Волоконно-оптические датчики для Распределенные картирования температурного поля с высоким разрешением
Summary
Показано использование волоконно-оптического распределенного датчика для отображения температурного поля смешения воздушных струй. Датчик рассеяния на основе Рейли генерирует тысячи точек данных по одному волокну, чтобы обеспечить исключительную пространственное разрешение, которое недостижимо с традиционными датчиками, такими как термопары.
Abstract
Надежность вычислительной гидродинамики (CFD) кодов проверяется путем сравнения моделирования с экспериментальными данными. Типичный набор данных состоит в основном из скорости и температуры чтений, как в идеале, имеющих высокую пространственное и временное разрешение, чтобы облегчить строгую проверку кода. В то время как данные скорости с высоким разрешением легко получить с помощью оптических методов измерения, таких как велосиметрии изображения частиц, оказалось трудно получить данные о температуре с аналогичным разрешением. Традиционные датчики, такие как термопары не может заполнить эту роль, но в последнее время развитие распределенного зондирования на основе релеевского рассеяния и прокатилась волн интерферометрии предлагает разрешение удобной для работы валидации CFD кода. Тысячи измерений температуры могут быть сформированы вдоль одного тонкого оптического волокна при сотен герц. Датчики функционируют на больших температурных диапазонах и в пределах непрозрачных жидкостей, где оптические методы непригодны. Но этот тип датчикачувствителен к деформации и влажности, а также температуры и поэтому точность зависит от обработки, вибрации, а также сдвиги в относительной влажности. Такое поведение вполне в отличие от традиционных датчиков и так нетрадиционный процедуры установки и эксплуатации необходимы для обеспечения точности измерений. Эта статья демонстрирует реализацию датчика температуры в распределенных рэлеевское рассеяние типа в тепловом смесительной эксперименте с участием двух воздушных струй при 25 и 45 ° C. Мы представляем критерии для руководства выбор оптического волокна для датчика и описать настройку установки для эксперимента смешения струи. Проиллюстрируем датчика Baselining, который связывает показания к стандарту абсолютной температуры, а также обсудить практические вопросы, такие, как ошибки, связанные с потоком индуцированных вибрации. Этот материал может помочь тех, кто заинтересован в измерении температуры, имеющих высокую плотность данных и пропускной способности для динамических экспериментов жидкости и других подобных приложений. Мы выделяем подводные камни, характерные для этих датчиков для consideraции при проектировании и эксплуатации эксперимента.
Introduction
Вычислительная гидродинамика (CFD) коды используются для имитации широкого спектра гидравлических систем, от потока воздуха вокруг самолетов и автомобилей до артериального кровотока. Объем и точность воспроизведения такого моделирования выросли при наличии вычислительной мощности. Тем не менее, несмотря на сложности передовых моделирования, их точность и надежность часто трудно поддаются количественной оценке. На практике точность кодов CFD оценивается путем сравнения моделирования с экспериментальными данными при проверке элемента кода процесса, называемого.
Типичный экспериментальный набор данных состоит в основном из измерений скорости и температуры, как в идеале высокой пространственным и временным разрешением, чтобы облегчить строгую проверку кода. Поля скоростей могут быть отображены в высоком разрешении с использованием велосиметрии изображения частиц (PIV), хорошо изученного оптический метод 1,2. В отличие от этого, трудно сопоставить поля температуры с разрешением, сопоставимым с PIV. Opticaл методы , такие как лазер-индуцированной флуоресценции доступны 3,4, но они требуют камер и относительно мощных лазеров, и не подходят для непрозрачных жидкостей.
Альтернатива доступна в относительно новой технологии распределенного измерения температуры на основе релеевского рассеяния и качающейся волны интерферометрии (SWI) 5-7. Тысячи измерений температуры могут быть получены по одному оптическому волокну. Распределенный датчик температуры (DTS) может охватывать большие поля потока и функции в условиях, которые не подходят для методов на основе изображений 8. Есть также DTSS на основе комбинационного рассеяния и Бриллюэна 9,10, но сенсоры на основе релеевского рассеяния и SWI обеспечивают пространственное и временное разрешение больше подходит для типичных экспериментов гидродинамики.
Хотя DTSS плотность предлагают данные далеко за рамки этого традиционных датчиков, таких как термопары (ТК), сенсоры на основе Рэлея scatteкольцо реагирует напрягаться, а также температуры 11. Если покрытие волокна гигроскопичен, датчики также реагируют на влажность воздуха изменяет 12,13. Поглощение паров воды набухает покрытия в то время как десорбция сжимается его 14, который напрягает основную стекловолокно и изменяет сигнал. В результате, точность зависит от обработки, вибрации, а также сдвиги в относительной влажности. Это вполне в отличие от традиционных датчиков и должны соблюдаться так нетрадиционные методы установки и измерения, чтобы получить точные данные. Эта статья демонстрирует использование DTS в эксперименте теплового смешения, представляя протокол и руководящие принципы для обеспечения точности.
В DTS, используемые здесь, основаны на выявлении и анализе рэлеевского рассеяния в волоконно-оптического волновода. Случайное распределение примесей и структурных вариаций вдоль сердцевины волокна приводит к появлению узора обратного рассеяния, который является уникальным для волокна и в целом стабильной. Спектр и амплитудаэтого шаблона может быть считан, чтобы служить в качестве подписи волокна. Физические изменения, такие как сдвиги температуры или напряжения изменяют сигнатуру повторяемым способом, и обнаружение вариаций подписи является основанием для использования волокна в качестве датчика.
На рисунке 1 показаны основные компоненты оптико – электронного измерительного устройства, называемые оптический датчик распределены запросчик, и обозначаемые здесь просто как "следователем". В методике , известной как Загибающиеся длины волны интерферометрии, лазер малой мощности перестраиваемого запускает узкополосный сигнал в волокно с целью регистрации результирующую обратного рассеяния 5-7. Лазер пронесся с интервалом в несколько нанометров и сигнал разделяется между опорным и измерительными ножками. Рассеянный свет от датчика в сочетании с опорным сигналом, для генерирования сигналов помех на детекторах. выходной сигнал детектора преобразуется в цифровую форму и анализируется, чтобы получить сигнал рассеяния Рэлея. РейлIGH подпись сдвигов датчика длины волны, где температура датчика (деформации, или влажности) изменяется. Величина этого сдвига длины волны связан с чувствительности датчика, который является физической константой, связанный с типом волокна, который имеет калибровочный коэффициент, аналогичный коэффициенту Зеебека ТК.
На рисунке 2 показан стеклянный резервуар , который служит в качестве испытательного участка , используемого в данном исследовании. Камера позади танка дает ощущение масштаба. Воздух поступает через два гексагональных протоков и смешивается перед выходом через вентиляционное отверстие. Чтобы выделить самолеты, один поток поток был посеян с масляным туманом, а другой оставался чистым воздухом. Крышка бака имеет окно, закрытое с экраном черного полимера. Хотя не видно на фото, DTS подвешена ниже черного экрана.
Длиною 50 м DTS был установлен под крышкой бака , как показано на рис. 3. Она была сделана из диаметром 155 мкм полиимидной покрытием оптического волокнаи подвесили на диаметр мкм стальной проволоки 127 натянутой между концевыми панелями бака. Датчик был соткан через провод в шахматном порядке и петельные взад и вперед через резервуар 49 раз. Она охватывает 0,5 х 0,8 м плоскостью и генерирует 1355 независимых точек данных с частотой 4 Гц и пространственное разрешение 30 мм, 4,067 точек данных при передискретизация с шагом 10 мм. Такие данные температуры высокой плотности дополняет данные по скорости и увеличивает значение наборов данных для проверки CFD. Протокол описывает процесс выбора датчика, изготовления и конфигурации с особым упором на конкретные проблемы в использовании DTS в динамике эксперимента жидкости.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы продемонстрировали использование DTS в динамике эксперимента жидкости. Главным преимуществом этих датчиков является большое количество точек измерения, которые могут быть получены из одного датчика. В DTS, используемые здесь генерируются данные в 4,067 точках через 0,5 х 0,8 м плоскостью, далеко за осуществимых пределы обычных точечных датчиков, таких как термопары. Хотя такая плотность данных может быть превышена оптическими методами, такими, как лазер индуцированной флуоресценции (LIF), A DTS будет функционировать в непрозрачных жидкостей и приложений, которые не имеют оптический доступ. Высокая плотность данных в формате DTS подходит для экспериментов, связанных с вычислительной валидации кода гидрогазодинамики.
Baselining является важным шагом в протоколе и центральное место в определении точности измерений. Изотермический тест раздел имеет важное значение для обеспечения всей DTS является при одной температуре, когда базовая версия. Если это не представляется возможным, T база становится T база (х), который должен быть МАРРред несколькими техническими комиссиями, расположенных в непосредственной близости от DTS. Хотя базовый уровень качества может быть улучшена таким образом, это усложняет процесс сопоставления исходных условий DTS к стандартам для преобразования в абсолютной температуры.
Всегда быть в поисках источников напряжения после базовой линии, которое может вводить непредсказуемые сдвиги сигналов. Такие источники, например, экспериментальный участок теплового расширения, который простирается датчик, перемещение опор, динамическая нагрузка с высокой скоростью потока, или вибрации вызванные потоком. Измерения до и посттестовых в изотермических условиях поможет выявить такие проблемы.
Чувствительность Штамм является основным недостатком этого Рэлея DTS рассеяния на основе. В отличие от обычных датчиков, таких как термопары, он чувствителен к обработке, влажности и вибрации. Эти вопросы являются наиболее актуальными для голой конфигурации датчика здесь было показано, но гораздо менее важны для датчиков, размещенных в капиллярах.
В отличие от обычных датчиков, A DTS не могут быть приобретены с отслеживанием документов его признанным стандартом калибровки , такие как NIST (Национальный институт стандартов и технологий). В месте калибровки необходимы, предпочтительно с изотермическим испытательной секции, которая может быть трудным в некоторых Приложения. Вибрация представляет особый интерес для голого волокна, натянутой поперек большой испытательной секции. Мы имели смешанный успех с вертикально-ориентированной массив, который охватывает длинной оси резервуара при длине сегмента 1,7 м. Конфигурация с 28 м волокна и 16 сегментов показали хорошие результаты в ходе одного исследования 18, но попытки распространить его на 53 м с 29 сегментами был неудачным 16.
В общем случае, сигнал шум для любой длины датчика и конфигурации могут быть уменьшены за счет увеличения длины образца, по которому программное обеспечение запросчик вычисляет сдвиг сигнала рэлеевскую, но это снижает эффективное пространственное разрешение. Каждый Applicaция должна ударить свой собственный баланс между шумом сигнала и пространственным разрешением. Опять же, такие трудности могут быть в значительной степени избежать, корпус датчика в капилляр за счет длительного времени теплового отклика.
Это относительно новая технология измерения температуры требует развития, чтобы уменьшить восприимчивость к вибрации. Большая часть этой работы будет обязательно включать в себя аппаратное и программное обеспечение запросчика. Сами датчики также могут быть улучшены, чтобы уменьшить чувствительность к обработке и влажности, которые пострадали от покрытия волокна. Работа может сосредоточиться на разработке покрытий, превосходящие полиимида и акрилатных покрытием волокон в настоящее время коммерчески доступным.
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).
