Fibre optique Capteurs distribués pour haute résolution cartographie des champs de température
Summary
Nous démontrons l'utilisation d'un capteur à fibre optique distribué pour cartographier le domaine de mélange des jets d'air de température. Le capteur basé sur la diffusion Rayleigh génère des milliers de points de données le long d'une seule fibre pour fournir une résolution spatiale exceptionnelle qui est impossible à atteindre avec les capteurs traditionnels tels que des thermocouples.
Abstract
La fiabilité de la dynamique des fluides (CFD) codes est vérifiée en comparant des simulations avec des données expérimentales. Un ensemble de données typique se compose principalement de la vitesse et de la température, les deux ayant idéalement une résolution spatiale et temporelle élevée pour faciliter la validation de code rigoureux. Bien que les données de vitesse de haute résolution est facilement obtenue grâce à des techniques de mesure optiques tels que l'image de particules vélocimétrie, il a été difficile d'obtenir des données de température avec une résolution similaire. capteurs traditionnels tels que les thermocouples ne peuvent pas remplir ce rôle, mais le développement récent de la détection distribuée basée sur la diffusion de Rayleigh et interférométrie balayé onde offre la résolution appropriée pour les travaux de validation du code CFD. Des milliers de mesures de température peuvent être générés sur une seule fibre optique mince à des centaines de Hertz. Capteurs fonctionnent sur de grandes plages de température et dans les fluides opaques où les techniques optiques ne sont pas adaptés. Mais ce type de capteurest sensible à la déformation et à l'humidité ainsi que la température et ainsi la précision est affectée par la manipulation, les vibrations, et les changements dans l'humidité relative. Un tel comportement est tout à fait à la différence des capteurs traditionnels et les procédures d'installation et d'exploitation de manière non conventionnelles sont nécessaires pour assurer des mesures précises. Ce document démontre la mise en œuvre d'un capteur de température distribuée de diffusion de type Rayleigh dans une expérience de mélange thermique impliquant deux jets d'air à 25 et 45 ° C. Nous présentons des critères pour guider le choix de la fibre optique pour le capteur et de décrire la configuration d'installation pour une expérience jet de mélange. Nous illustrons baselining du capteur, qui relie les lectures à un niveau de température absolue, et de discuter de questions pratiques telles que les erreurs dues à l'écoulement induite par les vibrations. Ce matériel peut aider les personnes intéressées par des mesures de température ayant une densité de données élevée et la bande passante pour la dynamique des fluides expériences et des applications similaires. Nous mettons en évidence les pièges spécifiques à ces capteurs pour consideration dans la conception et le fonctionnement expérience.
Introduction
la dynamique des fluides computationnelle (CFD) codes sont utilisés pour simuler une grande variété de systèmes de fluides, de flux d'air autour des avions et des voitures vers le flux sanguin artériel. La portée et la fidélité de ces simulations ont grandi avec la disponibilité de la puissance de calcul. Cependant, malgré la sophistication des simulations avancées, leur précision et leur fiabilité sont souvent difficiles à quantifier. Dans la pratique, la précision des codes CFD est évaluée en comparant des simulations avec des données expérimentales dans une validation de code de processus appelé.
Un ensemble de données expérimentales typique se compose principalement de mesures de vitesse et de température, à la fois idéalement résolution spatiale et temporelle de haute pour faciliter la validation de code rigoureux. Champs de vélocité peuvent être mappés à haute résolution à l' aide d' images de particules (PIV), une technique optique 1,2 bien établie. En revanche, il est difficile de cartographier les champs de température avec une résolution comparable à celle de PIV. Optical des techniques telles que la fluorescence induite par laser sont disponibles 3,4, mais ils nécessitent des caméras et relativement lasers de haute puissance, et ne conviennent pas pour les fluides opaques.
Une alternative est disponible dans la technique relativement nouvelle de détection de température distribuée sur la base de la diffusion de Rayleigh et de balayage de longueur d' onde interférométrie (SWI) 5-7. Des milliers de mesures de température peuvent être acquises le long d'une seule fibre optique. Un capteur de température distribuée (DTS) peut couvrir de grands champs et la fonction flux dans des environnements qui ne sont pas adaptés pour les techniques basées sur l' image 8. Il y a aussi DTSS basé sur Raman et Brillouin 9,10, mais les capteurs basés sur la diffusion Rayleigh et SWI offrent une résolution spatiale et temporelle plus approprié pour typiques des expériences de dynamique des fluides.
Bien que la densité des données d'offre DTSS bien au-delà des capteurs traditionnels tels que des thermocouples (TC), des capteurs à base de Rayleigh scatteanneau répondent à la souche ainsi que la température 11. Si le revêtement de fibre est hygroscopique, les capteurs répondent également à l' humidité change 12,13. Absorption de vapeur d'eau gonfle le revêtement tandis que la désorption se rétrécit , il 14 qui étend la fibre de verre sous – jacent , et modifie le signal. Par conséquent, la précision est influencée par la manipulation, des vibrations et des changements dans l'humidité relative. Ceci est tout à fait différent des capteurs traditionnels et les méthodes d'installation et de mesure afin non conventionnelles doivent être respectées pour obtenir des données précises. Cet article démontre l'utilisation d'un DTS dans une expérience de mélange thermique, présentant un protocole et des lignes directrices pour assurer l'exactitude.
DTS utilisées ici sont basées sur la détection et l'analyse de la diffusion de Rayleigh dans un guide d'ondes à fibre optique. Une distribution aléatoire des impuretés et des variations de structure le long du noyau de la fibre donne naissance à un motif de rétrodiffusion qui est unique à la fibre et généralement stable. Le spectre d'amplitude etde ce modèle peut être lu pour servir de signature de la fibre. Les changements physiques tels que des changements ou de la souche température modifient la signature d'une manière reproductible, et la détection de variations de signature est la base pour l'utilisation de la fibre comme un capteur.
La figure 1 illustre les composants principaux du dispositif de détection opto – électronique, appelé un interrogateur de capteur optique distribué et dénotées ici simplement "interrogateur". Dans une technique connue sous le balayage de longueur d' onde interférométrie, une faible puissance laser accordable lance un signal à bande étroite dans la fibre pour les fins de l' enregistrement résultant rétrodiffusion 5-7. Le laser est balayé à travers un intervalle de quelques nanomètres et le signal divisé entre les branches de référence et de mesure. la lumière diffusée par le capteur est combiné avec le signal de référence pour générer des signaux d'interférence sur les détecteurs. la sortie du détecteur est numérisé et analysé pour extraire le signal de diffusion de Rayleigh. Le Raylesignature aute des changements de capteurs en cas de température du capteur (contrainte, ou d'humidité) les changements de longueur d'onde. L'amplitude de ce décalage de longueur d'onde est liée à la sensibilité du capteur, ce qui est une constante physique associée au type de fibre, qui a un facteur d'étalonnage analogue au coefficient de Seebeck d'un CT.
La figure 2 montre la cuve en verre qui sert de section d'essai utilisé dans cette étude. La caméra derrière le réservoir donne une idée de l'échelle. L'air entre par deux canaux hexagonaux et se mélange avant de sortir par un évent. Pour mettre en évidence les jets, un courant d'écoulement a été ensemencé avec brouillard d'huile tandis que l'autre est resté l'air pur. Le couvercle du réservoir a une fenêtre recouverte d'un écran de polymère noir. Bien que non visible sur la photo, le DTS est suspendu au-dessous de l'écran noir.
A 50 m de long DTS a été monté au- dessous du couvercle du réservoir , comme illustré sur la Fig. 3. Il a été façonné à partir de 155 um de diamètre des fibres optiques en polyimide revêtuet accroché à 127 um de diamètre de fil d'acier tendu entre les panneaux d'extrémité du réservoir. Le capteur a été tissé à travers le fil dans un motif alterné et en boucle avant et en arrière à travers le réservoir 49 fois. Elle couvre un plan de 0,5 x 0,8 m et génère 1.355 points indépendants de données à 4 Hz et une résolution spatiale de 30 mm, 4067 points de données lorsque suréchantillonné avec un espacement de 10 mm. Ces données de température haute densité complète des données de vitesse et augmente la valeur des ensembles de données pour la validation CFD. Le protocole décrit le processus de sélection du capteur, la fabrication et la configuration tout en se concentrant sur les préoccupations particulières à utiliser les DTS dans une expérience de la dynamique des fluides.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons démontré l'utilisation d'un DTS dans une expérience de la dynamique des fluides. Le principal avantage de ces capteurs est grand nombre de points de mesure qui peuvent être obtenus à partir d'un seul capteur. Les DTS utilisées ici ont généré des données à 4067 points de travers un plan de 0,5 x 0,8 m, bien au-delà des limites possibles de capteurs ponctuels classiques tels que thermocouples. Bien qu'une telle densité de données peut être dépassée par les techniques optiques telles que la fluorescence induite par laser (LIF), d'un DTS fonctionner dans des fluides opaques et des applications qui ne disposent pas d'accès optique. La densité de données élevée d'un DTS est adapté pour des expériences impliquées dans la dynamique des fluides validation du code de calcul.
Baselining est l'étape critique dans le protocole et central dans la détermination de la précision de mesure. Une section de test isotherme est indispensable pour assurer l'ensemble de DTS est à une température lorsque baselined. Si cela est impossible, T base devient T base (x), qui devrait être MAPPed par plusieurs TCs placés à proximité des DTS. Bien que la qualité de base peut être améliorée de cette façon, cela complique le processus de cartographie de la ligne de base DTS aux normes pour la conversion à la température absolue.
Toujours être à l'affût des sources de tension après la ligne de base, ce qui peut introduire des changements de signaux imprévisibles. Ces sources sont, par exemple, la section d'essai dilatation thermique qui étend le capteur, le mouvement des supports, le chargement dynamique de débits élevés, ou les vibrations induites par l'écoulement. Les pré et post-test mesures dans des conditions isothermes aideront à identifier de tels problèmes.
la sensibilité de la souche est le principal défaut de cette Rayleigh DTS basée diffusion. A la différence des capteurs conventionnels tels que des thermocouples, elle est sensible à la manipulation, l'humidité et les vibrations. Ces questions sont les plus pertinents pour la configuration du capteur nue démontré ici, mais beaucoup moins important pour les capteurs logés dans les capillaires.
Contrairement aux capteurs conventionnels, un DTS ne peut pas être acheté avec de la paperasse traçage à un étalon reconnu tel que le NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ étalonnages sont nécessaires, de préférence avec une section de test isotherme, qui peut être difficile dans certains applications. La vibration est particulièrement préoccupante pour la fibre nue tendu à travers une grande section de test. Nous avons eu un succès mitigé avec un réseau orienté verticalement qui enjambe le grand axe de la cuve à des longueurs de segments de 1,7 m. Une configuration avec 28 m de fibre et 16 segments bien performé au cours d' une étude de 18, mais les tentatives de l' étendre à 53 m avec 29 segments a échoué 16.
D'une manière générale, le signal de bruit pour toute la longueur du capteur et la configuration peut être diminuée en augmentant la longueur de la jauge sur lequel le logiciel d'interrogation calcule le décalage du signal de Rayleigh, mais cela réduit la résolution spatiale effective. Chaque application doit trouver son propre équilibre entre le bruit du signal et la résolution spatiale. Là encore, de telles difficultés peuvent être évitées en grande partie en logeant le capteur dans un tube capillaire au détriment de l'étendue du temps de réponse thermique.
Cette technologie relativement nouvelle de mesure de température nécessite le développement afin de réduire la sensibilité aux vibrations. Une grande partie de ce travail sera nécessairement impliquer le matériel et le logiciel interrogateur. Les capteurs eux-mêmes peuvent également être améliorées pour réduire la sensibilité à la manipulation et de l'humidité, les changements qui sont affectés par les revêtements de fibres. Les travaux pourraient se concentrer sur le développement de revêtements supérieurs à la polyimide et les fibres acryliques revêtues actuellement disponibles dans le commerce.
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).
