हम हवा जेट विमानों के मिश्रण का तापमान क्षेत्र मानचित्रण के लिए एक फाइबर ऑप्टिक वितरित सेंसर के उपयोग के प्रदर्शन। रेले बिखरने आधारित सेंसर असाधारण स्थानिक संकल्प है कि इस तरह के thermocouples के रूप में पारंपरिक सेंसर के साथ अप्राप्य है प्रदान करने के लिए एक भी फाइबर के साथ डेटा अंक के हजारों उत्पन्न करता है।
कम्प्यूटेशनल फ्लूड डायनामिक्स (सीएफडी) कोड की विश्वसनीयता प्रयोगात्मक डेटा के साथ सिमुलेशन की तुलना द्वारा जाँच की है। एक ठेठ डेटा सेट वेग और तापमान रीडिंग के मुख्यतः, दोनों आदर्श कठोर कोड सत्यापन की सुविधा के लिए उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प होने होते हैं। उच्च संकल्प वेग डेटा आसानी से इस तरह के कण छवि velocimetry के रूप में ऑप्टिकल माप तकनीकों के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, यह इसी तरह के संकल्प के साथ तापमान डेटा प्राप्त करने के लिए मुश्किल साबित हो गया। ऐसे thermocouples के रूप में पारंपरिक सेंसर इस भूमिका को भरने नहीं कर सकते, लेकिन रेले बिखरने और बह लहर इंटरफेरोमेट्री के आधार पर वितरित संवेदन की हाल ही में विकास सीएफडी कोड सत्यापन कार्य के लिए उपयुक्त समाधान प्रदान करता है। तापमान मापन के हजारों हर्ट्ज के सैकड़ों पर एक पतली ऑप्टिकल फाइबर के साथ उत्पन्न किया जा सकता है। सेंसर बड़े तापमान सीमाओं पर और अपारदर्शी तरल पदार्थ जहां ऑप्टिकल तकनीक अनुपयुक्त हैं भीतर कार्य करते हैं। लेकिन सेंसर के इस प्रकार केतनाव और उमस के साथ ही तापमान के प्रति संवेदनशील है और इसलिए सटीकता, हैंडलिंग कंपन, और सापेक्ष आर्द्रता में बदलाव से प्रभावित है। इस तरह के व्यवहार काफी पारंपरिक सेंसर के विपरीत है और इसलिए अपरंपरागत स्थापना और संचालन प्रक्रियाओं सटीक मापन सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक हैं। यह पत्र 25 और 45 डिग्री सेल्सियस पर दो हवाई जेट विमानों को शामिल एक थर्मल मिश्रण प्रयोग में एक रेले बिखरने प्रकार वितरित तापमान संवेदक के कार्यान्वयन को दर्शाता है। हम मानदंड पेश सेंसर के लिए ऑप्टिकल फाइबर का चयन गाइड और एक जेट मिश्रण के प्रयोग के लिए स्थापना सेटअप का वर्णन है। हम सेंसर baselining है, जो एक पूर्ण तापमान मानक के लिए रीडिंग लिंक को समझाना, और इस तरह के प्रवाह प्रेरित करने के लिए कंपन की वजह से त्रुटियों के रूप में व्यावहारिक मुद्दों पर चर्चा की। इस सामग्री को तरल गतिकी प्रयोगों और इसी तरह के अनुप्रयोगों के लिए उच्च घनत्व डेटा और बैंडविड्थ होने तापमान माप में रुचि रखने वालों के लिए सहायता कर सकते हैं। हम considera के लिए इन सेंसरों के लिए विशिष्ट नुकसान पर प्रकाश डालाप्रयोग के डिजाइन और ऑपरेशन में tion।
कम्प्यूटेशनल तरल गतिकी (सीएफडी) कोड रक्त के प्रवाह को धमनियों के लिए नीचे विमानों और ऑटोमोबाइल के आसपास airflow से तरल पदार्थ प्रणालियों की एक विस्तृत विविधता अनुकरण करने के लिए उपयोग किया जाता है। गुंजाइश है और इस तरह के सिमुलेशन की निष्ठा कंप्यूटिंग शक्ति की उपलब्धता के साथ हो गए हैं। हालांकि, उन्नत सिमुलेशन के परिष्कार के बावजूद, उनकी सटीकता और विश्वसनीयता अक्सर यों के लिए कड़ी मेहनत कर रहे हैं। अभ्यास में, सीएफडी कोड की सटीकता एक प्रक्रिया बुलाया कोड सत्यापन में प्रयोगात्मक डेटा के साथ सिमुलेशन की तुलना द्वारा मूल्यांकन किया है।
एक ठेठ प्रयोगात्मक डेटा सेट वेग और तापमान मापन के मुख्यतः होते हैं, दोनों आदर्श के उच्च स्थानिक और लौकिक कठोर कोड सत्यापन की सुविधा के लिए संकल्प। वेग क्षेत्रों कण छवि velocimetry (PIV), एक अच्छी तरह से स्थापित ऑप्टिकल तकनीक का उपयोग कर 1,2 उच्च संकल्प पर मैप किया जा सकता है। इसके विपरीत, यह संकल्प PIV के बराबर के साथ तापमान क्षेत्रों नक्शा करने के लिए मुश्किल है। opticaइस तरह के लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति के रूप में एल तकनीक उपलब्ध 3,4 हैं, लेकिन वे कैमरे और अपेक्षाकृत उच्च शक्ति लेजर की आवश्यकता होती है, और अपारदर्शी तरल पदार्थ के लिए अनुपयुक्त हैं।
एक वैकल्पिक और बह तरंगदैर्ध्य इंटरफेरोमेट्री (श्रृंगार) 5-7 रेले बिखरने के आधार पर वितरित तापमान संवेदन की अपेक्षाकृत नई तकनीक में उपलब्ध है। तापमान मापन के हजारों एक ऑप्टिकल फाइबर के साथ प्राप्त किया जा सकता है। एक वितरित तापमान संवेदक (डीटीएस) वातावरण है कि छवि आधारित तकनीक 8 के लिए अनुपयुक्त हैं में बड़े प्रवाह क्षेत्रों और समारोह काल कर सकते हैं। वहाँ भी रेले बिखरने पर आधारित हैं DTSs रमन और Brillouin बिखरने 9,10 पर आधारित है, लेकिन सेंसर और श्रृंगार ठेठ तरल गतिकी प्रयोगों के लिए स्थानिक और लौकिक संकल्प अधिक उपयुक्त हैं।
हालांकि इस तरह के thermocouples (टीसीएस), सेंसर रेले scatte के आधार पर के रूप में दूर पारंपरिक सेंसर के परे है कि DTSs प्रस्ताव के डेटा घनत्वरिंग प्रतिक्रिया तापमान 11 के साथ ही तनाव। अगर फाइबर कोटिंग हीड्रोस्कोपिक है, सेंसर भी प्रतिक्रिया नमी परिवर्तन करने के लिए 12,13। जबकि desorption सिकुड़ती यह 14 है, जो अंतर्निहित ग्लास फाइबर तनाव और संकेत बदल जल वाष्प के अवशोषण कोटिंग पहुँच जाती है। नतीजतन, सटीकता, हैंडलिंग कंपन, और सापेक्ष आर्द्रता में बदलाव से प्रभावित है। यह काफी पारंपरिक सेंसर के विपरीत है और इसलिए अपरंपरागत स्थापना और माप तरीकों सही आंकड़ा प्राप्त करने के लिए मनाया जाना चाहिए। इस पत्र, एक थर्मल मिश्रण प्रयोग में एक डीटीएस के उपयोग को दर्शाता एक प्रोटोकॉल और दिशा निर्देशों पेश सटीकता सुनिश्चित करने के लिए।
यहां इस्तेमाल डीटीएस एक फाइबर ऑप्टिक waveguide के भीतर का पता लगाने और रेले बिखरने के विश्लेषण पर आधारित है। फाइबर कोर साथ दोष और संरचनात्मक बदलाव की एक यादृच्छिक वितरण एक backscatter पैटर्न है कि फाइबर और आम तौर पर स्थिर करने के लिए अद्वितीय है को जन्म देता है। स्पेक्ट्रम और आयामइस पद्धति का एक फाइबर हस्ताक्षर के रूप में सेवा करने के लिए पढ़ा जा सकता है। जैसे तापमान परिवर्तन या तनाव के रूप में शारीरिक परिवर्तन एक repeatable तरह से हस्ताक्षर परिवर्तन, और हस्ताक्षर की विविधताओं का पता लगाने के एक संवेदक के रूप में फाइबर का उपयोग करने के लिए आधार है।
चित्रा 1 Optoelectronic संवेदन डिवाइस के सिद्धांत घटकों, एक ऑप्टिकल सेंसर वितरित प्रश्नकर्ता कहा जाता है, और बस "प्रश्नकर्ता" यहाँ के रूप में चिह्नित दिखाता है। एक तकनीक बह तरंगदैर्ध्य इंटरफेरोमेट्री रूप में जाना जाता है, एक कम शक्ति ट्यून करने योग्य लेजर 5-7 backscatter परिणामी पंजीकरण के प्रयोजन के लिए फाइबर में एक संकीर्ण बैंड संकेत शुरूआत। लेजर कई नैनोमीटर के अंतराल भर में बह जाता है और संकेत संदर्भ और माप पैरों के बीच विभाजित है। सेंसर से बिखरे हुए प्रकाश संदर्भ संकेत डिटेक्टरों में हस्तक्षेप संकेतों को उत्पन्न करने के साथ संयुक्त है। डिटेक्टर उत्पादन डिजीटल और रेले बिखरने संकेत पुनः प्राप्त करने के लिए विश्लेषण किया है। Rayleतरंग दैर्ध्य जहां सेंसर तापमान (तनाव, या आर्द्रता) परिवर्तन में सेंसर पारियों की igh हस्ताक्षर। इस तरंग दैर्ध्य पारी की भयावहता जो एक भौतिक फाइबर प्रकार है, जो एक अंशांकन कारक एक टीसी के Seebeck गुणांक के अनुरूप है के साथ जुड़े स्थिर है संवेदनशीलता, सेंसर से संबंधित है।
चित्रा 2 गिलास टैंक है कि परीक्षण के इस अध्ययन में इस्तेमाल खंड के रूप में कार्य करता है पता चलता है। टंकी के पीछे कैमरा पैमाने की भावना देता है। एयर दो हेक्सागोनल नलिकाओं के माध्यम से प्रवेश करती है और एक वेंट के माध्यम से बाहर निकलने से पहले घोला जा सकता है। जेट विमानों को उजागर करने के लिए, एक प्रवाह धारा तेल धुंध के साथ वरीयता प्राप्त था, जबकि अन्य शुद्ध हवा बने रहे। टैंक ढक्कन एक खिड़की एक काले रंग की बहुलक स्क्रीन के साथ कवर किया गया है। हालांकि तस्वीर में दिखाई नहीं देता, डीटीएस काली स्क्रीन के नीचे निलंबित कर दिया है।
के रूप में छवि में दिखाया गया है एक 50 मीटर लंबी डीटीएस टैंक के ढक्कन के नीचे रखा गया था। 3। यह 155 मीटर व्यास polyimide लेपित ऑप्टिकल फाइबर से फैशन की गई थीऔर 127 मीटर व्यास स्टील के तार टैंक अंत पैनल के बीच अनुभूत पर लटका दिया। सेंसर एक बारी पैटर्न में तार के माध्यम से बुना और आगे और पीछे की टंकी भर looped 49 बार किया गया था। यह एक 0.5 x 0.8 मीटर विमान तक फैला है और जब 10 मिमी अंतर के साथ oversampled 4067 डेटा अंक 4 हर्ट्ज पर 1,355 स्वतंत्र डेटा अंक और 30 मिमी के स्थानिक संकल्प, उत्पन्न करता है। इस तरह के उच्च घनत्व तापमान डेटा वेग डेटा पूरक है और सीएफडी सत्यापन के लिए डेटा सेट का मूल्य बढ़ जाता है। प्रोटोकॉल जबकि एक तरल गतिकी प्रयोग में डीटीएस का उपयोग करने में विशेष चिंताओं पर ध्यान केंद्रित सेंसर चयन, निर्माण, और विन्यास की प्रक्रिया की रूपरेखा।
हम एक तरल गतिकी प्रयोग में एक डीटीएस के उपयोग का प्रदर्शन किया है। इन सेंसरों का मुख्य लाभ यह माप बताते हैं कि एक भी संवेदक से प्राप्त किया जा सकता की बड़ी संख्या है। यहां इस्तेमाल डीटीएस, एक 0.5 x 0.8 मीटर विमान भर में 4,067 अंक पर डेटा उत्पन्न अब तक इस तरह के thermocouples के रूप में पारंपरिक बिंदु सेंसर का साध्य सीमाओं से परे। इस तरह के डेटा घनत्व ऐसी लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति (LIF) के रूप में ऑप्टिकल तकनीक से पार किया जा सकता है, एक डीटीएस अपारदर्शी तरल पदार्थ और अनुप्रयोगों है कि ऑप्टिकल उपयोग की कमी में कार्य करेंगे। एक डीटीएस के उच्च घनत्व डेटा कम्प्यूटेशनल फ्लूड डायनामिक्स कोड सत्यापन में शामिल प्रयोगों के लिए उपयुक्त है।
Baselining प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम और माप सटीकता का निर्धारण करने में महत्वपूर्ण है। एक इज़ोटेर्माल परीक्षण खंड सुनिश्चित करने के लिए जब baselined पूरे डीटीएस एक तापमान पर है आवश्यक है। यदि यह संभव नहीं है, टी आधार टी आधार (x) है, जो MAPP होना चाहिए हो जाता हैडीटीएस के बहुत पास में रखा कई टीसीएस द्वारा एड। हालांकि आधारभूत गुणवत्ता इस फैशन में सुधार किया जा सकता है, यह पूर्ण तापमान के लिए रूपांतरण के लिए मानकों को डीटीएस आधारभूत मानचित्रण की प्रक्रिया पेचीदा हो।
हमेशा आधारभूत के बाद तनाव के स्रोतों की तलाश में है, जो अप्रत्याशित संकेत पारियों लागू कर सकते हैं पर हो सकता है। इस तरह के स्रोतों कर रहे हैं, उदाहरण के लिए, परीक्षण खंड थर्मल विस्तार है कि सेंसर फैला है, समर्थन के आंदोलन, गतिशील लोड हो रहा है उच्च प्रवाह दरों से, या प्रवाह प्रेरित कंपन। इज़ोटेर्माल की शर्तों के तहत पूर्व और posttest माप इस तरह की समस्याओं की पहचान में मदद मिलेगी।
तनाव संवेदनशीलता इस रेले बिखरने आधारित डीटीएस की मुख्य कमी है। thermocouples की तरह पारंपरिक सेंसर के विपरीत, यह करने के लिए हैंडलिंग, आर्द्रता, और कंपन के प्रति संवेदनशील है। इन मुद्दों पर नंगे सेंसर विन्यास यहां प्रदर्शन के लिए सबसे अधिक प्रासंगिक है, लेकिन अब तक कम केशिकाओं में रखे सेंसरों के लिए महत्वपूर्ण हैं।
पारंपरिक सेंसर के विपरीत, एक डीटीएस कागजी कार्रवाई ऐसे NIST (मानक और राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी संस्थान) के रूप में एक मान्यता प्राप्त अंशांकन मानक के लिए यह ट्रेसिंग के साथ की खरीद नहीं की जा सकती। में सीटू calibrations आवश्यक हो, एक इज़ोटेर्माल परीक्षण खंड है, जो कुछ में मुश्किल हो सकता है के साथ बेहतर कर रहे हैं अनुप्रयोगों। कंपन एक बड़ी परीक्षा अनुभाग भर में अनुभूत नंगे फाइबर के लिए विशेष चिंता का विषय है। हम एक खड़ी उन्मुख सरणी है कि 1.7 मीटर की लंबाई खंड पर टैंक की लंबी अक्ष तक फैला के साथ मिश्रित सफलता मिली है। 28 मीटर फाइबर की और 16 खंडों के साथ एक विन्यास एक अध्ययन में 18 के दौरान अच्छा प्रदर्शन किया, लेकिन यह 53 मीटर 29 के साथ क्षेत्रों के लिए विस्तार करने के लिए 16 साल का था असफल प्रयास करता है।
सामान्य तौर पर, संकेत किसी भी सेंसर की लंबाई और विन्यास के लिए शोर पण लंबाई जिस पर प्रश्नकर्ता सॉफ्टवेयर रेले संकेत पारी की गणना करता है बढ़ाने के द्वारा कम किया जा सकता है, लेकिन यह प्रभावी स्थानिक संकल्प कम कर देता है। प्रत्येक आवेदनtion संकेत शोर और स्थानिक संकल्प के बीच अपने आप ही संतुलन कायम करना चाहिए। फिर, इस तरह की कठिनाइयों को काफी हद तक बढ़ाया थर्मल प्रतिक्रिया समय की कीमत पर एक केशिका में सेंसर आवास से बचा जा सकता है।
यह अपेक्षाकृत नया तापमान माप प्रौद्योगिकी के विकास की आवश्यकता है कंपन करने के लिए संवेदनशीलता को कम करने के लिए। इस काम के बहुत जरूरी प्रश्नकर्ता के हार्डवेयर और सॉफ्टवेयर शामिल होगी। सेंसर खुद भी हैंडलिंग और आर्द्रता में परिवर्तन, जो फाइबर कोटिंग्स से प्रभावित हैं करने के लिए संवेदनशीलता को कम करने के लिए सुधार किया जा सकता है। काम polyimide और वर्तमान में व्यावसायिक रूप से उपलब्ध acrylate लेपित फाइबर से बेहतर कोटिंग्स के विकास पर ध्यान केंद्रित कर सकता।
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 |