우리는 공기 제트를 혼합하는 온도 영역을 매핑하기 위해 광섬유 분배 센서의 사용을 입증한다. 레일리 산란 기반 센서는 열전대와 같은 전통적인 센서를 얻기 어려운 뛰어난 공간 해상도를 제공하는 단일 섬유를 따라 데이터 포인트의 수천을 생성합니다.
전산 유체 역학 (CFD) 코드의 신뢰성 실험 데이터와 시뮬레이션을 비교하여 확인한다. 전형적인 데이터 세트의 속도와 온도 판독 주로 모두 이상적 코드 엄격한 검증을 용이하게 높은 시공간 해상도를 갖는 이루어져있다. 고해상도 데이터 속도 용이 이러한 입자 화상 속도계의 광학 측정 기술을 통해 얻어지는 반면, 유사한 해상도 온도 데이터를 획득하는 것이 곤란 입증되었다. 열전대와 같은 기존의 센서는이 역할을 채울 수는 없지만, 레일리 산란과 휩쓸 전파 간섭을 기반으로 분산 된 센싱의 최근 개발 CFD 코드 검증 작업에 적합한 해상도를 제공합니다. 온도 측정 수천 헤르츠의 수백에 하나의가는 광섬유를 따라 생성 할 수 있습니다. 센서는 넓은 온도 범위 및 광학 기술이 적합하지 않은 불투명 한 액체 내에서 작동합니다. 그러나 이런 유형의 센서변형 및 습도뿐만 아니라 온도에 민감 때문에 정확도, 처리 진동, 상대 습도의 변화에 의해 영향을 받는다. 이러한 동작은 매우 전통적인 센서 달리 등 자유로운 설치 및 운영 절차는 정확한 측정을 보장하기 위해 필요하다. 이 논문은 25, 45 ° C에서 두 개의 에어 제트를 포함하는 열 혼합 실험에서 레일리 산란 형 분산 온도 센서의 구현을 보여줍니다. 우리는 센서 광섬유의 선택을 안내하고 제트 혼합 실험을 위해 설치 설정을 설명하는 기준을 제시한다. 우리는 진동을 유발 흐름에 의한 오류로 절대 온도의 표준 수치를 연결 센서 기준선을 설명하고, 실질적인 문제에 대해 설명합니다. 이 물질은 유체 역학 실험 및 유사 애플리케이션을위한 높은 데이터 밀도와 대역폭을 가지는 온도 측정에 관심이 도움이 될 수 있습니다. 우리는 considera 이러한 센서 특정 함정을 강조실험 설계 및 운영에 기.
전산 유체 역학 (CFD) 코드 혈류 동맥 아래 비행기, 자동차 주변 공기에서 유체 시스템의 다양한 시뮬레이션하기 위해 사용된다. 이러한 시뮬레이션의 범위 및 정확도는 컴퓨팅 파워의 가용성으로 성장했다. 그러나 고급 시뮬레이션의 복잡성에도 불구하고, 자신의 정확성과 신뢰성은 종종 정량화하기 어렵다. 실제로, CFD 코드의 정확성은 프로세스 호출 코드 검증에서 실험 데이터와 시뮬레이션을 비교함으로써 평가된다.
전형적인 실험 데이터 세트, 코드 엄격한 검증을 용이하게하기 위해 이상적으로 높은 공간 및 시간 해상도를 모두 속도 및 온도 측정 주로 이루어져있다. 속도 필드는 입자 화상 속도계 (PIV), 잘 설립 된 광학 기술을 이용하여 1,2- 높은 해상도로 매핑 될 수있다. 대조적으로, PIV에 필적 해상도 온도 필드를 매핑하는 것이 곤란하다. 하기 Optica레이저 – 유도 된 형광 (L)와 같은 기술은 3,4- 가능하지만 카메라의 비교적 고출력 레이저를 필요로하고, 불투명 한 액체에 부적합하다.
대안은 레일리 산란을 기반으로 휩쓸 파장 간섭 (SWI) 5-7 분산 온도 감지의 비교적 새로운 기술을 사용할 수 있습니다. 온도 측정 수천 단일 광섬유를 따라 획득 될 수있다. 분산 온도 센서 (DTS)는 이미지 기반 기술 8 부적합한 환경에서 큰 유동장과 기능에 걸쳐있다. 이 라만과 브릴 루앙은 9,10 산란에 기초가 DTS,하지만 센서는 레일리 산란에 따라도하고 SWI는 전형적인 유체 역학 실험을위한 공간 및 시간 해상도가 더 적합 제공합니다.
비록 이러한 레일리 scatte에 따라 열전대 (최우수), 센서까지 기존 센서의 이상가 DTS 제공 데이터 밀도링 응답 온도 (11)뿐만 아니라 변형합니다. 섬유 코팅은 흡습성이 경우 습도가 12, 13을 변경하려면 센서는 응답합니다. 탈착 기본 유리 섬유 균주 신호를 변경하는 것이 14 축소하면서 수증기 흡수 코팅을 팽윤. 그 결과, 정밀도가 취급 진동, 습도의 변화에 의해 영향을 받는다. 이것은 매우 전통적인 센서 달리 등 자유로운 설치 및 측정 방법이 정확한 데이터를 얻기 위해 준수해야합니다. 이 문서는 정확성을 보장하기 위해 프로토콜과 가이드 라인을 제시, 열 혼합 실험에서 DTS를 사용하는 방법을 보여줍니다.
여기서 사용 된 DTS는 광섬유 도파로 내에서 검출 및 레일리 산란 분석에 기초한다. 섬유 코어를 따라 불순물과 구조적 변화의 임의의 분포는 일반적으로 섬유와 안정 고유 한 산란 패턴을 발생시킨다. 스펙트럼 및 진폭이 패턴의 섬유 서명 역할을 읽을 수 있습니다. 온도 변화 나 변형 등의 물리적 변화는 반복적 인 방법으로 특성을 변경하고, 서명의 변화를 검출하는 센서로 광을 사용하기위한 기초이다.
도 1은 광전 센서 장치의 원리 구성, 광 분산 센서 리더라고 간단히 "리더"로서 여기에 표시를 나타낸다. 스위프 파장 간섭으로 알려진 기술에서, 저전력 가변 파장 레이저는 5-7 얻어진 산란을 등록하기위한 목적으로 섬유로 협 대역 신호를 발사. 레이저는 수 나노 미터의 간격을 가로 질러 스윕하고, 상기 신호는 기준 및 측정 레그 사이의 분리. 상기 센서로부터 산란 광 검출기에서 간섭 신호를 생성하는 기준 신호와 결합된다. 검출기 출력은 디지털화 및 레일리 산란 신호를 검색하기 위해 분석된다. Rayle파장 센서 온도 (변형, 또는 습도) 변화에 센서 시프트 고등학교의 서명. 이 파장 변화의 크기는 TC의 제벡 계수와 유사한 교정 계수를 갖는 섬유 형과 관련된 물리적 상수 감도 센서에 관한 것이다.
도 2는이 연구에서 사용하는 시험 부로서 기능하는 유리 수조를 도시한다. 탱크 뒤에 카메라는 규모의 감각을 준다. 공기는 두 각형 덕트를 통해 입력하고 벤트를 종료하기 전에 혼합. 다른 하나는 깨끗한 공기를 유지하면서 제트를 강조하기 위해, 하나의 흐름 스트림은 오일 미스트로 접종 하였다. 탱크 뚜껑은 검은 고분자 화면으로 덮여 창을 가지고있다. 사진에 표시되지 있지만, DTS는 검은 화면 아래에 일시 중단됩니다.
도에 도시 된 바와 같이, 50 m 길이 DTS 탱크 뚜껑 아래에 장착 하였다. 3.이 155 μm의 직경 폴리이 미드 코팅 된 광섬유에서 유행 하였다와 탱크 엔드 패널 사이에 중독 127 μm의 직경 강철 와이어에 매달아. 센서는 교번 패턴 스루 와이어 직조 앞뒤로 탱크에 걸쳐 49 회 반복 하였다. 그것은 0.5 × 0.8 m 비행기를 걸쳐 10mm 간격으로 오버 샘플링 할 때 1355 4 Hz에서 독립적 인 데이터 포인트와 30mm의 공간 해상도, 4067 데이터 포인트를 생성한다. 고밀도 온도 데이터 속도로 데이터를 보완 CFD 검증 용 데이터 세트의 값을 증가시킨다. 프로토콜은 유체 역학 실험의 DTS를 사용하여 특정의 문제에 집중하면서 센서 선택, 제조 및 구성하는 과정을 설명합니다.
우리는 유체 역학 실험에서 DTS의 사용을 증명하고있다. 이들 센서의 가장 큰 장점은 하나의 센서로부터 획득 될 수있는 측정점의 큰 수이다. 여기에 사용 된 DTS 훨씬 열전대 같은 기존 점 센서의 실제적인 한계를 넘어, 0.5 X 0.8 m면에 걸쳐 4,067 점의 데이터를 생성합니다. 이러한 데이터 밀도 레이저 유도 형광 (LIF)로 광학 기술에 의해 초과 할 수 있습니다 동안, DTS는 불투명 유체와 광 액세스 부족 응용 프로그램에서 작동합니다. DTS에 높은 데이터 밀도가 전산 유체 역학 코드 검증에 관련된 실험에 적합하다.
베이스 라인은 측정 정확도를 결정하는 중요한 프로토콜의 단계 및 핵심이다. 등온 테스트 섹션은베이스 라인 때 전체 DTS 한 온도에 확인하는 것이 필수적이다. 이것이 가능하지 않다면, T 기재는 T 기재 (X), MAPP이어야진다DTS 가까이에 배치 된 다수의 최우수에 의해 에드. 기준선 품질이 방식으로 개선 될 수 있지만, 그것은 절대 온도로 변환을위한 기준의 DTS 기준선을 매핑하는 프로세스를 복잡하게한다.
항상 예측할 수없는 신호 변화를 소개 할 수있는 기준 후 변형의 원인에 대한 경계에있을. 그러한 소스는 예를 들면, 시험 부 센서 뻗어 열팽창 지지체의 이동, 동적 로딩이 높은 유동 속도에서, 또는 유동 유발 진동이다. 등온 조건에서 사전 및 사후 검사 측정은 이러한 문제를 식별하는 데 도움이됩니다.
변형 감도이 레일리 산란 기반 DTS의 주요 단점이다. 열전대와 같은 종래의 센서들과 달리 취급, 습도, 진동에 민감하다. 이러한 문제는 여기에 입증 베어 센서 구성에 가장 중요한,하지만 훨씬 덜 중요한 모세 혈관에 보관 센서입니다.
종래 센서와 달리 DTS는 서류는 NIST (국립 표준 기술 연구소)과 같은 인식 표준 용액으로 추적을 조달 할 수 없다. 시츄 교정 일부에 어려울 수있다 등온 시험 부와 바람직하게는, 필요 응용 프로그램. 진동은 큰 시험 부에 걸쳐 중독 베어 섬유에 대한 특별한 관심이다. 우리는 1.7 m의 세그먼트 길이에서 탱크의 장축에 걸쳐 수직 배향 배열 혼합 성공이 있었다. 섬유의 28m 16 세그먼트 구성은 한 연구 18 동안 잘 수행하지만, 53m 29 세그먼트에 실패한 16되었다 확장을 시도합니다.
일반적으로, 모든 센서 길이 및 구성에 대한 잡음 리더 소프트웨어는 레일리 신호 시프트를 계산하는 동안 게이지 길이를 증가시킴으로써 감소 될 수있는 신호, 그러나 이것은 유효 공간 해상도를 감소시킨다. 각 덮은기 신호 잡음 및 공간 해상도 사이에 자신의 균형을 유지해야합니다. 또, 이러한 문제는 대부분의 발열 반응 시간의 비용으로 모세관의 센서 하우징에 의해 회피 될 수있다.
이 비교적 새로운 온도 측정 기술은 진동에 대한 감수성을 줄이기 위해 개발이 필요합니다. 이 작품의 대부분은 반드시 리더 하드웨어와 소프트웨어를 포함 할 것이다. 센서 자체는 섬유 코팅의 영향을받는 운전 및 습도 변화에 대한 민감성을 줄이기 위해 개선 될 수있다. 작업은 현재 시판되는 폴리이 미드 및 아크릴 레이트 코팅 된 섬유의 우수한 코팅을 개발에 초점 있었다.
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 |