Bhargava, P., Chuang, C. K., Chen, K., Zehnder, A. Moisture diffusion properties of HFPE-II-52 polyimide. J Appl Polymer Sci. 102 (4), 3471-3479 (2006).
- Lomperski, S., Gerardi, C. Assessment of distributed fiber optic sensors for flow field temperature mapping. Proc. ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting and 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. , Chicago. August 3-7, paper FEDSM2014-22156 8 (2014).
- Lomperski, S., Bremer, N., Gerardi, C., Lisowski, D. Performance assessment of a 50 m-long fiber optic distributed temperature sensor in a fluid dynamics experiment. Specialist Workshop on Advanced Instrumentation and Measurement Techniques for Nuclear Reactor Thermal Hydraulics. SWINTH-2016, June 15-17, Livorno, Italy, , (2016).
- Fusion Splicer 70S Instruction Manual. Fujikura Ltd., 70S_Rev2. , Fujikura Ltd. (2013).
- Lomperski, S., Gerardi, C., Pointer, W. D. Fiber optic distributed temperature sensor mapping of a jet mixing flow field. Exp. Fluids. 56, 16 (2015).
