Yüksek çözünürlüklü Sıcaklık Alan Haritalama için Fiber Optik Sensörler Dağıtılmış

Bu deneyin genel amacı, hesaplamalı akışkanlar dinamiği bilgisayar kodlarını doğrulamak için yüksek çözünürlüklü akış alanı verileri sağlamak ve bu kodların türbülanslı akışlardaki ısı transferini doğru bir şekilde simüle etme yeteneklerini kontrol etmektir. Bu gelişmiş sıcaklık ölçüm tekniği, ticari telekom fiberinden yapılmış tek bir sensör boyunca binlerce veri noktası üretebilmektedir. Bu yöntem, termokupllar gibi geleneksel sensörlerin çok ötesinde bir veri yoğunluğu sağlayabilmektedir.

Ancak termokuplların aksine, bu fiber optik sensörler sıcaklığın yanı sıra gerilime karşı da duyarlıdır. Bu nedenle taşıma, titreşim ve nemdeki değişiklikler sıcaklık sinyalini etkiler. Gerilme duyarlılığı, geleneksel sensörlerden oldukça farklıdır.

Doğru veriler elde etmek, burada göstereceğimiz özel çalıştırma prosedürleri ve uygulamalar gerektirir. Dağıtılmış sıcaklık sensörü veya DTS, bu test bölümü kullanılarak gösterilecektir. Bu bölüm, tabanına iki adet altıgen hava kanalı bağlanmış cam bir tanktır.

Hava, içeride karıştıktan sonra üst kısımdaki bir havalandırma deliğinden çıkar. Üst panelin iç kısmında, DTS'nin bulunduğu konumun üzerinde siyah polimer bir ekran vardır. Üst ve yan panelleri çıkararak test bölümünün içine erişin.

Test bölümünün üst kısmına, 20 milimetre aralıklı çelik teller gerilmiştir. Ölçüm alanı üzerinde, teller dağıtılmış sıcaklık sensörünün optik fiberini destekler. Optik fiberler çelik tellere dik olarak uzanır ve aralarında 10 milimetre mesafe bulunur.

DTS'nin başlangıcında, ekleme ve uç sonlandırma işlemleri için yaklaşık bir metre fiber ayrılmıştır. Segmentler, ölçüm bölgesinin bir tarafından diğerine, bitişik tellerin arasından örülerek geçirilir. Fiber, bitişik segmenti başlatacak şekilde döngüye alınır ve uçlar bantla test bölümüne sabitlenir.

Bu, son test bölümü düzeninin üstten görünüş şemasıdır. Çelik teller, kanalları da içeren bir bölgeyi kaplamaktadır. Dağıtılmış sıcaklık sensörünün fiberi, kanalların üzerindeki alanda tellerin arasından geçirilmiştir.

DTS'nin optik fiberini döşemek için şu adımları izleyin. 50 metrelik bir fiber makarasıyla başlayın ve tank dışındaki bir konektöre ekleme yapmak için yeterli rezervi oluşturacak kadar fiberi çözün. Rezerv kısmının ötesindeki fiberi test bölümü kapağına sabitleyin.

Ardından, ilk yeni sensör segmentlerini başlatmak için kullanılacak yaklaşık yarım metre fiberi çözün. Birkaç yüz milimetre fiberi tel örgü üzerine yerleştirin ve bir döngü şeklinde biçimlendirin. Döngüyü, bitişik tellerin üzerinden ve altından sırayla geçerek destek tellerinin arasından dokumaya başlayın.

Tankın karşı tarafına ulaşıldığında, ilk iki sensör segmenti için kullanılan fiber, bantlanarak sabitlenmeye hazır hale gelir. İlk segmenti gererek çekin ve kapağın alt kısmına bantlayarak sabitleyin. Konumu belirlemek ve segment aralıklarını kontrol etmek için kapağa yapıştırılmış bir cetvel kullanılır.

Akış sırasında konumunu koruyacak kadar gergin, ancak test bölümündeki deformasyonun sensörü zorlayıp ölçüm hatasına yol açmayacağı kadar gevşek olmasını istiyoruz. Şimdi, fiberin sabitlenmemiş kısmında yaklaşık 30 milimetre çapında bir döngü oluşturun ve bunu ilk segmente 10 milimetre uzaklıktan bantla sabitleyin. İkinci segmentin diğer ucunu tank kapağına sabitleyin.

Bir sonraki sensör segment çiftine başlamak için yaklaşık yarım metre fiberi açın. Ek segment çiftleri oluşturmak için ilk iki dedektör segmenti için kullanılan adımları tekrarlayın. Algılama dizisi yerleştirildikten sonra, fiberin ucuna bir konnektör ekleyin.

Sensörü, sensörü sorgulayıcıya bağlayacak olan sarı geciktirme kablosuna takın. Geciktirme kablosunu sorgulayıcıya bağlayın ve konfigürasyon adımlarını tamamlayın. Sensör sorgulayıcısı, hızlı dalga boyu interferometrisi prensibine dayanmaktadır.

Düşük güçlü ayarlanabilir bir diyot lazer, fibere dar bantlı bir sinyal gönderir. Lazer birkaç nanometre boyunca taranır ve sinyal referans ile ölçüm kolları arasında bölünür. Sensörden gelen saçılan ışık, dedektörlerde girişim sinyalleri oluşturmak için referans sinyaliyle birleştirilir.

Dedektör çıkışı, salım saçılma sinyalini geri kazanmak için kullanılır. Sensör konumlarının artık eşlemesi yapılmalıdır. Bunu yapmak için, bir havya ucunu yaklaşık yüzde 40'a ayarlanmış bir varyak transformatörüne bağlayın.

Bilgisayarda, ekranda canlı verileri görüntülemek için sorgulayıcı yazılımı kullanın. Havya ile sensörün ilk segmentinin başlangıcına yaklaşın, havyayı sensörün yakında tutun ve uç noktasına kısa süreliğine dokundurun. Bilgisayarda, tepe noktasını sabitlemek için verile toplama işlemini durdurun.

Ardından, zirve konumunu ve fiziksel konumu kaydetmek için sıcaklık yükselmesine yakınlaşın. Her segmentin başlangıç ve bitiş noktaları için verileri aynı şekilde toplayın. Sensör konumlarını haritalandırdıktan sonra, bir veya daha fazla sıcaklık standardı hazırlayın.

Bu durumda, görev için termokuplu kullanın. DTS'nin ölçüm bölgesinde bir alan seçin. Termokuplu, DTS fiberinin yakınına monte edin.

İç kısımdaki çalışma tamamlandıktan sonra, tüm panelleri eski konumlarına getirerek tankı kapatın. Ardından tankı herhangi bir yalıtım malzemesiyle sararak işleme devam edin. Sarma işlemi bittikten sonra, sensör etrafında izotermal bir atmosfer oluşması için tankı yeterince bekletin.

Sistem hazır olduğunda, sorgulayıcı yazılımı başlatın ve ölçümlere başlayın. Baz hattını elde etmek için önce ölçümü durdurun. Ardından baz hattını seçin ve belirtilen alana bir dosya adı girin.

Bir ölçüm aralığı seçin ve temel çizgi işlemini başlatmak için Tamam'a tıklayın. Kalibrasyon için termokupl sıcaklık okumasını eş zamanlı olarak kaydedin. Yazılım temel çizgiyi tamamladığında, ölçüm moduna geçin.

Sistem termal olarak kararlı bir durumdaysa, sinyal artık sensörün tüm uzunluğu boyunca sıfır olmalı ve zamanla kayma göstermemelidir. Bu noktada, bir çalışma hazırlığı yapmak için akış ve ısıtma kontrollerine gidin. Hava akışı açıkken, kanallardaki akış hızlarını birbirine eşit olacak şekilde ayarlayın.

Bir jeti ısıtmak ve jetler arasında istenen sıcaklık farkını oluşturmak için güç kontrol cihazunu ayarlayın. Dengenin sağlanması için gece boyunca çalıştırdıktan sonra sisteme geri dönün. Gürültü seviyelerine erişmek ve uygun ölçüm uzunluğunu seçmek için canlı DTS sinyalini inceleyin.

4 hertz frekansta 2000 tarama kaydetmek için dağıtılmış sıcaklık sistemini kullanın. Bu, baz sıcaklıktan ölçülen sıcaklık farkının ham verisidir. Yatay eksenin sol ucu, sistemin doğu ucu olarak belirtilen sınırındaki bir fiber segmentine karşılık gelir.

Sağa doğru hareket edildiğinde, fiber batı ucuna doğru ileri geri döner. Sensörün doğrudan sıcak jetin üzerinde olduğu noktalarda pikler oluşur. Batı ucundaki gürültü, akış kaynaklı titreşimden kaynaklanmaktadır.

Burada, ham veriler test bölümündeki konumlarla eşleştirilmiştir. Bakış açısı, DTS dizisindeki ölçüm düzleminin üzerindendir. Altıgen kanalların dış hatları A'dan yönlendirmeye uygundur.

Veri noktaları arasında yapılan doğrusal interpolasyon, kapak altındaki termal desen hakkında bilgi sağlamak amacıyla 2 boyutlu bir sıcaklık kontur haritasının oluşturulmasına olanak tanır. Kırmızı alan, doğu jetinin üzerinde ancak merkezlenmemiş sıcak bir bölgeyi göstermektedir. Sensör verileri ayrıca sıcaklık dalgalanmalarının kare ortalamasını haritalamak için de kullanılabilir.

Macenta renkli bölge, yükselen iki jetin kapakla çarpışırken etkileşime girdiği, yüksek sıcaklık dalgalanmalarının ve yüksek türbülansın olduğu bir bölgedir. Rayleigh saçılmasına dayalı tek bir fiber optik sensörün, termokupllarla elde edilemeyecek düzeyde detaylı bir tam alan görüntüsü sağlamak için nasıl binlerce sıcaklık ölçümü oluşturabildiğini gördük. Ölçüm doğruluğunu sağlamak için, referans hattından sonra gerinim kontrolüne her zaman özel dikkat gösterin ve sensör destek konfigürasyonunun dikkatli tasarımıyla akış kaynaklı titreşimleri minimize edin.

Bu dağıtık algılama tekniği, opak sıvılarda ve lazerler ile kameralara dayalı optik tekniklerin uygun olmadığı diğer uygulamalarda sıcaklık ölçümleri için yeni olanaklar sunmaktadır.