Vi visar användningen av en fiberoptisk distribuerad sensor för att kartlägga området blandningstemperaturen luftstrålar. Rayleigh spridning baserade sensor genererar tusentals datapunkter längs en enda fiber för att ge exceptionellt rumslig upplösning som är ouppnåeligt med traditionella sensorer såsom termoelement.
Tillförlitligheten av Computational Fluid Dynamics (CFD) koder kontrolleras genom att jämföra simuleringar med experimentella data. En typisk datauppsättning består huvudsakligen av hastighet och temperaturavläsningar, både helst har hög spatial och temporal upplösning för att underlätta rigorös kod validering. Medan hög upplösning hastighetsdata är lätt erhållas genom optiska mätmetoder som partikel bild Velocimetry, har det visat sig svårt att erhålla temperaturdata med liknande resolution. Traditionella sensorer såsom termoelement kan inte fylla denna roll, men den senaste tidens utveckling av distribuerad avkänning baserad på Rayleigh-spridning och svepte våg interferometri erbjuder upplösning som lämpar sig för validering CFD kod arbete. Tusentals temperaturmätningar kan genereras längs en enda tunn optisk fiber på hundratals Hertz. Sensorer fungerar över stora temperaturintervall och inom ogenomskinliga vätskor där optiska tekniker är olämpliga. Men denna typ av sensorär känslig för påfrestningar och luftfuktighet samt temperatur och så Noggrannheten påverkas av hantering, vibrationer och förskjutningar i relativ fuktighet. Ett sådant beteende är helt till skillnad från traditionella sensorer och så okonventionella installations- och driftsrutiner är nödvändiga för att säkerställa noggranna mätningar. Detta dokument visar genomförandet av en Rayleigh-spridning-typ fördelad temperatursensor i en termisk blandnings experiment med två luftstrålar vid 25 och 45 ° C. Vi presenterar kriterier för att styra valet av optisk fiber för sensorn och beskriver installation setup för en jet blandningsexperiment. Vi illustrerar sensorbaselining, som förbinder avläsningar till ett absolut standardtemperatur och diskutera praktiska frågor såsom fel på grund av flödes vibration. Detta material kan hjälpa dem som är intresserade av temperaturmätningar med hög datatäthet och bandbredd för vätskedynamik experiment och liknande applikationer. Vi lyfter fallgropar som är specifika för dessa sensorer för consideration i experimentets utformning och drift.
Computational fluid dynamics (CFD) koder används för att simulera ett stort antal olika vätskesystem, från luftflödet runt flygplan och bilar ned till arteriellt blodflöde. Omfattningen och trohet av dessa simuleringar har vuxit med tillgången på datorkraft. Trots den sofistikerade avancerade simuleringar, sin noggrannhet och tillförlitlighet är ofta svåra att kvantifiera. I praktiken är noggrannheten av CFD koder bedömas genom att jämföra simuleringar med experimentella data i en process som kallas kod validering.
En typisk experimentdatapost består huvudsakligen av hastighet och temperaturmätningar både helst med hög spatial och temporal upplösning för att underlätta rigorös kod validering. Hastighetsfält kan kartläggas med hög upplösning med hjälp av partikel bild Velocimetry (PIV), en väletablerad optisk teknik 1,2. Däremot är det svårt att kartlägga områden temperatur med upplösning jämförbar med PIV. Optical tekniker såsom laserinducerad fluorescens är tillgängliga 3,4, men de kräver kameror och med relativt hög effekt lasrar, och är olämpliga för opaka vätskor.
Ett alternativ är tillgängliga i den relativt nya tekniken med distribuerad temperaturavkännande baserat på Rayleigh-spridning och svepte våglängd interferometri (SWI) 5-7. Tusentals temperaturmätningar kan förvärvas längs en enda optisk fiber. En distribuerad temperatursensor (DTS) kan spänna stora flödesfält och funktion i miljöer som inte är lämpliga för bildbaserade tekniker 8. Det finns också DTSS baserat på Raman och Brillouin spridning 9,10, men sensorer baserade på Rayleigh-spridning och SWI ger spatial och temporal upplösning mer lämpade för typiska vätskedynamik experiment.
Även DTSS erbjuda datatäthet långt utöver det traditionella sensorer såsom termoelement (TCS), sensorer baserade på Rayleigh scattering svara anstränga samt temperatur 11. Om fiberbeläggningen är hygroskopisk, sensorer svarar också för fukt förändringar 12,13. Absorption av vattenånga sväller beläggningen medan desorption krymper det 14, som tänjer underliggande glasfiber och förändrar signalen. Som ett resultat, är noggrannheten påverkas av hantering, vibrationer och förskjutningar i relativ fuktighet. Detta är helt i motsats till traditionella sensorer och så okonventionella installations- och mätmetoder måste följas för att få fram exakta uppgifter. Detta dokument visar användningen av en DTS i en termisk blandningsexperiment, presenterar ett protokoll och riktlinjer för att säkerställa noggrannheten.
DTS används här är baserad på detektion och analys av Rayleigh-spridning inom en fiberoptisk vågledare. En slumpmässig fördelning av föroreningar och strukturella variationer längs fiberkärnan ger upphov till en bakåtspridningsmönster som är unik för fibern och i allmänhet stabila. Spektrumet och amplitudav detta mönster kan läsas för att fungera som en fiber signatur. Fysiska förändringar såsom temperaturskift eller stam ändra signaturen på ett repeterbart sätt, och detektera signatur variationer är grunden för att använda fibern som en sensor.
Figur 1 visar huvudkomponenterna i den optoelektroniska avkänningsanordningen, som kallas en optisk distribuerad sensor förhörsledaren, och betecknade här helt enkelt som "förhörsledaren". I en teknik som kallas sopas-våglängds interferometri, lanserar en låg effekt avstämbar laser ett smalt band signal in i fibern i syfte att registrera resulterande återspridning 5-7. Lasern sveps över ett intervall på flera nanometer och signalen delas mellan referens- och mätnings ben. Spritt ljus från sensorn är kombinerad med referenssignalen för att generera interferenssignaler vid detektorerna. Detektorutsignalen digitaliseras och analyseras för att hämta den Rayleigh-spridning signalen. den Rayleög undertecknandet av sensor skift i våglängd där temperatursensorn (stam eller fuktighet) förändringar. Storleken av denna våglängdsförskjutning är relaterad till sensorkänslighet, vilket är en fysikalisk konstant associerad med den fibertyp, som har en kalibreringsfaktor som är analogt med det Seebeck koefficient för en TC.
Figur 2 visar glasbehållaren som fungerar som det avsnitt som används i denna studie test. Kameran bakom tanken ger en känsla av skalan. Luft kommer in genom två hexagonala kanaler och blandar innan ut genom en ventil. För att belysa strålarna var ett flöde ympades med oljedimma medan den andra förblev ren luft. tanklocket har ett fönster täckt med en svart polymer skärm. Även om det inte syns på bilden, är DTS upphängd under den svarta skärmen.
En 50 m långa DTS monterades under tanklocket såsom visas i fig. 3. Det skulpterad ur 155 um diameter polyimid belagd optisk fiberoch hängde på 127 ståltråd um diameter uppträdda mellan tank ändpaneler. Sensorn vävdes genom tråden i ett omväxlande mönster och loopas fram och tillbaka över tanken 49 gånger. Den spänner över en 0,5 x 0,8 m plan och genererar 1,355 oberoende datapunkter vid 4 Hz och rumslig upplösning av 30 mm, 4,067 datapunkter när samplad med 10 mm mellanrum. En sådan temperaturuppgifter med hög densitet kompletterar hastighetsdata och ökar värdet av datauppsättningar för CFD validering. Protokollet beskriver urvalsprocessen sensor, tillverkning, och konfiguration med fokus på de särskilda problem med att använda DTS i en vätska dynamik experiment.
Vi har visat användningen av en DTS i en fluiddynamik experiment. Den största fördelen med dessa sensorer är ett stort antal mätpunkter som kan erhållas från en enda sensor. DTS används här genererade data vid 4,067 poäng över en 0,5 x 0,8 m plan, långt bortom praktiskt gränserna för konventionella punkt sensorer såsom termoelement. Även om en sådan datatätheten kan överskridas med optiska tekniker såsom laserinducerad fluorescens (LIF), kommer en DTS fungera i ogenomskinliga vätskor och applikationer som saknar optisk access. Den höga datatätheten av en DTS är lämplig för experiment involverade i beräkningsfluiddynamik kod validering.
Baselining är det kritiska steget i protokollet och centrala för att bestämma mätnoggrannhet. En isotermisk provsträcka är viktigt att se till hela DTS är en temperatur vid baselined. Om detta inte är möjligt, blir T bas T bas (x), som bör vara MAPPed av flera bidragsgivare placerade i nära anslutning till DTS. Även baslinjen kvalitet kan förbättras på detta sätt försvårar det arbetet med att kartlägga DTS baslinjen till de normer för konvertering till absolut temperatur.
Alltid vara på jakt efter källor stam efter baslinjen, vilket kan införa oförutsägbara signal skift. Sådana källor är, till exempel, testsektion termisk expansion som sträcker sensorn, rörelse av fästen, dynamisk belastning från höga flödeshastigheter, eller strömningsinducerad vibration. Pre- och posttest mätningar under isoterma förhållanden kommer att bidra till att identifiera sådana problem.
Stam känslighet är den största bristen av denna Rayleighspridningen baserade DTS. Till skillnad från konventionella sensorer som termoelement, är det känsligt för hantering, fukt och vibrationer. Dessa frågor är mest relevanta för den nakna sensorkonfiguration visat här, men långt mindre viktigt för sensorer inrymt i kapillärerna.
Till skillnad från konventionella sensorer, kan en DTS inte tas tillvara med pappersarbete spåra det till en erkänd kalibreringsstandard såsom NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibreringar behövs, företrädesvis med en isotermisk testsektionen, vilket kan vara svårt i vissa applikationer. Vibrations ett särskilt problem för bar fiber tvärs över en stor provsträcka. Vi har haft blandad framgång med en vertikalt orienterad matris som spänner över långa axeln av tanken vid segmentlängder på 1,7 m. En konfiguration med 28 m fiber och 16 segment utvecklades väl under en studie 18, men försök att utvidga det till 53 m med 29 segment var misslyckade 16.
I allmänhet, signalbrus för någon sensor längd och konfiguration kan minskas genom ökning av mätlängden över vilken fråge programvara beräknar Rayleigh-signalen SKIFT, men detta minskar effektivt rumslig upplösning. varje tillämption måste slå sin egen balans mellan signalbrus och spatial upplösning. Återigen kan sådana svårigheter kan undvikas i hög grad av bostäder sensorn i en kapillär på bekostnad av utökad termisk svarstid.
Denna relativt nya temperaturmätning teknik kräver utveckling för att minska känsligheten för vibrationer. En stor del av detta arbete kommer med nödvändighet innebära fråge hårdvara och mjukvara. Sensorerna själva kan också förbättras för att minska känsligheten för hantering och fuktighetsförändringar, som påverkas av fiberbeläggningar. Arbetet kan fokusera på att utveckla beläggningar överlägsna polyimiden och akrylat belagda fibrer för närvarande kommersiellt tillgängliga.
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 |