חיישני סיבים אופטיים מבוזרת עבור מיפוי שדה הטמפרטורה גבוהה ברזולוציה
Summary
אנו מדגימים שימוש בחיישן מופץ סיבים אופטיים למיפוי שדה הטמפרטורה של ערבוב מטוסי אוויר. חיישן הפיזור מבוסס ריילי מייצר אלף נקודות נתונים לאורך סיב בודד לספק רזולוציה מרחבית חריגה היא בלתי ניתן להשגה עם חיישנים מסורתיים כגון צמדים.
Abstract
המהימנות של קודי חישובית דינמיקה של נוזלים (CFD) מסומנת על ידי השוואת סימולציות עם נתונים ניסיוניים. מערך נתונים טיפוסי מורכב בעיקר של קריאות מהירות וטמפרטורה, הוא באופן אידיאלי שיש ברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן כדי להקל אימות קוד קפדנית. בעוד נתונים במהירות גבוהה ברזולוציה מתקבלים בקלות באמצעות שיטות מדידה אופטיות כגון velocimetry תמונת חלקיק, היא הוכיחה קשה להשיג נתוני טמפרטורה עם רזולוציה דומה. חיישנים מסורתיים כגון צמדים לא יכולים למלא את התפקיד הזה, אבל ההתפתחות האחרונה של חישה מבוזרות המבוססת על פיזור ריילי ו interferometry-גל נסחף מציעה רזולוציה מתאימה לעבודת אימות קוד CFD. אלפי מדידות הטמפרטורה יכולה להיווצר לאורך סיב אופטי דק יחיד במאות הרץ. חיישנים לתפקד בתחומי טמפרטורה גדולים בתוך נוזלים אטומים שבו שיטות אופטיות אינן מתאימות. אבל זה סוג של חיישןהוא זן ולחות רגיש וכן מושפע דיוק טמפרטורה זאת על ידי טיפול, רטט, משמרות בלחות יחסית. התנהגות כזו היא בניגוד גמור חיישנים מסורתיים וכן הלאה בהליכי התקנה ותפעול שיגרתי נחוצים על מנת להבטיח מדידות מדויקות. מסמך זה מדגים יישום חיישן טמפרטורה מופצת פיזור מסוג ריילי בניסוי ערבוב תרמית המעורב שני מטוסי אוויר ° C 25 ו -45. אנו מציגים קריטריונים להנחות בבחירת סיבים אופטיים עבור החיישן ולתאר את התקנה עבור ניסוי ערבוב סילון. אנחנו להמחיש baselining חיישן, מקשר קריאות אדם לרמת טמפרטורה מוחלטת, ולדון בנושאים מעשיים כגון שגיאות עקב זרימת נגרמת רטט. חומר זה יכול לסייע למעונייני מדידות טמפרטורה שיש צפיפות ורוחב פס נתונים גבוהות לניסויי דינמיקה של נוזלים ויישומים דומים. אנו מדגישים חסרונות ספציפיים לחיישנים האלה עבור consideration בתכנון ותפעול ניסוי.
Introduction
קודי דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD) משמשים כדי לדמות מגוון רחב של מערכות נוזלות, מן זרימת אוויר סביב מטוסים ומכוניות למטה עורקי זרימת דם. ההיקף והנאמנות של סימולציות כאלה גדלו עם הזמינות של כוח מחשוב. עם זאת, למרות התחכום של סימולציות מתקדמות, הדיוק והאמינות שלהם הם לעתים קרובות קשים לכמת. בפועל, את הדיוק של קודי CFD נבחן על ידי השוואת סימולציות עם נתונים ניסיוניים בתוך אימות קוד תהליך הנקרא.
סט נתונים ניסיוני טיפוסי מורכב בעיקר של מדידות מהירות וטמפרטורה, הוא באופן אידיאלי של ברזולוציה גבוהה במרחב ובזמן כדי להקל אימות קוד קפדנית. שדות מהירות ניתן למפות ברזולוציה גבוהה באמצעות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) חברת 1,2 טכניקה אופטית ומבוססת. לעומת זאת, קשה למפות שדות טמפרטורה עם רזולוציה דומה לזו של PIV. אופטיקהטכניקות l כגון קרינה הנגרם ליזר זמינות 3,4, אבל הם דורשים מצלמות יחסית לייזרי הספק גבוה, והם מתאימים נוזלים אטומים.
חלופה זמינה טכניקה חדשה יחסית של הטמפרטורה חישה מבוזרות מבוססות על פיזור ריילי וגרף גל אינטרפרומטריה (SWI) 5-7. אלף מדידות טמפרטורה ניתן לרכוש יחד סיב אופטי יחיד. חיישן טמפרטורה מבוזרת (DTS) יכול להקיף שדות זרימה גדולים ותפקוד בסביבות שאינן מתאימים טכניקות מבוססות תמונה 8. ישנם גם DTSs מבוסס על רמן ברילואן פיזור 9,10, אבל חיישנים מבוסס על פיזור ריילי ו SWI לספק רזולוציה במרחב ובזמן יותר מתאים לניסוי דינמיקה של נוזלים טיפוסי.
למרות צפיפות נתוני הצעת DTSs הרבה מעבר לזה של חיישנים מסורתיים כגון צמדים (TCS), חיישנים מבוססים על ריילי scatteלהגיב טבעת להתאמץ כמו גם טמפרטורה 11. אם ציפוי הסיבים הוא היגרוסקופי, חיישנים גם להגיב לחות משתנית 12,13. קליטה של אדי מים מתנפחת הציפוי תוך desorption מתכווץ זה 14, אשר מהווה עומס על סיבי זכוכית הבסיסיים ומשנה את האות. כתוצאה מכך, דיוק מושפע טיפול, רטט, משמרות בלחות יחסית. הדבר שונה לגמרי חיישנים מסורתיים ולכן שיטות התקנה ומדידה שיגרתיות יש להקפיד לקבל נתונים מדויקים. מסמך זה מדגים את השימוש של DTS בניסוי ערבוב תרמית, הצגת פרוטוקול והנחיות כדי להבטיח דיוק.
DTS המובאים כאן מבוססים על זיהוי וניתוח של ריילי פיזור בתוך מוליך גל סיב אופטי. התפלגות אקראית של זיהומי שינויים מבניים לאורך ליבת הסיבים מולידה דפוס backscatter שייחוד הסיב היציב בדרך כלל. הספקטרום משרעתניתן לקרוא של דפוס זה לשמש חתימת סיבים. שינויים פיסיים כגון משמרות טמפרטורה או זן לשנות את החתימה באופן הדיר, ואת גילוי וריאציות חתימה הוא הבסיס באמצעות הסיבים כחיישן.
איור 1 מדגים את רכיבי העיקרון של מכשיר חישת אופטו, נקרא חוקר חיישן מופץ אופטי, ואת מה שאנו מכנים כאן בפשטות "חוקר". בשנת בטכניקה המכונה interferometry גל סחף, מתכונן לייזר בהספק נמוך משיקה אות פס צר לתוך הסיב לצורך רישום כתוצאה backscatter 5-7. הליזר שסחף הפסקה של מספר ננומטרים ואת האות לפצל בין רגלי התייחסות ומדידה. אור מפוזר מהחיישן בשילוב עם אות הייחוס לייצר אותות הפרעות לגלאים. פלט גלאי הוא דיגיטציה ונותח כדי לאחזר את אות פיזור ריילי. Rayleחתימת igh של משמרות חיישן הגל שבו טמפרטורת חיישן (זן, או לחות) שינויים. סדר הגודל של שינוי אורך גל זה קשור חיישן רגישות, שהנו קבוע פיזיקלי משויך לסוג הסיבים, אשר יש גורם כיול מקביל מקדם Seebeck של TC.
איור 2 מציג את מיכל זכוכית המשמש בסעיף הבדיקה נעשה שימוש במחקר זה. המצלמה מאחורי הטנק נותנת תחושה של קנה מידה. האוויר נכנס דרך שני צינורות משושה ומתערבב לפני היציאה דרך פורקן. כדי להדגיש את המטוסים, זרם זרם אחד היה זרע עם ערפל שמן ואילו השני נותר אוויר טהור. מכסה הטנק יש חלון מכוסה מסך פולימרי שחור. למרות שלא ניתן להבחין בה בתמונה, את DTS מושעה מתחת למסך השחור.
50 DTS מ 'אורך הוצב מתחת למכסה מיכל כפי שמוצג באיור. 3. זה היה נושן מ 155 מיקרומטר בקוטר מצופה polyimide סיבים אופטייםותלה על תיל פלדה 127 מיקרומטר בקוטר מתוח בין לוחות סוף טנק. החיישן נרקם דרך כבל דפוס לסירוגין כרך הלוך ושוב על פני הטנק 49 פעמים. היא משתרעת מטוס 0.5 x 0.8 מ 'ומייצר 1,355 נקודות נתונים עצמאית ב 4 הרץ ו ברזולוציה מרחבית של 30 מ"מ, 4,067 נקודות נתונים כאשר oversampled עם ריווח 10 מ"מ. נתוני טמפרטורה גבוהה צפיפות כזו משלים נתונים מהירים ומגדילים את הערך של ערכות נתונים עבור אימות CFD. הפרוטוקול מתאר את התהליך של בחירת חיישן, ייצור, ותצורה תוך התמקדות חששות מסוימים באמצעות DTS בניסוי דינמיקה של נוזלים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנחנו הוכחנו את השימוש של DTS בניסוי דינמיקה של נוזלים. היתרון העיקרי של גלאים אלו הוא המספר הגדול של נקודות מדידה כי ניתן להשיג חיישן בודד. DTS משמש כאן נתונים שנוצר ב- 4,067 נקודות על פני מטוס 0.5 x 0.8 מ ', הרבה מעבר לגבולות המעשיים של חיישני נקודה קונבנציונליים כגון צמדים. בעוד צפיפות נתונים כאלה יכול להיות חריגות על ידי שיטות אופטיות כגון קרינת הליזר מושרה (LIF), ב- DTS יתפקד בנוזלי אטום ויישומים שאין להם אפשרות גישה אופטית. צפיפות הנתונים הגבוהה של DTS מתאימה ניסויים מעורבים אימות קוד ובדינמיקה של נוזלים.
Baselining היא השלב הקריטי בפרוטוקול ומרכזי בקביעת דיוק המדידה. קטע בדיקת isothermal חיוני על מנת להבטיח את DTS כולו הוא בטמפרטורה אחד כאשר baselined. אם הדבר אינו אפשרי, בסיס T הופך בסיס T (x), שאמור להיות mAppאד על ידי מספר רב של תורמים נבחרים להציב בסמיכות DTS. למרות איכות מחקר ניתן לשפר באופן זה, זה מסבך את תהליך מיפוי בסיס DTS לסטנדרטים להמרת טמפרטורה מוחלטת.
תמיד להיות על המשמר מפני מקורות המתח לאחר המחקר, אשר יכול להציג משמרות אות בלתי צפויות. מקורות כאלה הם, למשל, סעיף מבחן התפשטות תרמית המותחת את החיישן, תנועת משענות, טוען דינמי מ ספיקה גבוהה, או רטט נגרמת זרימה. המדידות לפני ואחרי posttest בתנאי isothermal תעזורנה לזהות בעיות כאלה.
רגישות העיוות היא החסרון העיקרי של DTS ריילי זה מבוסס פיזור. בניגוד חיישנים קונבנציונליים כמו צמדים, שהוא עלול להיות מושפע טיפול, לחות, ורטט. נושאים אלה הם רלוונטיים ביותר עבור תצורת החיישן החשופה הפגינה כאן, אבל הרבה פחות חשוב עבור חיישנים שוכנו נימים.
בניגוד חיישנים קונבנציונלי, DTS כשאזל עם הניירת התחקות אותו סטנדרט כיול מוכר כגון NIST (המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה). In-situ כיולים נחוצים, רצוי עם קטע הבדיקה בידוד תרמי, אשר עשוי להיות קשה בחלק יישומים. רטט הוא דאגה מיוחדת סיבים חשופים המתוח לרוחב קטע ניסוי רחב היקף. היו לנו הצלחה מעורבת עם מגוון אנכי מוכווני החובק את הציר הארוך של הטנקים לעבר אורכי קטע של 1.7 מ '. תצורה עם 28 מ 'של סיבים ו -16 מגזרי ביצועים טובים במהלך מחקר אחד 18, אבל מנסה להאריך אותו ל -53 מ' עם 29 מגזרים 16 לא מוצלחים.
באופן כללי, אות לרעש לכל אורך חיישן ותצורה יכול להיות ירידה של הגדלת אורך גייג ', בן התוכנה החוקרת מחשבת את משמרת אות ריילי, אבל זה מפחית ברזולוציה מרחבית יעילה. applica כלtion חייב שיקבע איזון משלו בין אות לרעש ברזולוציה מרחבית. שוב, קשיים כאלה ניתן להימנע במידה רבה על ידי דיור החיישן בתוך נימים על חשבון זמן תגובת תרמית מורחב.
טכנולוגיה למדידת טמפרטורה חדשה יחסית זה דורשת פיתוח להפחית את הסיכויים לחלות רטט. חלק גדול מהעבודה הזאת בהכרח יהיה כרוך החומרה החוקר ותוכנה. החיישנים עצמם עשויים להיות גם שיפור כדי להפחית את רגישות לשינויי טיפול ולחות, אשר מושפעים ציפוי הסיבים. עבודה מפני להתמקד בפיתוח ציפויים עדיפים על polyimide וסיבים המצופים acrylate הזמין כרגע לשימוש מסחרי.
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).
