Fiber Optic Distributed Sensoren voor Mapping Temperature Field High-resolution
Summary
Demonstreren we gebruik van een vezeloptische sensor voor gedistribueerde In kaart brengen mengtemperatuur luchtstralen. De Rayleigh-verstrooiing gebaseerde sensor genereert duizenden gegevenspunten langs een enkele vezel buitengewone ruimtelijke resolutie die onbereikbaar met traditionele sensoren, zoals thermokoppels leveren.
Abstract
De betrouwbaarheid van computational fluid dynamics (CFD) codes wordt gecontroleerd door het vergelijken van simulaties met experimentele gegevens. Een typische dataset bestaat hoofdzakelijk uit snelheid en temperatuurmetingen, beide idealiter met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie te strenge code validatie vergemakkelijken. Terwijl de snelheid data hoge resolutie gemakkelijk wordt verkregen door middel van optische meettechnieken, zoals particle image velocimetry, is het moeilijk gebleken om de temperatuur gegevens te verkrijgen met vergelijkbare resolutie. Traditionele sensoren, zoals thermokoppels kan deze rol niet vervullen, maar de recente ontwikkeling van gedistribueerde sensing op basis van Rayleigh verstrooiing en veegde-wave interferometrie biedt een resolutie die geschikt zijn voor CFD code validatie werk. Duizenden temperatuurmetingen kunnen worden gegenereerd langs een enkele dunne optische vezel bij honderden Hertz. Sensoren functioneren over grote temperatuurbereik en binnen ondoorzichtige vloeistoffen waar de optische technieken zijn niet geschikt. Maar dit type sensoris gevoelig voor druk en vochtigheid en temperatuur en zo de nauwkeurigheid beïnvloed door het hanteren, trillingen en verschuivingen in relatieve vochtigheid. Dergelijk gedrag is heel anders dan de traditionele sensoren en zo onconventioneel installatie- en operationele procedures zijn nodig om ervoor te zorgen nauwkeurige metingen. Dit demonstreert uitvoering van een Rayleigh verstrooiing type gedistribueerde temperatuursensor in een thermische meng- experiment met twee luchtstralen bij 25 en 45 ° C. Wij presenteren criteria voor de selectie van glasvezel leidraad voor de sensor en beschrijf installatie setup voor een jet mengen experiment. We illustreren sensor baselining, die lezingen verbindt tot een absolute temperatuur standaard, en bespreek de praktische zaken zoals fouten door stroming veroorzaakte trillingen. Dit materiaal kan helpen diegenen die geïnteresseerd zijn in temperatuurmetingen met een hoge data dichtheid en bandbreedte voor stromingsleer experimenten en soortgelijke toepassingen. We belichten valkuilen die specifiek zijn voor deze sensoren voor consideratie in experiment ontwerp en de exploitatie.
Introduction
Computational fluid dynamics (CFD) codes worden gebruikt om een breed scala van vloeistof systemen te simuleren, uit de luchtstroom rond vliegtuigen en auto's naar beneden om de bloedstroom arteriële. De reikwijdte en betrouwbaarheid van dergelijke simulaties zijn opgegroeid met de beschikbaarheid van rekenkracht. Ondanks de complexiteit van geavanceerde simulaties, de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid zijn vaak moeilijk te kwantificeren. In de praktijk wordt de nauwkeurigheid van CFD codes beoordeeld door simulaties met experimentele gegevens in een proces genaamd code validatie.
Een typische experimentele data set bestaat voornamelijk uit snelheid en temperatuurmetingen, beide ideaal van hoge ruimtelijke en temporele resolutie te strenge code validatie vergemakkelijken. Velocity velden kunnen worden in kaart gebracht met een hoge resolutie met behulp van particle image velocimetry (PIV), een gevestigde optische techniek 1,2. Daarentegen is het moeilijk om de temperatuur velden toe met een resolutie vergelijkbaar met die van PIV. optical technieken zoals door laser geïnduceerde fluorescentie zijn 3,4, maar ze vereisen camera en relatief hoogvermogen lasers, en zijn niet geschikt voor ondoorzichtige vloeistoffen.
Een alternatief is beschikbaar in het relatief nieuwe techniek van gedistribueerde temperatuur sensing op basis van Rayleigh verstrooiing en veegde-golflengte interferometrie (SWI) 5-7. Duizenden temperatuurmetingen kunnen langs een enkele optische vezel worden verkregen. Een gedistribueerde temperatuursensor (DTS) kan grote stroom velden en de functie overspannen in omgevingen die niet geschikt zijn voor image-gebaseerde technieken 8 zijn. Er zijn ook DTSS gebaseerd op Raman en Brillouin verstrooiing 9,10, maar sensoren op basis van Rayleigh verstrooiing en SWI bieden ruimtelijke en temporele resolutie meer geschikt voor typische stromingsleer experimenten.
Hoewel DTSS aanbod gegevensdichtheid veel verder dan die van de traditionele sensoren, zoals thermokoppels (TC), sensoren op basis van Rayleigh scattering reageren op zowel stam als de temperatuur 11. Als de vezel coating is hygroscopisch, sensoren ook reageren op veranderingen in de luchtvochtigheid 12,13. Absorptie van waterdamp zwelt de coating, terwijl desorptie krimpt er 14, waarmee de onderliggende glasvezel stammen en verandert het signaal. Hierdoor wordt de nauwkeurigheid beïnvloed door het hanteren, trillingen en verschuivingen in relatieve vochtigheid. Dit is heel anders dan de traditionele sensoren en zo onconventioneel installatie en de meetmethoden moeten worden genomen om accurate gegevens te verkrijgen. Dit demonstreert het gebruik van een DTS in een thermische meng- experiment, die een protocol en richtlijnen nauwkeurigheid.
De DTS hier gebruikt is gebaseerd op de detectie en analyse van Rayleigh verstrooiing binnen een vezeloptische golfgeleider. Een willekeurige verdeling van onzuiverheden en structurele variaties langs de vezelkern ontstaat een backscatter patroon dat uniek is voor de vezel en in het algemeen stabiel. Het spectrum en amplitudedit patroon kan worden gelezen om te dienen als een handtekening vezel. Fysieke veranderingen zoals temperatuurveranderingen of stam af aan de handtekening een herhaalbare manier, en het detecteren handtekening variaties is de basis voor het gebruik van de vezel als sensor.
Figuur 1 toont de belangrijkste onderdelen van de optische aftastinrichting, een zogenaamde optische sensor gedistribueerde ondervrager en hier aangeduid eenvoudigweg als "ondervrager". Bij een techniek die geveegd golflengte interferometrie, een laagvermogen afstembare laser lanceert een smalband signaal in de vezel ten behoeve van registratie verkregen backscatter 5-7. De laser wordt geveegd over een interval van enkele nanometers en het signaal verdeeld referentiebundel en de benen. Strooilicht van de sensor wordt gecombineerd met het referentiesignaal stoorsignalen op de detectoren te genereren. Detektoruitgang wordt gedigitaliseerd en geanalyseerd om de Rayleigh verstrooiing signaal halen. de Rayleoge handtekening van de sensor verschuivingen in de golflengte waar de sensor de temperatuur (stam, of vochtigheid) verandert. De grootte van deze golflengteverschuiving is gerelateerd aan gevoeligheid, dat een fysiek constant geassocieerd met het vezeltype, waarbij een kalibratiefactor analoog aan de Seebeck-coëfficiënt van een TC sensor heeft.
Figuur 2 toont de glazen bak die dient als de test die gebruikt zijn in deze studie. De camera achter de tank geeft een gevoel van schaal. De lucht komt via twee zeshoekige kanalen en mengt voordat u afsluit via een vent. Om de jets te benadrukken, werd een stroom stroom bezaaid met olie mist, terwijl de andere bleef zuivere lucht. Het deksel van de tank heeft een raam bedekt met een zwarte polymeer scherm. Hoewel niet zichtbaar op de foto, het DTS onder het scherm zwart gesuspendeerd.
Een 50 m DTS werd onder het tankdeksel gemonteerd zoals getoond in Fig. 3. Het werd gevormd uit 155 urn diameter polyimide gecoate optische vezelen hing op 127 micrometer diameter stalen draad gespannen tussen tank kopschotten. De sensor werd geweven door de kabel in een afwisselend patroon en heen en weer over de tank lus 49 keer. Het omvat een 0,5 x 0,8 m vlak genereerd 1355 onafhankelijke gegevenspunten bij 4 Hz en ruimtelijke resolutie van 30 mm, 4067 datapunten wanneer overbemonsterde met 10 mm tussenruimte. Dergelijke hoge dichtheid temperatuurgegevens aanvulling snelheidsgegevens en verhoogt de waarde van gegevensverzamelingen voor CFD validatie. Het protocol beschrijft het proces van de sensor selectie, fabricage, en configuratie waarbij de focus op de bijzondere belangen in het gebruik van de DTS in een fluid dynamics experiment.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben het gebruik van een DTS in een vloeistofdynamica experiment toonde. Het belangrijkste voordeel van deze sensoren is het groot aantal meetpunten kan worden verkregen uit een enkele sensor. De DTS hier gebruikt gegenereerde data op 4067 punten over een 0,5 x 0,8 m vliegtuig, ver buiten de haalbare grenzen van de conventionele punt sensoren, zoals thermokoppels. Hoewel dergelijke gegevensdichtheid optische technieken kunnen worden overschreden zoals laser-geïnduceerde fluorescentie (LIF), een DTS functioneren ondoorzichtige vloeistoffen en toepassingen die toegang optische missen. De hoge data dichtheid van een DTS is geschikt voor experimenten die betrokken zijn bij computational fluid dynamics code validatie.
Baselining is de cruciale stap in het protocol en de centrale bij het bepalen van de meetnauwkeurigheid. Een isotherme proefvak is van essentieel belang om ervoor te zorgen het hele DTS is bij één temperatuur bij baseline. Als dit niet mogelijk is, T base wordt T basis (x), die moet mapped door meerdere TC geplaatst in de nabijheid van de DTS. Hoewel basislijn kwaliteit kan worden verbeterd op deze wijze, compliceert het proces van het in kaart brengen van de DTS basislijn de normen voor omzetting in absolute temperatuur.
Altijd op zoek naar bronnen van spanning na de basislijn, die onvoorspelbare signaal verschuivingen kunnen introduceren. Dergelijke bronnen zijn bijvoorbeeld, proefvak thermische uitzetting dat de sensor strekt, verplaatsing van steunen, dynamische belasting van de hoge stroomsnelheden, of stroming veroorzaakte trillingen. De begin- en eindtoets metingen onder isotherme omstandigheden zullen helpen dergelijke problemen te identificeren.
Stam gevoeligheid is de belangrijkste tekortkoming van deze Rayleigh-verstrooiing op basis van DTS. In tegenstelling tot conventionele sensoren zoals thermokoppels, is gevoelig voor behandeling, vochtigheid en trillingen. Deze problemen zijn het meest relevant zijn voor de kale sensor configuratie hier aangetoond, maar is veel minder belangrijk voor sensoren gehuisvest in haarvaten.
In tegenstelling tot conventionele sensoren kan een DTS niet worden verkregen met papierwerk traceren naar een erkende kalibratie standaard zoals NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibraties nodig zijn, bij voorkeur met een isotherme proefvak, die moeilijk in sommige kan zijn toepassingen. Vibratie is van bijzonder belang voor het blote vezel boven een groot proefvak. We hebben wisselend succes met een verticaal georiënteerde array die de lengteas van de tank uitstrekt op segment- lengte van 1,7 m hebben. Een configuratie met 28 m van vezels en 16 segmenten deden het goed tijdens één onderzoek 18, maar pogingen om het uit te breiden tot 53 m met 29 segmenten is mislukt 16.
Algemeen signaalruis voor sensorlengte en configuratie kunnen worden verminderd door het verhogen van de gage lengte waarover de ondervrager software berekent de Rayleigh signaalverschuiving, maar vermindert effectieve ruimtelijke resolutie. elke Applicatie moet zijn eigen balans tussen signaal ruis en ruimtelijke resolutie te slaan. Opnieuw kunnen deze problemen grotendeels worden voorkomen door behuizing van de sensor in een capillair ten koste van langere thermische responstijd.
Deze relatief nieuwe temperatuurmeting technologie vereist ontwikkeling minder gevoelig voor trillingen. Een groot deel van dit werk zal altijd tot de ondervrager hardware en software. De sensoren kunnen ook zelf worden verbeterd gevoeligheid voor behandeling en vochtigheid veranderingen, die worden beïnvloed door de vezel coatings verminderen. Werkzaamheden kunnen richten op de ontwikkeling van coatings boven de polyimide en acrylaat beklede vezels momenteel in de handel verkrijgbaar.
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).
