Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes

Summary

Wir demonstrieren die Verwendung eines faseroptischen verteilten Sensor zum Abbilden des Temperaturfeldes Luftstrahlen zu mischen. Die Rayleigh-Streuung-basierten Sensor erzeugt Tausende von Datenpunkten entlang einer einzelnen Faser außergewöhnliche räumliche Auflösung zu schaffen, die mit herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente unerreichbar ist.

Abstract

Die Zuverlässigkeit der Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes wird durch den Vergleich Simulationen mit experimentellen Daten überprüft. Ein typischer Datensatz besteht hauptsächlich aus Geschwindigkeit und der Temperatur, die beide ideal hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu strengen Code-Validierung zu erleichtern. Während hochauflösende Geschwindigkeitsdaten leicht durch optische Messtechniken wie Particle Image Velocimetry erhalten wird, hat es sich als schwierig erwiesen, Temperaturdaten mit ähnlicher Auflösung zu erhalten. Traditionelle Sensoren wie Thermoelemente können diese Rolle nicht ausfüllen, aber die jüngste Entwicklung von verteilten Erfassung basierend auf der Rayleigh-Streuung und gefegt Wellen Interferometrie bietet Auflösung geeignet für CFD-Code-Validierung Arbeit. Tausende von Temperaturmessungen entlang einer einzigen dünnen Lichtleitfaser an Hunderten von Hertz erzeugt werden. Sensoren arbeiten über große Temperaturbereiche und innerhalb undurchsichtigen Flüssigkeiten, wo optische Techniken ungeeignet sind. Aber diese Art von Sensorist sowie Temperatur und so wird die Genauigkeit beeinflußt durch die Handhabung, Vibrationen und Verschiebungen in der relativen Feuchtigkeit auf Dehnung und Feuchtigkeit empfindlich. Ein solches Verhalten ist ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren und so unkonventionelle Installation und Betriebsverfahren sind notwendig, um genaue Messungen zu gewährleisten. Dieses Papier zeigt Implementierung einer Rayleigh-Streuung-Typ verteilten Temperatursensor in einem Experiment thermischen Mischen von zwei Luftstrahlen bei 25 und 45 ° C beteiligt sind. Wir präsentieren Kriterien Auswahl der optischen Faser für den Sensor zu führen und Installations-Setup für einen Jet-Mischexperiment beschreiben. Wir zeigen Sensor Baselining, die Messwerte zu einer absoluten Temperatur-Standard verbindet, und praktische Fragen wie Fehler aufgrund von strömungsinduzierten Vibrationen. Dieses Material kann die Interessenten bei Temperaturmessungen mit hoher Datendichte und Bandbreite für Fluiddynamik Experimente und ähnliche Anwendungen unterstützen. Wir heben Tücken speziell für diese Sensoren für consideration in Versuchsplanung und Betrieb.

Introduction

Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes werden verwendet, um eine Vielzahl von Fluidsystemen zu simulieren, von Luftstrom um Flugzeuge und Automobile den Blutfluss auf eine arterielle. Der Umfang und die Genauigkeit solcher Simulationen mit der Verfügbarkeit von Computerleistung gewachsen. Doch trotz der Komplexität der komplexen Simulationen, ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind oft schwer zu quantifizieren. In der Praxis wird die Genauigkeit von CFD-Codes beurteilt durch Simulationen mit experimentellen Daten in einem Prozess namens Codevalidierung vergleicht.

Eine typische experimentelle Datensatz besteht hauptsächlich aus Geschwindigkeit und Temperaturmessungen, die beide im Idealfall mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung strengen Code-Validierung zu erleichtern. Geschwindigkeitsfelder können bei hoher Auflösung mit Particle Image Velocimetry (PIV), eine gut etablierte optische Technik ^1,2 abgebildet werden. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, Temperaturfelder mit einer Auflösung vergleichbar mit der von PIV zu kartieren. Optical Techniken wie Laserinduzierte Fluoreszenz zur Verfügung ^3,4, aber sie erfordern relativ Kameras und Hochleistungslaser und sind ungeeignet für die opake Flüssigkeiten.

Eine Alternative ist in der relativ neuen Technik der verteilten Temperaturerfassung auf Basis von Rayleigh - Streuung und gefegt-Wellenlängen - Interferometrie (SWI) ^5-7 erhältlich. Tausende von Temperaturmessungen entlang einer einzigen optischen Faser erfasst werden. Eine verteilte Temperatursensor (DTS) kann in Umgebungen großer Strömungsfelder und Funktions erstrecken , die ⁸ für die bildbasierte Techniken ungeeignet sind. Es gibt auch DÜAs basierend auf Raman und Brillouin - Streuung ^9,10, aber Sensoren basierend auf Rayleigh - Streuung und SWI bieten räumliche und zeitliche Auflösung besser geeignet für typische Strömungsdynamik Experimenten.

Obwohl DÜAs Angebot Datendichte weit über die herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente (TCs), Sensoren auf Basis von Rayleigh scatteRing reagieren sowie Temperatur ¹¹ bis belasten. Wenn die Faserbeschichtung hygroskopisch ist, Sensoren reagieren auch auf Feuchtigkeit ^12,13 ändert. Absorption von Wasserdampf quillt die Beschichtung während der Desorption es ¹⁴ schrumpft, was die darunter liegenden Glasfaser - Stämme und ändert das Signal. Als Ergebnis wird die Genauigkeit durch die Handhabung, Vibrationen und Verschiebungen in der relativen Feuchtigkeit beeinflußt. Das ist ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren und so unkonventionelle Installation und Messverfahren zu beachten, genaue Daten zu erhalten. Dieses Papier zeigt die Verwendung eines DTS in einem thermischen Mischexperiment, ein Protokoll und Richtlinien präsentiert Genauigkeit sicherzustellen.

Die DTS verwendet hier basierend auf der Erfassung und Analyse der Rayleigh-Streuung innerhalb eines faseroptischen Wellenleiter. Eine zufällige Verteilung von Verunreinigungen und Strukturvariationen entlang des Faserkerns führt zu einem Rückstreumuster, das auf die Faser und in der Regel stabile einzigartig ist. Das Spektrum und die Amplitudenkann dieses Musters als Fasersignatur zu dienen gelesen werden. Physikalische Veränderungen wie Temperaturverschiebungen oder Dehnung verändern die Unterschrift in einer wiederholbaren Art und Weise und Variationen Signaturerfassungs ist die Basis, die Faser als Sensor für die Verwendung.

Abbildung 1 zeigt die Hauptkomponenten des optoelektronischen Erfassungseinrichtung, eine optische verteilten Sensorabfrage genannt und hier einfach als "Abfrageeinrichtung " bezeichnet. In einer Technik , die als Swept-Wellenlängen - Interferometrie bekannt ist , startet ein Low - Power - abstimmbaren Laser ein Schmalbandsignal in die Faser für die Zwecke resultierende Backscatter ^5-7 zu registrieren. Der Laser wird in einem Intervall von mehreren Nanometern gekehrt und das Signal aufgeteilt zwischen Referenz- und Messbeinen. Streulicht von dem Sensor mit dem Referenzsignal kombiniert, um Interferenzsignale an den Detektoren zu erzeugen. Detektorausgang wird digitalisiert und analysiert, um das Streusignal Rayleigh abzurufen. Die Rayleigh Unterschrift der Sensor Verschiebungen in der Wellenlänge in dem Sensortemperatur (Stamm oder Feuchtigkeit) ändert. Die Größe dieser Wellenlängenverschiebung bezieht Empfindlichkeit Sensor, der eine physikalische Konstante ist, mit dem Fasertyp verbunden, die einen Kalibrierungsfaktor analog dem Seebeck-Koeffizienten eines TC hat.

Abbildung 2 zeigt den Glasbehälter, der als Teststrecke in dieser Studie verwendeten dient. Die Kamera hinter dem Tank gibt ein Gefühl der Skala. Luft tritt durch zwei hexagonalen Kanälen und vermischt, bevor sie durch eine Entlüftungsöffnung austritt. Um die Jets zu markieren, wurde ein Durchflussstrom mit Ölnebel ausgesät, während der andere reine Luft blieb. Der Tankdeckel hat ein Fenster mit einem schwarzen Bildschirm Polymer bedeckt. Obwohl nicht sichtbar auf dem Foto wird das DTS unter dem schwarzen Bildschirm suspendiert.

Eine 50 m lange DTS wurde unter dem Tankdeckel montiert , wie in Fig. 3. Es wurde geformt aus 155 & mgr; m Durchmesser mit Polyimid beschichteten optischen Faserund hängte auf 127 & mgr; m Durchmesser Stahldraht zwischen Tank Endplatten aufgereiht. Der Sensor wurde durch den Draht in einem alternierenden Muster gewebt und hin und her über den Tank 49 mal durchgeschleift. Es erstreckt sich über eine 0,5 x 0,8 m-Ebene und erzeugt 1.355 unabhängige Datenpunkte bei 4 Hz und räumlichen Auflösung von 30 mm, 4.067 Datenpunkte, wenn sie mit 10 mm Abstand überabgetastet. Eine solche hohe Dichte Temperaturdaten ergänzt Datengeschwindigkeit und erhöht den Wert von Datensätzen für die CFD-Validierung. Das Protokoll beschreibt den Prozess der Sensorauswahl, Fertigung und Konfiguration, während bei der Verwendung der DTS in einem Fluiddynamik Experiment auf die besonderen Belange konzentrieren.

Protocol

1. Wählen Sie Optimal Sensortyp für Anwendung

1. Wählen Sensorlänge basierend auf Kompromiss zwischen Abtastgeschwindigkeit und der Anzahl der Datenpunkte.
   HINWEIS: Eine Abfrageeinrichtung Proben Sensoren bis zu 50 m Länge bei 2,5 Hz und Auflösung <10 mm, während die anderen Proben-Sensoren bis zu 10 m Länge bei 5 mm Auflösung und 100 Hz.
2. Wählen Sie eine Art von Single-Mode-optische Faser basierend auf den Anforderungen für Service-Temperaturgrenzen, Zeitverhalten, Feuchtigkeitsempfindlichkeit und Anlagenkonfiguration (blank oder in Kapillare).
   HINWEIS: Hier haben wir verwendet, 155 & mgr; m Durchmesser polyimidbeschichteten Singlemode-kommerziellen Telekommunikations-Glasfaser.
   HINWEIS: Siehe Tabellen 1 und 2 als Beispiele für Fasern und Konfigurationen wir in unserem Labor verwendet haben.

2. Installieren Sie Optical Fiber in Test Sektion

1. Offene Messstrecke von einem der langen Glasseitenplatten zu entfernen.
2. Bohrer 1 mm Durchmesser Löcherin den Seitenwänden 3 mm unterhalb Deckel für Drahtanker (Fig. 3).
   HINWEIS: Anker halten Stahldraht, die den Sensor unterstützen. Die Anker Tonhöhe kann in Übereinstimmung mit Testabschnittsgröße und der erwarteten dynamischen Belastung von Strömung variiert werden. Die 20-mm-Raster verwendet hier erwies sich als stabil bei minimaler Vibration in Fluss in der Nähe von 1 m / sec. Vibration korrumpiert DTS - Signale und ist problematischer mit langen Sensoren ^15,16.
3. String ein 127 & mgr; m Durchmesser Stahldrahtsegment über den Testabschnitt durch sie zu einem Messing Anker an jedem Ende des Tanks zu binden. Wiederholen, bis es insgesamt 47 Drahtsegmente über den Tank aufgereiht sind.
4. Schneiden Sie 50 m von Glasfaser-Kommunikation / Elektriker Schere mit Reserve mit in Splicing-Anschluss und Beendigung Faser verbraucht werden (wahrscheinlich <0,5 m, aber abhängig von Tüchtigkeit bei Spleißen). Sammeln diese Faser auf eine kleine Spule, ~ 50 mm im Durchmesser.
5. Legen Sie den ersten Sensor-Segment an einem Rand der Fläche gewählte Temperatur Witz zu messenh das Sensor-Array.
   HINWEIS: Nach dem ersten Segment in Position fixiert ist, wird die Faser für ein benachbartes Segment geschleift werden, in ihrer Position fixiert, und mehr Faser für das nächste Segment in einem sich wiederholenden Prozess verzichtet, die das Array aufbaut, bis das gesamte Faser verwendet wird.
6. Weben die Faser oberhalb und unterhalb benachbarter Drähte, Arbeiten von einer Seite des Tanks zur anderen, Dispensieren Faser von der Spule nach Bedarf.
   HINWEIS: Die Faser senkrecht zu dem Draht ist , wie in gezeigt. 3 mit der Webart sie gegen die Schwerkraft in einer Richtung und Strömung in dem anderen zu unterstützen.
7. Befestigen jedes Endes des ersten Fasersegment an dem Deckel mit üblichen Klar Band oder Polyimidfilm Band. Das erste Segment des Arrays ist jetzt an seinem Platz.
   HINWEIS: Verwenden Sie nicht beheben Sensor wie eine Gitarrensaite gespannt, sondern straff genug gerade sein und sichtbar schlaff aufzunehmen. Wenn der Sensor gespannt wird, kleine Verformungen in dem Träger, beispielsweise thermische expansion des Deckels wird diese Spannung verändern und anomale Signal-Offsets und Messfehler erzeugen.
8. Schleife der Faser 180 Grad es zurück für das nächste Segment zurück , wie in Fig. 4 und mit Klebeband an dem Deckel in einem Abstand von 10 mm von dem ersten Segment.
   HINWEIS: Minimieren Sie die Schleifendurchmesser da es sich um "verschwendete Faser" (nicht Teil des Arrays), aber es sollte in etwa 30 mm oder mehr für eine tolerierbare Spannungen sein. Die Faser hier verwendet hat 30 mm Durchmesser toleriert Schlaufen für mehrere Monate ohne merkliche Signalverlust, sondern Grenzen wird mit Fasertyp variieren. Für die Faser hier verwendet wird, legt der Hersteller die "kurzfristige" Biegeradius Grenze als ≥ 10 mm und "langfristige" Grenze als ≥ 17 mm.
9. Wieder weben die Faser zwischen den Drähten in Richtung der gegenüberliegenden Seite des Behälters und das Band in Position. Wiederholen Sie den Looping, Taping und Weben Prozess, bis die gesamte Faser verwendet wird.

3. Splice Connector und Termination zu Fiber

1. Splice ein LC-Typ Single - Mode - Stecker an einem Ende der Faser mit einem Spleißgerät gemäß Herstellerangabe ¹⁷ verwendet wird .
2. Cut ~ 0,25 m Beendigung Faser mit dem Elektriker / Kommunikation Schere und Spleiß an das andere Ende der Faser wieder mit einem Spleißgerät gemäß Herstellerangabe.
   HINWEIS: Diese Baugruppe (Faser, Stecker und Terminierung) wird nun als "Sensor" bezeichnet werden. Die Beendigung Faser streut Restsignal von dem Laserimpuls zu verhindern, dass an die Abfrageeinrichtung zurückkehrt.

4. Sensorkonfiguration

1. Stecken Sie den LC-Stecker Ende des Sensors in der Abfrage Port und Konfigurationssoftware starten.
2. Generieren Sensoramplitudendaten durch "Acquire" (Unterschied von Temperaturdaten) die Auswahl, die automatisch angezeigt wird, wenn der Scanvorgang abgeschlossen ist.
   HINWEIS: Die Spur für einen Sensor mit guten Klebestellen wird das Gen habenral Charakteristiken in Fig. 5. Eine schlechte Spleiß kann durch eine unscharfe Rauschen oder dominant Reflexion angezeigt werden , wenn der Stecker wird erwartet. Wenn ein armer Spleiß vermutet wird, zu Schritt 3 zurückzukehren und Splicing Vorgang wiederholen.
3. Wählen Sie den aktiven Teil des Sensors durch den gelben Cursor auf dem Bildschirm zu Beginn des Sensors und der rote Cursor an das Ende gezeigt ziehen.
4. Geben Sie dem Sensor einen Namen und wählen Sie "Sensor-Dateien speichern".
   HINWEIS: Der Sensor ist nun konfiguriert und einsatzbereit.
5. Schließen Sie die Konfigurationssoftware und wechseln auf die Mess-Software.

5. Karte Sensorposition im Test Sektion

1. Starten Sie die Messsoftware Abfrageeinrichtung und laden Sie den Sensor einfach konfiguriert.
2. Schließen Sie einen Lötkolben zu einem variablen Transformator auf ~ 40%, Vorwärmen für 5-10 min.
   HINWEIS: Die Lötkolben lokale Temperaturspitzen für die Abbildung erzeugt. Ein Lötkolben kann melt die Faserbeschichtung und ruinieren den Sensor so mit einem niedrigen Transformator Einstellung zu starten, gerade genug Leistung mit klaren Spitzen zu erhalten. A 10-20 ° C Spike genügt für diesen Prozess.
3. Wählen Sie "Messen" in der Abfragesoftware Live-Daten auf dem Bildschirm zu zeichnen.
4. Verkleinern den gesamten Sensor auf dem Bildschirm angezeigt werden soll.
5. Halten Sie Lötkolben in der Nähe von Sensor und berühren sie kurz an der ersten Abbildungspunkt, hier das Segment am weitesten aus dem Schlot , wo sie den Deckel trifft (Abb. 4).
6. Die Bilanz Position der Temperaturspitze als durch Software angezeigt zusammen mit dem entsprechenden physischen Standort innerhalb Teststrecke.
7. Wiederholen 5,5-5,6 die Endpunkte aller 49 Segmente abzubilden.

6. Sensor Baseline: Der Link zur absoluten Temperatur

1. Position einen oder mehrere Temperaturstandards, zB TC oder Widerstandstemperaturfühler (RTD), in der Nähe der DTS als Standard - Verknüpfung DTS Lesungen absolute te dienenmperatur.
2. Schließen Sie den Tank durch die lange Glasseitenplatte zu ersetzen, die in Schritt 2.1 entfernt wurde.
3. Isolieren Sie den Tank, indem sie in Decken oder konventionelle Dämmplatten Einwickeln und lassen Sie es über Nacht sitzen eine isotherme Atmosphäre zu schaffen.
4. Starten Sie die Abfrageeinrichtung Software, wählen Sie "Baseline" (oder "Tara") und gleichzeitig beachten / notieren Sie die TC (oder RTD) Lesen. Wenn Software mit der Basislinie beendet ist, wählen Sie "messen" Live-Daten zu zeichnen, die Qualität der Basislinie zu untersuchen.
   HINWEIS: Diese kritische Schritt legt die DTS - Basislinie und das Signal sollte nun zeigen Null, dh AT (x) = 0 ± ein Bruchteil eines Grades. Von nun an wird das Signal variieren als Tanktemperatur von der Temperaturreferenz abweicht: AT (x) = T (x) _abs - T _Base, wobei T (x) _abs die absolute Temperatur entlang der Faser und T _Base ist das Basis Temperatur ^6,18. Wenn der Test Section ist nicht - isothermen, wird T _Base eine Funktion der Position sein, dh T _Basis (x) und die Genauigkeit beeinträchtigt wird , es sei denn T _Basis (x) mit mehr als einem TC oder RTD (siehe Diskussion Abschnitt) zugeordnet ist. nicht Bewegen oder berühren sie den Sensor bis zum Schritt 7 abgeschlossen ist. es in irgendeiner Weise Belasten einführen können Offsets , die Messgenauigkeit verschlechtern.
5. Untersuchen Sie das Live-Signal, das nicht weit von Null treiben sollte. Wenn Drift übermäßige für die Anwendung ist (unsere Grenze ist etwa 0,5 ° C nach ca. 5 min), mehr Zeit für die Teststrecke ermöglichen, ein thermisches Gleichgewicht und / oder Verbesserung der Isolierung (siehe Anmerkung unten) und wiederholen Sie dann Schritt 6.4 erreichen.
   HINWEIS: Die Signalqualität ist immer am besten unmittelbar nach dem Beginn und im Laufe der Zeit driften in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung innerhalb der Teststrecke. Eine gute Isolierung und lange Wartezeiten vor dem Grundfutter reduziert Drift und Messfehler. Beträchtliche, deuten auf eine rasche Driften der Teststrecke ist nichtisothermen, was zu ungenauen Messungen letztlich führen wird.
6. Wählen Sie die Logging-Funktion in der Abfragesoftware und aufzeichnen 10-100 Scans von DTS-Daten für die gleichen stagniert, isothermen Bedingungen verwendet nur die Basislinie zu erzeugen. Nehmen Sie auch die TC / RTD Lesen.
   Hinweis: Dies ist Reservedaten für Nachtest Kontrollen von Offsets, die durch den Stamm von Strömung oder unerwartete Verformung des Testabschnitts oder Träger erzeugt werden können.

7. Run Test

1. Schalten Sie den Kompressor Luftstrom zu erzeugen und Stromregler anpassen, um Durchflussmengen bei 1,25 kg / s pro Kanal entsprechen.
   HINWEIS: Durchschnittliche Eintrittsgeschwindigkeit beträgt 1,1 m / sec und Reynolds-Zahl ist 10.000.
2. Set Heizleistungs bis 600 W, um die Ost-Jet 20 ° C über der Weststrahl zu erwärmen, die bei Umgebungstemperatur ist.
3. Lassen Sie das System über Nacht laufen Gleichgewicht zu erreichen.
4. Am nächsten Tag untersuchen Live-DTS-Signal Geräuschpegel zu beurteilen. Wählen Sie den Sensor "gage length "in der Software akzeptablen Geräuschpegel zu erreichen (30 mm Lehre wird hier verwendet).
   HINWEIS: Messlänge entspricht räumlicher Auflösung zum Sensor. Im Allgemeinen wird das Signalrauschen nimmt zu, wenn Messlänge ab, und als strömungsinduzierten Vibrationen erhöht (siehe Bedienungsanleitung und Referenz 13 und 14).
5. Melden 2000 DTS-Scans bei 4 Hz.
6. Schalten Sie Heizleistungs und Luftstrom. Lassen Sie den Tank über Nacht sitzen Gleichgewicht zu erreichen und 10-100 DTS-Scans erfassen die Pre-Testdatensatz für Nachtest Offset Prüfungen gespeichert zu ergänzen.

8. Datenanalyse

1. Wählen Sie das Post-Processing-Funktion im Hauptfenster der Abfragesoftware und importieren Sie die Testdaten, die in einem speziellen binären Format ist.
2. Exportieren Sie die Daten als Textdatei, die von herkömmlichen Tabellenkalkulationsprogrammen gelesen werden kann.
   HINWEIS: Diese Daten repräsentieren gemessenen & Delta; T entlang der Faser , wo AT (x) = T (x) _abs - T - _Basis. Es enthält keinen Hinweis aufPosition in der Meßstrecke (siehe Fig. 6). Weitere Informationen finden Sie im Handbuch für den Interrogator Benutzer und Referenzen 6 und 16 für diesen Schritt und die nächste.
3. Import von Textdaten in einem herkömmlichen Tabellenkalkulations und konvertieren zur absoluten Temperatur von T _Baseline hinzufügen, gemessen von TC oder RTD in Schritt 6.4, auf alle Daten.
   HINWEIS: Die Umstellung auf die absolute Temperatur ist nur ein Einzelwert - Offset - Korrektur: T (x) _abs = & Delta; T (x) + T _Baseline , da wir festgelegt haben , dass der Testabschnitt isothermen während der Baseline war.
4. Verwendung Tabellenkalkulationsprogramm oder ein ähnliches Datenmanipulationsprogramm T (x) Daten zu zersetzen und zu physikalischen Positionen innerhalb der Meßstrecke Karte wie die in den Figuren 7 und 8 gezeigt.
   HINWEIS: Das Programm wird die Daten mit dem Lötkolben in Schritt 5 gesammelt nutzen.

Representative Results

Raw DTS - Daten werden in Fig aufgetragen. 6 zeigt gemessene & Dgr; T von der Basistemperatur (etwa 20 ° C) gegenüber dem Abstand entlang des Sensors. Die Daten sind "rohe" in dem Sinne, dass es weder zu der absoluten Temperatur noch abgebildet physikalischen Positionen innerhalb der Teststrecke umgewandelt. Die Daten basieren auf einer 30 mm Messlänge, die 1.666 unabhängige Messungen über die gesamte Sensorlänge von 50 m zur Verfügung stellt. Der 30 mm gage wurde bei 10 mm Intervallen in einem Überabtastungsmodus angewendet, die die Anzahl der Datenpunkte auf 5.000 erhöht. Derartige Datendichte ist mit konventionellen Sensoren, wie TCs nicht praktikabel.

Bei x = 0 in Fig. 6 der Sensor befindet sich am östlichen Ende des Tanks, und als x erhöht es Schleifen hin und her in Richtung West End. Peaks auftreten, in denen der Sensor über den heißen Osten Strahl passiert und dann verblassen, wo es über die kalte Westen je istt. Die Handlung zeigt, wie auch das Ausgangssignal von einem einzigen DTS eine grundlegende Darstellung der Temperatur über einen ziemlich breiten Bereich zur Verfügung stellen kann. Beachten Sie das Signalrauschen in Richtung Westen Ende der Faser, die strömungsinduzierten Schwingung zurückzuführen ist. Obwohl Schwingung mit dem bloßen Auge nicht sichtbar war, war es ausreichend, um das Signal zu verschlechtern, und wir sehen dieses Problem am häufigsten mit langen Sensoren (> 10 m).

Die Rohdaten werden auf der Teststrecke in Abb abgebildet. 7, die von der DTS - Array gebildet Temperatur über die 0,5 x 0,8 m Messebene zeigt. Die Sicht von oben dem Tank nach unten auf den Deckel. Umrisse der hexagonalen Kanäle sind als Orientierungshilfe enthalten. Die Kontur basiert auf 4.067 Datenpunkte, da die Schlaufen unter dem Deckel geklebt sind ausgeschlossen. Die lineare Interpolation zwischen benachbarten Sensorsegmente wurde verwendet, um die 2D-Kontur zu erstellen.

the Kontur bietet einen klaren Sinn für das Wärmemuster unterhalb des Deckels mit einer warmen Region im Osten Jet, aber um ihn herum nicht zentriert. Auch evident ist eine grobe Symmetrie um den Tank Midplane, die y = 0 auf dem Grundstück ist. Diese Art von Temperaturdaten ist eine nützliche Ergänzung zu Geschwindigkeitsdaten in der Fluiddynamik Studien Wärmedurchmischung und Wärmeübertragung beteiligt sind. Rigorose Code-Validierung erfordert eine solche hochauflösende Daten sowohl für die Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder.

Die gleichen Sensordaten können verarbeitet werden, um die Größe der Temperaturschwankungen zu offenbaren. Die RMS (root mean square) der 2000 - Scan - Datensatz ist in Abbildung 8 dargestellt. Magenta markiert den Bereich , in dem Temperaturschwankungen sind relativ hoch. Dies ist auch ein Bereich mit hoher Turbulenz in dem die beiden Strahlen steigenden als impinge am Deckel zusammenwirken. RMS-Daten ist für Turbulenzmodellierung im Rahmen der thermischen Durchmischung nützlich.

Abbildung 1. Befrager schematisch. Prinzip Komponenten optischer verteilten Sensorabfrageeinrichtung für Temperaturmessungen. Das System basiert auf swept-Wellenlängen - Interferometrie, die die Rayleigh - Rückstreu - Signatur des Sensors charakterisiert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 2. Test Abschnitt Luftstrahl - Mischexperiment. Luft gelangt Tank durch die Basis über zwei hexagonalen Kanäle und die Mischungen vor durch die obere Lüftungs verlassen. Der schwarze Bildschirm , um den Deckel Fensterabdeckung ist 3 mm über den DTS (nicht sichtbar). Plerleichtern klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 3. DTS Montagekonfiguration. Draufsicht der Tank über die lange Achse des Tanks aufgereiht DTS gewebt zwischen Stahlstützdrähten zeigt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4. DTS close-up. Close-up - Foto von DTS mit Blick von innen Tank nach oben auf Deckel Sensorschleifen zu markieren, Befestigung und Ort des ersten Testpunkt mit Lötkolben abgebildet werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version zu sehen dieses fiAbbildung.

Abbildung 5. Rayleigh - Streuung Signal. Typische Rayleigh - Streuung Signal mit Sensor - Konfigurationsprogramm (Kurz Sensor für Klarheit hier gezeigt) aufgezeichnet. Ein ordnungsgemäßer Abschluß wird scharf Signalabfall zu Rauschen erzeugen. Die geringe Signal Schritt nach oben und bescheiden Reflexion an der Anschluss ist charakteristisch für einen richtig gespleißt Anschluss. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 6. Raw DTS - Daten. Ein einzelner Scan von Roh - DTS - Daten mit dem heißen Ost-Jet bei 45 ° C und kalten Weststrahl bei 25 ° C Peaks auftreten, in dem Sensor direkt oben heißen Strahl. Daran erinnern , dass der Sensor Looping hin und her zwischen Tankwänden. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 7. gemessene Lufttemperatur unter Deckel. DTS - Rohdaten zur absoluten Temperatur umgewandelt und abgebildet physikalische Position innerhalb des Tanks. Die Daten basieren auf 2.000 Scans bei 4 Hz protokolliert. Datenabstand 10 mm für eine Gesamtmenge von 4.067 Datenpunkte aufgetragen. Die lineare Interpolation zu füllen Regionen zwischen Sensorsegmenten eingesetzt. Hexagons zeigen Positionen von Einlässen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 8. Root - Mean - Square (RMS) der gemessenen Temperatur. RMS von Daten aufgezeichnet in Fig. 7. Magenta zeigt eine hohe Temperaturschwankungen und thermische Vermischung von heißen und kalten Jets. Hexagons zeigen Positionen von Einlässen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Tabelle 1. Ordnung der Größenordnung thermischen Reaktionszeit für ausgewählte Fasertypen und Gehäusekonfigurationen im Kreuzstrom bei 1 m / s und 20 ° C.

Tabelle 2 Ungefähre Betriebstemperaturgrenzen und Feuchtigkeitsempfindlichkeit für ausgewählte Beschichtungskonfigurationen.

Discussion

Wir haben die Verwendung von einem DTS in einem fluid dynamics Experiment gezeigt. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist die große Anzahl von Messpunkten, die von einem einzelnen Sensor erhalten werden kann. Die DTS verwendet hier erzeugten Daten bei 4.067 Punkten in einer 0,5 x 0,8 m Ebene, weit über die Grenzen herkömmlicher praktikabel Punktsensoren wie Thermoelemente. Während solche Datendichte kann durch optische Techniken wie Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) überschritten werden, wird eine DTS in undurchsichtigen Flüssigkeiten und Anwendungen funktionieren, die optischen Zugang fehlt. Die hohe Datendichte einer DTS eignet sich für die in Computational Fluid Dynamics-Code-Validierung beteiligt Experimente.

Baselining ist der kritische Schritt im Protokoll und zentral in die Messgenauigkeit zu bestimmen. Ein isothermen Testabschnitt ist wesentlich die gesamte DTS ist bei einer bestimmten Temperatur zu gewährleisten, wenn eine Baseline. Wenn dies nicht möglich ist, wird T _{Base Base} T (x), die mapp sein sollteed durch den DTS in unmittelbarer Nähe platziert TCs mehrere. Obwohl Basisqualität kann auf diese Weise verbessert werden, erschwert es, den Prozess der DTS Basislinie der Zuordnung zu den Standards für die Umstellung auf die absolute Temperatur.

Immer auf der Suche nach Quellen der Stamm nach dem Beginn der Studie, die unberechenbar Signalverschiebungen einführen können. Solche Quellen sind zum Beispiel Meßstrecke Wärmeausdehnungs, die den Sensor erstreckt, die Bewegung von Trägern, dynamische Belastung von hohen Flußraten oder strömungsinduzierten Vibrationen. Die Vor- und Nachtest Messungen unter isothermen Bedingungen helfen, solche Probleme zu identifizieren.

Dehnungsempfindlichkeit ist das größte Manko dieser Rayleigh-Streuung-basierte DTS. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente, ist es empfindlich gegenüber Handhabung, Feuchtigkeit und Vibration. Diese Fragen sind am wichtigsten für die bloßen Sensorkonfiguration hier gezeigt, aber weit weniger wichtig für die in Kapillaren untergebracht Sensoren.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren kann ein DTS nicht mit Papierkram es zu einer anerkannten Kalibrierungsstandard wie NIST (National Institute of Standards and Technology) Tracing beschafft werden. In-situ - Kalibrierungen erforderlich sind, vorzugsweise mit einem isothermen Teststrecke, die in einigen schwierig sein kann , Anwendungen. Die Vibration ist von besonderer Bedeutung für die blanke Faser in einem großen Testabschnitt aufgereiht. Wir haben mit einem vertikal ausgerichteten Array gemischtem Erfolg hatte, dass die lange Achse des Tanks bei Segmentlängen von 1,7 m erstreckt. Eine Konfiguration mit 28 m Faser und 16 Segmente während einer Studie ^18, gut durchgeführt , aber versucht , es war nicht erfolgreich ¹⁶ bis 53 m mit 29 Segmenten zu verlängern.

Im allgemeinen Signalrauschen für jede Sensorlänge und Konfiguration kann durch Erhöhung der Messlänge, über die die Abfragesoftware die Verschiebung Rayleigh-Signal berechnet verringert werden, aber dies reduziert die effektive räumliche Auflösung. Jede Anwention muss sein eigenes Gleichgewicht zwischen Signalrauschen und räumlicher Auflösung schlagen. Wiederum können solche Schwierigkeiten weitgehend durch das Gehäuse des Sensors in einer Kapillare auf Kosten der längeren thermischen Reaktionszeit vermieden werden.

Diese relativ neue Temperaturmesstechnik erfordert Entwicklung Schwingungsanfälligkeit zu reduzieren. Ein großer Teil dieser Arbeit wird notwendigerweise die Abfrageeinrichtung Hard- und Software beinhalten. Die Sensoren selbst können auch Empfindlichkeit gegenüber Handhabung und Feuchtigkeitsänderungen zu reduzieren, verbessert werden, die von den Faserbeschichtungen betroffen sind. Könnten die Arbeiten konzentrieren sich auf Beschichtungen überlegen dem Polyimid und Acrylat-beschichteten Fasern zur Zeit im Handel erhältlich entwickeln.

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