الألياف البصرية مجسات الموزعة لعالية الدقة لرسم الخرائط درجة الحرارة الميدان
Summary
ونحن لشرح استخدام جهاز استشعار توزيع الألياف البصرية لرسم خرائط حقل درجة حرارة خلط طائرات الهواء. أجهزة الاستشعار على أساس تشتت رايلي يولد الآلاف من نقاط البيانات على طول واحد من الألياف لتقديم قرار استثنائي المكاني الذي هو غير قابلة للتحقيق مع أجهزة الاستشعار التقليدية مثل المزدوجات الحرارية.
Abstract
يتم التحقق من موثوقية ديناميات الموائع الحسابية (CFD) رموز بمقارنة المحاكاة مع البيانات التجريبية. مجموعة بيانات نموذجية تتكون بصورة رئيسية من سرعة وقراءات درجة الحرارة، على حد سواء وجود مثالي القرار المكانية والزمانية عالية لتسهيل التحقق من صحة رمز صارم. في حين يتم الحصول على بيانات عالية الدقة سرعة بسهولة من خلال تقنيات القياس البصرية مثل السرعة بواسطة الصور الملتقطة للجسيمات، وقد ثبت أنه من الصعب الحصول على بيانات درجة الحرارة مع قرار مماثل. أجهزة الاستشعار التقليدية مثل المزدوجات الحرارية لا يمكن أن تملأ هذا الدور، ولكن التطورات الأخيرة في الاستشعار عن توزيعها على أساس نثر رايلي وموجة اجتاحت التداخل يقدم قرار مناسب للعمل التحقق من صحة رمز CFD. يمكن توليد الآلاف من قياسات درجات الحرارة على طول الألياف الضوئية رقيقة واحد في مئات من هيرتز. أجهزة استشعار تعمل على تتراوح درجة الحرارة الكبيرة وضمن السوائل مبهمة حيث التقنيات البصرية غير مناسبة. ولكن هذا النوع من أجهزة الاستشعارغير حساسة للإجهاد والرطوبة وكذلك درجات الحرارة وحتى يتأثر دقة عن طريق التعامل مع، والاهتزاز، والتحولات في الرطوبة النسبية. ومثل هذا السلوك تماما على عكس أجهزة الاستشعار التقليدية وضرورية لضمان قياسات دقيقة إجراءات التثبيت والتشغيل غير تقليدية لذلك. توضح هذه الورقة تنفيذ نثر رايلي من نوع استشعار توزيع درجة الحرارة في تجربة الاختلاط الحرارية التي تشمل طائرتين الهواء في 25 و 45 درجة مئوية. نقدم معايير لتوجيه مجموعة من الألياف البصرية للاستشعار ووصف الإعداد التثبيت لتجربة طائرة الاختلاط. نحن لتوضيح لخط الأساس الاستشعار، والذي يربط بين قراءات في مستوى درجة الحرارة المطلقة، ومناقشة القضايا العملية مثل الأخطاء بسبب التدفق الناجم عن الاهتزاز. هذه المواد يمكن أن تساعد المهتمين في قياسات درجات الحرارة وجود كثافة عالية للبيانات وعرض النطاق الترددي للتجارب ديناميكا السوائل وتطبيقات مماثلة. نسلط الضوء المزالق محددة لهذه المجسات لconsideraنشوئها في تصميم التجربة والعملية.
Introduction
ديناميات الموائع الحسابية تستخدم (CFD) رموز لمحاكاة مجموعة واسعة من أنظمة السوائل، من تدفق الهواء حول الطائرات والسيارات وصولا الى الشرايين تدفق الدم. نمت نطاق والإخلاص لهذه المحاكاة مع توافر القدرة الحاسوبية. ومع ذلك، على الرغم من التطور من عمليات المحاكاة المتقدمة، دقتها وموثوقية يصعب تحديدها في كثير من الأحيان. في الممارسة العملية، ويتم تقييم دقة رموز CFD بمقارنة المحاكاة مع البيانات التجريبية في عملية تسمى التحقق من صحة رمز.
وهناك مجموعة البيانات التجريبية النموذجية يتكون بصورة رئيسية من سرعة ودرجة الحرارة القياسات، وكلاهما من ارتفاع القرار المكانية والزمانية مثالي لتسهيل التحقق من صحة رمز صارم. يمكن تعيين الحقول السرعة بدقة عالية باستخدام السرعة بواسطة الصور الملتقطة للجسيمات (التعريف الشخصية)، وهي راسخة البصرية تقنية 1،2. في المقابل، فإنه من الصعب تعيين حقول درجة الحرارة مع قرار مشابه لذلك من التعريف الشخصية. البصريهي تقنيات لتر مثل مضان الليزر التي يسببها المتاحة 3،4، لكنها تتطلب الكاميرات ونسبيا ليزر عالية الطاقة، وغير مناسبة للسوائل مبهمة.
متوفر في تقنية جديدة نسبيا للاستشعار درجة الحرارة توزيعها على أساس نثر رايلي واجتاحت موجة التداخل (السويسري) 5-7 بديل. يمكن الحصول على الآلاف من قياسات درجات الحرارة على طول الألياف البصرية واحد. جهاز استشعار درجة الحرارة وزعت (DTS) يمكن أن تمتد حقول تدفق كبيرة وظيفة في بيئات غير مناسبة لتقنيات الصورة القائمة 8. هناك أيضا DTSs على أساس رامان وBrillouin نثر 9،10، ولكن أجهزة الاستشعار على أساس نثر رايلي والسويسري توفير تحليل المكاني والزماني أكثر ملاءمة لنموذجية تجارب ديناميكا الموائع.
على الرغم من كثافة عرض البيانات DTSs أبعد من ذلك من أجهزة الاستشعار التقليدية مثل المزدوجات الحرارية (TCS)، وأجهزة الاستشعار على أساس رايلي scatteحلقة الاستجابة إلى توتر وكذلك درجة حرارة 11. إذا كان طلاء الألياف استرطابي، تستجيب أجهزة الاستشعار أيضا إلى الرطوبة تغير 12،13. امتصاص بخار الماء تتضخم طلاء بينما ينكمش الامتزاز هو 14 الذي يعمل على التقليل من الألياف الزجاجية الأساسي ويغير إشارة. ونتيجة لذلك، يتأثر دقة عن طريق التعامل مع، والاهتزاز، والتحولات في الرطوبة النسبية. هذا هو تماما عكس أجهزة الاستشعار التقليدية ويجب مراعاة أساليب التثبيت والقياس غير تقليدية حتى الحصول على بيانات دقيقة. توضح هذه الورقة استخدام DTS في تجربة الاختلاط الحرارية، وتقديم بروتوكول ومبادئ توجيهية لضمان دقة.
وDTS المستخدمة هنا تقوم على كشف وتحليل نثر رايلي في الدليل الموجي الألياف البصرية. والتوزيع العشوائي من الشوائب والاختلافات الهيكلية على طول محور الألياف يؤدي إلى نمط ارتدادي التي هي فريدة من نوعها إلى الألياف ومستقرة عموما. الطيف والسعةهذا النمط يمكن أن تقرأ لتكون بمثابة توقيع الألياف. التغيرات الجسدية مثل التحولات درجة الحرارة أو الضغط تغير التوقيع بطريقة قابلة للتكرار، وكشف عن الاختلافات توقيع هي أساس لاستخدام الألياف كجهاز استشعار.
ويوضح الشكل 1 المكونات الرئيسية للجهاز الاستشعار البصرية الالكترونية، يسمى البصرية توزيع استشعار المحقق، ويرمز هنا ببساطة باسم "المحقق". في تقنية تعرف باسم التداخل اجتاحت الطول الموجي، والليزر منخفض الطاقة الانضباطي تطلق إشارة نطاق ضيق في الألياف لغرض تسجيل الناتجة ارتدادي 5-7. واجتاحت الليزر عبر فترة من عدة نانومتر وتقسيم إشارة بين المرجعية وقياس الساقين. الضوء المتناثرة من أجهزة الاستشعار وجنبا إلى جنب مع إشارة مرجعية لتوليد إشارات تدخل في أجهزة الكشف. إخراج كاشف هو الرقمية وتحليلها لاسترداد إشارة تشتت رايلي. وRayleتوقيع IGH من التحولات استشعار في حيث استشعار درجة الحرارة (سلالة، أو الرطوبة) التغييرات الطول الموجي. ويرتبط حجم هذا التحول الطول الموجي للاستشعار حساسية، وهو ثابت فيزيائي يرتبط مع نوع من الألياف، والتي لديها عامل المعايرة مماثلة لطاقة كهروحرارية من TC.
ويبين الشكل 2 خزان زجاج، التي تعد بمثابة قسم الاختبار المستخدمة في هذه الدراسة. الكاميرا وراء الدبابة يعطي شعورا الحجم. يدخل الهواء من خلال اثنين من القنوات سداسية ويمزج قبل أن تخرج من خلال تنفيس. لتسليط الضوء على الطائرات، والمصنف تيار تدفق واحد مع ضباب النفط بينما ظل البعض الهواء النقي. غطاء خزان يحتوي على نافذة مغطاة شاشة البوليمر سوداء. وإن لم تكن واضحة في الصورة، تم تعليق DTS أسفل الشاشة السوداء.
وقد شنت 50 م DTS طويلة تحت غطاء خزان كما هو مبين في الشكل. 3. كان الطراز ومن 155 ميكرون قطرها المغلفة بوليميد الألياف البصريةوعلقت على 127 ميكرون أسلاك الفولاذ قطر موتر بين فريقي نهاية دبابات. قد نسجت أجهزة الاستشعار من خلال الأسلاك في نمط بالتناوب ويحلق ذهابا وإيابا عبر خزان 49 مرة. أنه يمتد طائرة 0.5 X 0.8 متر ويولد 1355 نقطة مستقلة البيانات في 4 هرتز والقرار المكانية من 30 ملم، 4067 نقطة البيانات عند oversampled مع تباعد 10 ملم. هذه البيانات درجة حرارة عالية الكثافة يكمل البيانات سرعة ويزيد من قيمة مجموعات البيانات اللازمة للتحقق CFD. يحدد البروتوكول عملية اختيار الاستشعار، وتلفيق، والتكوين مع التركيز على القلق على نحو خاص في استخدام DTS في تجربة ديناميكية السوائل.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أثبتنا استخدام DTS في تجربة ديناميكية السوائل. والميزة الرئيسية لهذه المجسات هو عدد كبير من نقاط القياس التي يمكن الحصول عليها من أجهزة الاستشعار واحد. وDTS المستخدمة هنا ولدت البيانات في 4067 نقطة عبر الطائرة 0.5 X 0.8 متر، ما هو أبعد من حدود ممكنة من أجهزة الاستشعار نقطة التقليدية مثل المزدوجات الحرارية. وفي حين أن هذه الكثافة البيانات يمكن تجاوزها من خلال تقنيات بصرية مثل الليزر التي يسببها مضان (ليف)، فإن DTS تعمل في السوائل والتطبيقات التي يفتقرون الضوئية المعتمة. كثافة عالية للبيانات من DTS مناسبة للتجارب المشاركين في الحسابية ديناميات الموائع التحقق من صحة رمز.
لخط الأساس هو خطوة حاسمة في البروتوكول والمركزية في تحديد دقة القياس. قسم اختبار متحاور أمر ضروري لضمان DTS بأكمله هو في درجة حرارة واحدة عندما يحدد الخط. إذا لم يكن ذلك ممكنا، يصبح تي قاعدة قاعدة T (خ)، والتي ينبغي أن تكون مبإد من قبل اللجان الفنية متعددة وضعت على مقربة من DTS. على الرغم من جودة أساسية يمكن تحسينها في هذا الشكل، فإنه يعقد عملية رسم خط الأساس DTS إلى معايير لتحويلها إلى درجة الحرارة المطلقة.
تكون دائما على اطلاع على مصادر التوتر بعد خط الأساس الذي يمكن أن يعرض التحولات إشارة لا يمكن التنبؤ بها. هذه المصادر هي، على سبيل المثال، قسم اختبار التمدد الحراري والتي تمتد أجهزة الاستشعار، حركة دعم، تحميل الديناميكي من معدلات تدفق عالية، أو الاهتزاز الناجم عن التدفق. سوف القياسات قبل والبعدي في ظل ظروف متساوي الحرارة تساعد في تحديد مثل هذه المشاكل.
حساسية سلالة هو العيب الرئيسي لهذا رايلي DTS القائم على التشتت. على عكس أجهزة الاستشعار التقليدية مثل المزدوجات الحرارية، أنه حساس لمعالجة والرطوبة والاهتزاز. وهذه المسائل هي الأكثر ملاءمة لاستشعار التكوين عارية تظاهر هنا، ولكن أقل أهمية بكثير لأجهزة الاستشعار الموجودة في الشعيرات الدموية.
على عكس أجهزة الاستشعار التقليدية، وDTS لا يمكن شراؤها مع الأوراق تتبع إلى المعايرة القياسية المعترف بها مثل نيست (المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا). والمعايرة في الوضع الطبيعي اللازمة، ويفضل أن يكون مع قسم اختبار متساوي الحرارة، والتي قد يكون من الصعب في بعض التطبيقات. الاهتزاز هو محل اهتمام خاص من الألياف عارية موتر عبر قسم اختبار كبير. لقد حققنا نجاحا مختلطة مع مجموعة الموجهة رأسيا يمتد المحور الطويل للدبابات على طول الجزء من 1.7 متر. والتكوين مع 28 متر من الألياف و 16 قطاعات أداء جيدا خلال دراسة واحدة 18، ولكن يحاول توسيع نطاقه ليشمل 53 م مع 29 قطاعات وناجحة 16.
بشكل عام، يمكن أن يكون إشارة انخفض الضوضاء ولأي مدة أجهزة الاستشعار والتكوين عن طريق زيادة طول سبر التي يكون للبرنامج المحقق بحساب التحول إشارة رايلي، ولكن هذا يقلل من القرار المكانية فعال. كل تطبيق مسنشوئها يجب ضرب التوازن الخاص بها بين الضوضاء إشارة والقرار المكانية. مرة أخرى، هذه الصعوبات يمكن تجنبها إلى حد كبير تأوي أجهزة الاستشعار في الشعرية على حساب مدد زمن الاستجابة الحرارية.
تتطلب هذه التقنية لقياس درجة الحرارة جديدة نسبيا تنمية للحد من التعرض للاهتزاز. وسيكون جزء كبير من هذا العمل ينطوي بالضرورة على الأجهزة المحقق والبرمجيات. أجهزة الاستشعار أنفسهم ويمكن أيضا أن تحسن للحد من الحساسية للمناولة والرطوبة التغييرات، التي تتأثر الطلاء الألياف. ويمكن أن تركز العمل على تطوير الطلاء متفوقة على بوليميد والألياف المغلفة اكريليت حاليا متاحة تجاريا.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
References
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry. , (2007).
- Adrian, R. J. Twenty years of particle image velocimetry. Exp. Fluids. 39, 159-169 (2015).
- Vetrano, M. R., Simonini, A., Steelant, J., Rambaud, P. Thermal characterization of a flashing jet by planar laser-induced fluorescence. Exp. Fluids. 54, 1573-1583 (2013).
- Dahikar, S. K., Sathe, M. J., Joshi, J. B. Investigation of flow and temperature patterns in direct condensation using PIV, PLIF and CFD. Chem. Eng. Sci. 65, 4606-4620 (2010).
- Juškaitis, R., Mamedov, A. M., Potapov, V. T., Shatalin, S. V. Distributed interferometric fiber sensor system. Opt Lett. 17 (22), 1623-1625 (1992).
- Gifford, D., et al. Swept-wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing. Proc. SPIE. 6770, (2007).
- Kreger, S., Gifford, D., Froggatt, M., Soller, B., Wolfe, M. High resolution distributed strain or temperature measurements in single- and multi-mode fiber using swept-wavelength interferometry. Optical Fiber Sensors. 2006, (2006).
- Bersan, S., et al. Application of a high resolution distributed temperature sensor in a physical model reproducing subsurface water flow. Measurement. , (2015).
- Bao, X., Chen, L. Recent progress in distributed fiber optic sensors. Sensors. 12, 8601-8639 (2012).
- Ukil, A., Braendle, H., Krippner, P. Distributed temperature sensing: review of technology and applications. IEEE Sensors J. 12 (5), 885-892 (2012).
- Zhou, D., Qin, Z., Li, W., Chen, L., Bao, X. High-spatial-resolution distributed vibration measurement using time-resolved optical frequency-domain reflectometry. Proc. SPIE 22nd Int. Conf. Optical Fiber Sensors. 8421, 842115 (2012).
- Ding, F., Wang, L., Fang, N., Huang, Z. Experimental study on humidity sensing using a FBG sensor with polyimide coating. SPIE-Int Soc Opt. Eng. 7990, (2011).
- Palmieri, L., Schenato, L. Distributed optical fiber sensing based on Rayleigh Scattering. Open Optics J. 7 (1), 104-127 (2013).
- Bhargava, P., Chuang, C. K., Chen, K., Zehnder, A. Moisture diffusion properties of HFPE-II-52 polyimide. J Appl Polymer Sci. 102 (4), 3471-3479 (2006).
- Lomperski, S., Gerardi, C. Assessment of distributed fiber optic sensors for flow field temperature mapping. Proc. ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting and 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. , 8 (2014).
- Lomperski, S., Bremer, N., Gerardi, C., Lisowski, D. Performance assessment of a 50 m-long fiber optic distributed temperature sensor in a fluid dynamics experiment. , (2016).
- . . Fusion Splicer 70S Instruction Manual. Fujikura Ltd., 70S_Rev2. , (2013).
- Lomperski, S., Gerardi, C., Pointer, W. D. Fiber optic distributed temperature sensor mapping of a jet mixing flow field. Exp. Fluids. 56, 16 (2015).
