Temperaturfeldzuordnung Glasfaser verteilten Sensoren für hochauflösendes
Summary
Wir demonstrieren die Verwendung eines faseroptischen verteilten Sensor zum Abbilden des Temperaturfeldes Luftstrahlen zu mischen. Die Rayleigh-Streuung-basierten Sensor erzeugt Tausende von Datenpunkten entlang einer einzelnen Faser außergewöhnliche räumliche Auflösung zu schaffen, die mit herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente unerreichbar ist.
Abstract
Die Zuverlässigkeit der Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes wird durch den Vergleich Simulationen mit experimentellen Daten überprüft. Ein typischer Datensatz besteht hauptsächlich aus Geschwindigkeit und der Temperatur, die beide ideal hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu strengen Code-Validierung zu erleichtern. Während hochauflösende Geschwindigkeitsdaten leicht durch optische Messtechniken wie Particle Image Velocimetry erhalten wird, hat es sich als schwierig erwiesen, Temperaturdaten mit ähnlicher Auflösung zu erhalten. Traditionelle Sensoren wie Thermoelemente können diese Rolle nicht ausfüllen, aber die jüngste Entwicklung von verteilten Erfassung basierend auf der Rayleigh-Streuung und gefegt Wellen Interferometrie bietet Auflösung geeignet für CFD-Code-Validierung Arbeit. Tausende von Temperaturmessungen entlang einer einzigen dünnen Lichtleitfaser an Hunderten von Hertz erzeugt werden. Sensoren arbeiten über große Temperaturbereiche und innerhalb undurchsichtigen Flüssigkeiten, wo optische Techniken ungeeignet sind. Aber diese Art von Sensorist sowie Temperatur und so wird die Genauigkeit beeinflußt durch die Handhabung, Vibrationen und Verschiebungen in der relativen Feuchtigkeit auf Dehnung und Feuchtigkeit empfindlich. Ein solches Verhalten ist ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren und so unkonventionelle Installation und Betriebsverfahren sind notwendig, um genaue Messungen zu gewährleisten. Dieses Papier zeigt Implementierung einer Rayleigh-Streuung-Typ verteilten Temperatursensor in einem Experiment thermischen Mischen von zwei Luftstrahlen bei 25 und 45 ° C beteiligt sind. Wir präsentieren Kriterien Auswahl der optischen Faser für den Sensor zu führen und Installations-Setup für einen Jet-Mischexperiment beschreiben. Wir zeigen Sensor Baselining, die Messwerte zu einer absoluten Temperatur-Standard verbindet, und praktische Fragen wie Fehler aufgrund von strömungsinduzierten Vibrationen. Dieses Material kann die Interessenten bei Temperaturmessungen mit hoher Datendichte und Bandbreite für Fluiddynamik Experimente und ähnliche Anwendungen unterstützen. Wir heben Tücken speziell für diese Sensoren für consideration in Versuchsplanung und Betrieb.
Introduction
Computational Fluid Dynamics (CFD) Codes werden verwendet, um eine Vielzahl von Fluidsystemen zu simulieren, von Luftstrom um Flugzeuge und Automobile den Blutfluss auf eine arterielle. Der Umfang und die Genauigkeit solcher Simulationen mit der Verfügbarkeit von Computerleistung gewachsen. Doch trotz der Komplexität der komplexen Simulationen, ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit sind oft schwer zu quantifizieren. In der Praxis wird die Genauigkeit von CFD-Codes beurteilt durch Simulationen mit experimentellen Daten in einem Prozess namens Codevalidierung vergleicht.
Eine typische experimentelle Datensatz besteht hauptsächlich aus Geschwindigkeit und Temperaturmessungen, die beide im Idealfall mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung strengen Code-Validierung zu erleichtern. Geschwindigkeitsfelder können bei hoher Auflösung mit Particle Image Velocimetry (PIV), eine gut etablierte optische Technik 1,2 abgebildet werden. Im Gegensatz dazu ist es schwierig, Temperaturfelder mit einer Auflösung vergleichbar mit der von PIV zu kartieren. Optical Techniken wie Laserinduzierte Fluoreszenz zur Verfügung 3,4, aber sie erfordern relativ Kameras und Hochleistungslaser und sind ungeeignet für die opake Flüssigkeiten.
Eine Alternative ist in der relativ neuen Technik der verteilten Temperaturerfassung auf Basis von Rayleigh – Streuung und gefegt-Wellenlängen – Interferometrie (SWI) 5-7 erhältlich. Tausende von Temperaturmessungen entlang einer einzigen optischen Faser erfasst werden. Eine verteilte Temperatursensor (DTS) kann in Umgebungen großer Strömungsfelder und Funktions erstrecken , die 8 für die bildbasierte Techniken ungeeignet sind. Es gibt auch DÜAs basierend auf Raman und Brillouin – Streuung 9,10, aber Sensoren basierend auf Rayleigh – Streuung und SWI bieten räumliche und zeitliche Auflösung besser geeignet für typische Strömungsdynamik Experimenten.
Obwohl DÜAs Angebot Datendichte weit über die herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente (TCs), Sensoren auf Basis von Rayleigh scatteRing reagieren sowie Temperatur 11 bis belasten. Wenn die Faserbeschichtung hygroskopisch ist, Sensoren reagieren auch auf Feuchtigkeit 12,13 ändert. Absorption von Wasserdampf quillt die Beschichtung während der Desorption es 14 schrumpft, was die darunter liegenden Glasfaser – Stämme und ändert das Signal. Als Ergebnis wird die Genauigkeit durch die Handhabung, Vibrationen und Verschiebungen in der relativen Feuchtigkeit beeinflußt. Das ist ganz im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren und so unkonventionelle Installation und Messverfahren zu beachten, genaue Daten zu erhalten. Dieses Papier zeigt die Verwendung eines DTS in einem thermischen Mischexperiment, ein Protokoll und Richtlinien präsentiert Genauigkeit sicherzustellen.
Die DTS verwendet hier basierend auf der Erfassung und Analyse der Rayleigh-Streuung innerhalb eines faseroptischen Wellenleiter. Eine zufällige Verteilung von Verunreinigungen und Strukturvariationen entlang des Faserkerns führt zu einem Rückstreumuster, das auf die Faser und in der Regel stabile einzigartig ist. Das Spektrum und die Amplitudenkann dieses Musters als Fasersignatur zu dienen gelesen werden. Physikalische Veränderungen wie Temperaturverschiebungen oder Dehnung verändern die Unterschrift in einer wiederholbaren Art und Weise und Variationen Signaturerfassungs ist die Basis, die Faser als Sensor für die Verwendung.
Abbildung 1 zeigt die Hauptkomponenten des optoelektronischen Erfassungseinrichtung, eine optische verteilten Sensorabfrage genannt und hier einfach als "Abfrageeinrichtung " bezeichnet. In einer Technik , die als Swept-Wellenlängen – Interferometrie bekannt ist , startet ein Low – Power – abstimmbaren Laser ein Schmalbandsignal in die Faser für die Zwecke resultierende Backscatter 5-7 zu registrieren. Der Laser wird in einem Intervall von mehreren Nanometern gekehrt und das Signal aufgeteilt zwischen Referenz- und Messbeinen. Streulicht von dem Sensor mit dem Referenzsignal kombiniert, um Interferenzsignale an den Detektoren zu erzeugen. Detektorausgang wird digitalisiert und analysiert, um das Streusignal Rayleigh abzurufen. Die Rayleigh Unterschrift der Sensor Verschiebungen in der Wellenlänge in dem Sensortemperatur (Stamm oder Feuchtigkeit) ändert. Die Größe dieser Wellenlängenverschiebung bezieht Empfindlichkeit Sensor, der eine physikalische Konstante ist, mit dem Fasertyp verbunden, die einen Kalibrierungsfaktor analog dem Seebeck-Koeffizienten eines TC hat.
Abbildung 2 zeigt den Glasbehälter, der als Teststrecke in dieser Studie verwendeten dient. Die Kamera hinter dem Tank gibt ein Gefühl der Skala. Luft tritt durch zwei hexagonalen Kanälen und vermischt, bevor sie durch eine Entlüftungsöffnung austritt. Um die Jets zu markieren, wurde ein Durchflussstrom mit Ölnebel ausgesät, während der andere reine Luft blieb. Der Tankdeckel hat ein Fenster mit einem schwarzen Bildschirm Polymer bedeckt. Obwohl nicht sichtbar auf dem Foto wird das DTS unter dem schwarzen Bildschirm suspendiert.
Eine 50 m lange DTS wurde unter dem Tankdeckel montiert , wie in Fig. 3. Es wurde geformt aus 155 & mgr; m Durchmesser mit Polyimid beschichteten optischen Faserund hängte auf 127 & mgr; m Durchmesser Stahldraht zwischen Tank Endplatten aufgereiht. Der Sensor wurde durch den Draht in einem alternierenden Muster gewebt und hin und her über den Tank 49 mal durchgeschleift. Es erstreckt sich über eine 0,5 x 0,8 m-Ebene und erzeugt 1.355 unabhängige Datenpunkte bei 4 Hz und räumlichen Auflösung von 30 mm, 4.067 Datenpunkte, wenn sie mit 10 mm Abstand überabgetastet. Eine solche hohe Dichte Temperaturdaten ergänzt Datengeschwindigkeit und erhöht den Wert von Datensätzen für die CFD-Validierung. Das Protokoll beschreibt den Prozess der Sensorauswahl, Fertigung und Konfiguration, während bei der Verwendung der DTS in einem Fluiddynamik Experiment auf die besonderen Belange konzentrieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben die Verwendung von einem DTS in einem fluid dynamics Experiment gezeigt. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist die große Anzahl von Messpunkten, die von einem einzelnen Sensor erhalten werden kann. Die DTS verwendet hier erzeugten Daten bei 4.067 Punkten in einer 0,5 x 0,8 m Ebene, weit über die Grenzen herkömmlicher praktikabel Punktsensoren wie Thermoelemente. Während solche Datendichte kann durch optische Techniken wie Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) überschritten werden, wird eine DTS in undurchsichtigen Flüssigkeiten und Anwendungen funktionieren, die optischen Zugang fehlt. Die hohe Datendichte einer DTS eignet sich für die in Computational Fluid Dynamics-Code-Validierung beteiligt Experimente.
Baselining ist der kritische Schritt im Protokoll und zentral in die Messgenauigkeit zu bestimmen. Ein isothermen Testabschnitt ist wesentlich die gesamte DTS ist bei einer bestimmten Temperatur zu gewährleisten, wenn eine Baseline. Wenn dies nicht möglich ist, wird T Base Base T (x), die mapp sein sollteed durch den DTS in unmittelbarer Nähe platziert TCs mehrere. Obwohl Basisqualität kann auf diese Weise verbessert werden, erschwert es, den Prozess der DTS Basislinie der Zuordnung zu den Standards für die Umstellung auf die absolute Temperatur.
Immer auf der Suche nach Quellen der Stamm nach dem Beginn der Studie, die unberechenbar Signalverschiebungen einführen können. Solche Quellen sind zum Beispiel Meßstrecke Wärmeausdehnungs, die den Sensor erstreckt, die Bewegung von Trägern, dynamische Belastung von hohen Flußraten oder strömungsinduzierten Vibrationen. Die Vor- und Nachtest Messungen unter isothermen Bedingungen helfen, solche Probleme zu identifizieren.
Dehnungsempfindlichkeit ist das größte Manko dieser Rayleigh-Streuung-basierte DTS. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren wie Thermoelemente, ist es empfindlich gegenüber Handhabung, Feuchtigkeit und Vibration. Diese Fragen sind am wichtigsten für die bloßen Sensorkonfiguration hier gezeigt, aber weit weniger wichtig für die in Kapillaren untergebracht Sensoren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren kann ein DTS nicht mit Papierkram es zu einer anerkannten Kalibrierungsstandard wie NIST (National Institute of Standards and Technology) Tracing beschafft werden. In-situ – Kalibrierungen erforderlich sind, vorzugsweise mit einem isothermen Teststrecke, die in einigen schwierig sein kann , Anwendungen. Die Vibration ist von besonderer Bedeutung für die blanke Faser in einem großen Testabschnitt aufgereiht. Wir haben mit einem vertikal ausgerichteten Array gemischtem Erfolg hatte, dass die lange Achse des Tanks bei Segmentlängen von 1,7 m erstreckt. Eine Konfiguration mit 28 m Faser und 16 Segmente während einer Studie 18, gut durchgeführt , aber versucht , es war nicht erfolgreich 16 bis 53 m mit 29 Segmenten zu verlängern.
Im allgemeinen Signalrauschen für jede Sensorlänge und Konfiguration kann durch Erhöhung der Messlänge, über die die Abfragesoftware die Verschiebung Rayleigh-Signal berechnet verringert werden, aber dies reduziert die effektive räumliche Auflösung. Jede Anwention muss sein eigenes Gleichgewicht zwischen Signalrauschen und räumlicher Auflösung schlagen. Wiederum können solche Schwierigkeiten weitgehend durch das Gehäuse des Sensors in einer Kapillare auf Kosten der längeren thermischen Reaktionszeit vermieden werden.
Diese relativ neue Temperaturmesstechnik erfordert Entwicklung Schwingungsanfälligkeit zu reduzieren. Ein großer Teil dieser Arbeit wird notwendigerweise die Abfrageeinrichtung Hard- und Software beinhalten. Die Sensoren selbst können auch Empfindlichkeit gegenüber Handhabung und Feuchtigkeitsänderungen zu reduzieren, verbessert werden, die von den Faserbeschichtungen betroffen sind. Könnten die Arbeiten konzentrieren sich auf Beschichtungen überlegen dem Polyimid und Acrylat-beschichteten Fasern zur Zeit im Handel erhältlich entwickeln.
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).
