Yüksek çözünürlüklü Sıcaklık Alan Haritalama için Fiber Optik Sensörler Dağıtılmış
Summary
Bu hava jetleri karıştırma sıcaklık alanını eşleştirmek için bir fiber optik sensör dağıtılmış kullanımını göstermektedir. Rayleigh saçılması tabanlı sensör gibi termokupllar gibi geleneksel sensörleri ile ulaşılamaz istisnai uzaysal çözünürlüğü sağlamak için tek bir fiber boyunca veri noktaları binlerce üretir.
Abstract
hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) kodları güvenilirliği deneysel verilerle simülasyonlar karşılaştırılarak kontrol edilir. Tipik bir veri seti hız ve sıcaklık okumaları esas, hem de ideal titiz kodu doğrulama kolaylaştırmak için yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip oluşur. yüksek çözünürlüklü hızı verileri, kolaylıkla bu parçacık görüntülemeli hız optik ölçme teknikleri ile elde edilirken, içindeki çözünürlüğü sıcaklık verilerini elde etmek zor olduğu kanıtlanmıştır. Böyle termokupllar gibi geleneksel sensörler bu rolü doldurmak değil, ancak Rayleigh saçılması ve süpürüldü dalga interferometriye dayalı dağıtık algılama son gelişmeler CFD kodu doğrulama çalışmaları için uygun çözünürlük sunuyor. sıcaklık ölçümleri Binlerce Hertz yüzlerce tek bir ince fiber optik boyunca oluşturulabilir. Sensörler büyük sıcaklık aralıklarında ve optik teknikler uygun olan opak sıvıların içinde çalışır. Ancak bu tip bir sensörgerilme ve nem gibi sıcaklığa karşı hassastır ve bu yüzden doğru, taşıma titreşim ve bağıl nem kaymalar etkilenir. Böyle bir davranış oldukça geleneksel sensörler benzemez ve bu yüzden sıradışı kurulum ve çalıştırma prosedürleri doğru ölçüm sağlamak için gereklidir. Bu çalışma, 25 ve 45 ° C 'de iki hava jeti ile ilgili bir ısı karıştırma deneyinde bir Rayleigh saçılması tipi dağıtılmış sıcaklık sensörü uygulanmasını göstermektedir. Biz sensör için fiber optik seçiminde rehberlik ve bir jet karıştırma deney için kurulum ayarları tanımlamak için kriterleri sunuyoruz. Biz titreşim kaynaklı akış nedeniyle hata olarak mutlak sıcaklık standardına okumaları bağlayan sensör baselining, göstermek ve pratik konuları görüşmek. Bu malzeme akışkan dinamiği deneyler ve benzer uygulamalar için yüksek veri yoğunluğu ve bant genişliği olan sıcaklık ölçümleri ilgilenenler yardımcı olabilir. Biz estetik bilimi için bu sensörler belirli tuzaklar vurgulamakDeney tasarımı ve operasyonda yon.
Introduction
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) kodları kan akışını arteriyel aşağı uçaklar ve otomobiller etrafında hava akımı gelen sıvı sistemleri geniş bir yelpazede simüle etmek için kullanılır. Bu tür simülasyonlar kapsamı ve sadakat işlem gücü durumu ile büyüdü. Ancak, gelişmiş simülasyon gelişmişliği rağmen, bunların doğruluğu ve güvenilirliği genellikle ölçmek zordur. Uygulamada, CFD kodları doğruluğu süreci olarak adlandırılan kod doğrulama deneysel verilerle simülasyonlar karşılaştırılarak değerlendirilir.
Tipik bir deneysel veri seti, titiz kodu doğrulama kolaylaştırmak için ideal yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe hem hız ve sıcaklık ölçümlerinin esas oluşur. Hız alanları parçacık görüntüleyerek hız ölçümü (PIV), iyi kurulmuş bir optik teknik 1,2 kullanarak yüksek çözünürlükte eşlenebilir. Bunun aksine, PIV karşılaştırılabilir çözünürlük sıcaklık alanları harita zordur. OpticaLazer indüklemeli fluoresans olarak l teknikleri 3,4 mevcuttur, ancak kameralar ve nispeten yüksek güçlü lazerler gerektirir ve opak akışkanlar için uygun değildir.
Bir alternatif Rayleigh saçılımı dayalı ve süpürüldü dalgaboyu enterforemetre (SWI) 5-7 dağıtılmış sıcaklık algılama nispeten yeni tekniği kullanılabilir. Sıcaklık ölçümlerinin binlerce tek bir optik fiber boyunca elde edilebilir. Bir dağıtılmış sıcaklık sensörü (DTS) görüntü tabanlı teknikler 8 için uygun olmayan ortamlarda büyük akış alanları ve fonksiyon yayılabilir. Orada Raman ve Brillouin 9,10 saçılma dayalı PTS'ler, ama sensörler Rayleigh saçılımı dayalı da ve SWI tipik akışkan dinamiği deneyler için mekansal ve zamansal çözünürlük daha uygun sağlamak.
Gerçi bu tür Rayleigh scatte dayalı termokupl (TC), sensörler kadar geleneksel sensörleri ötesinde PTS'ler teklif veri yoğunluğuhalka cevap sıcaklığı 11 gibi zorlanma. Fiber kaplama higroskopik ise nem 12,13 değişiklikleri için, sensörler de yanıt verir. Kusma, altta yatan cam elyafı suşları ve sinyal değiştirir ki, bu 14 küçülür ise su buharı emilimi kaplama şişer. Bunun bir sonucu olarak, doğru, taşıma titreşim ve bağıl nem kaymalar etkilenir. Bu oldukça geleneksel sensörlerin aksine ve çok sıradışı kurulum ve ölçüm yöntemleri doğru veri elde etmek için dikkat edilmelidir. Bu yazıda doğruluğunu sağlamak için bir protokol ve yönergeler sunan bir termal karıştırma deneyde bir DTS kullanımını gösterir.
Burada kullanılan DTS fiber optik dalga kılavuzu içinde tespit ve Rayleigh saçılması analizine dayanmaktadır. elyaf çekirdeği boyunca yabancı maddeler ve yapısal varyasyonların rastgele dağılımı elyaf ve genel olarak yatay özgü bir geri saçılma desen meydana getirir. spektrum ve genlikBu modelin bir lif imzanız olarak okunabilir. Sıcaklık vardiya veya zorlanma gibi fiziksel değişiklikler tekrarlanabilir bir şekilde imza değiştirir ve imza varyasyonları tespit bir sensör olarak fiber kullanarak temelidir.
Şekil 1 optoelektronik algılama cihazının ana bileşenleri, bir optik sensör dağıtılmış sorgulayıcı denilen ve sadece "sorgulayıcı" olarak burada ifade göstermektedir. Süpürüldü dalga boyu interferometre olarak bilinen bir yöntem olarak, bir düşük güç ayarlanabilir lazer 5-7 geri saçılma bileşkesini kayıt amacıyla fibere dar bantlı bir sinyal başlatır. Lazer birkaç nanometre aralıklarla süpüren ve sinyal referans ve ölçüm bacaklarının arasına bölünmüş. Sensörün saçılan ışık detektörleri parazit sinyalleri üretmek için bir referans sinyali ile birleştirilir. Dedektör çıkışı sayısallaştırılmış ve Rayleigh saçılması sinyalini almak için analiz olduğunu. Rayledalga boyu sensörü sıcaklık (zorlanma veya nem) değişiklikler sensör kaymaların igh imzası. bu dalga boyu kaymanın büyüklüğüyle bir TC Seebeck kat benzer bir kalibrasyon faktörü lif tipi ile ilişkili fiziksel bir sabittir hassasiyeti, sensör ile ilgilidir.
Şekil 2, bu çalışmada kullanılan deney bölümü olarak hizmet Cam tankı göstermektedir. tankın arkasında kamera ölçek duygusu verir. Hava iki altıgen kanalları yoluyla girer ve bir havalandırma yoluyla çıkmadan önce karıştırır. diğer saf hava kalırken jetleri vurgulamak için, bir akış akışı yağ sisi ile ekilmiştir. Tank kapağı siyah polimer ekrana kaplı bir pencere vardır. fotoğrafın görünür olmasa da, DTS siyah ekran altında askıya alınır.
Şek 50 m uzunluğunda DTS depo kapağının altına monte edildi. 3.. Bu 155 mikron çapında poliimid kaplamalı optik fiberden moda olduve tank uç panelleri arasına gerilmiş 127 mikron çapında çelik tel üzerinde asılı. Sensör dalgalı bir tel aracılığıyla dokuma ve ileri geri tankın karşısında 49 kez düğümlenmişti. Bu 0.5 x 0.8 m uçağı kapsayan ve 10 mm aralıkla oversampled zaman 1355 4 Hz bağımsız veri noktaları ve 30 mm uzaysal çözünürlüğü, 4067 veri noktaları oluşturur. Bu tür yüksek yoğunluklu sıcaklık veri hızı verileri tamamlar ve CFD doğrulama için veri setleri değerini artırır. protokol akışkanlar dinamiği deneyde DTS kullanarak belirli kaygılar odaklanırken sensör seçimi, imalat, ve yapılandırma sürecini özetliyor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz bir akışkan dinamiği deneyde bir DTS kullanımını göstermiştir. Bu sensörlerin ana avantajı, tek bir sensör elde edilebilir ölçüm noktalarının büyük sayısıdır. Burada kullanılan DTS kadar bu tür termokupllar gibi geleneksel nokta sensörlerinin uygulanabilir sınırlarının ötesinde, bir 0.5 x 0.8 m düzlemi boyunca 4067 noktalarında veri oluşturulur. bu tür veri yoğunluğu lazer kaynaklı floresan (LIF) gibi optik teknikler ile aşılabilir iken, bir DTS opak sıvılar ve optik erişimi olmayan uygulamalarda işleyecektir. Bir DTS yüksek veri yoğunluğu hesaplamalı akışkanlar dinamiği kod doğrulama katılan deneyler için uygundur.
Baselining ölçüm doğruluğunu belirlemede kritik protokolde adım ve merkezi. Bir izotermal Test bölümü, başlangıç çizgisi zaman, tüm DTS bir sıcaklıkta olduğundan emin olmak için önemlidir. Bu mümkün değilse, T baz T baz (X), mapp olmalıdır olurDTS yakın yerleştirilen birden fazla TC'ler ederek hazırlanabilir. Bazal kalite bu şekilde geliştirilebilir rağmen, mutlak sıcaklık dönüşüm standartlarına DTS taban çizgisi haritalama sürecini zorlaştırmaktadır.
Her zaman öngörülemeyen sinyal vardiya tanıtabilirsiniz bazal sonra zorlanma kaynakları için uyanık, olmak. Bu gibi kaynaklar, örneğin, test edilen sensör uzanan termal genleşme, destek hareketi, dinamik yükleme yüksek akış oranları, veya akış kaynaklı titreşim vardır. izotermal şartlar altında ön ve son test ölçümleri gibi sorunları tespit yardımcı olacaktır.
Gerilme duyarlılığı bu Rayleigh saçılması tabanlı DTS ana eksikliktir. Termokupllar gibi geleneksel sensörler aksine, taşıma, nem ve titreşime karşı duyarlıdır. Bu konular burada gösterdi çıplak sensör yapılandırması için en uygun, ama çok daha az önemli kılcal damarlar içinde yer sensörler içindir.
Geleneksel sensörlerin aksine, bir DTS evrak, NIST (National Institute of Standards and Technology) gibi tanınmış kalibrasyon standardı için izleme ile tedarik edilemez. In-situ kalibrasyonları bazı zor olabilir bir izotermal testi bölümünde, tercihen, gerekli olan Uygulamalar. Titreşim büyük bir test bölümünde üzerinde sinirli çıplak fiber özel bir endişe kaynağıdır. Biz 1.7 m segment boylarda tankın uzun ekseni yayılan bir dikey yönelimli dizi ile karışık bir başarı oldu. Lif 28 m ve 16 kesimleriyle bir yapılandırma Bir çalışmada 18 sırasında iyi bir performans, ancak 53 m 29 ile segmentlere için başarısız 16 oldu genişletmek için çalışır.
Genel olarak, herhangi bir sensör uzunluğu ve yapılandırma için gürültü sorgulayıcı yazılım Rayleigh sinyal kayması hesaplar, üzerinde Gage uzunluğunu artırarak azaltılabilir sinyal, ancak bu etkili uzaysal çözünürlüğü azaltır. her bir Applicayon sinyal gürültü ve uzaysal çözünürlük arasında kendi denge kurmalıdır. Yine, bu tür zorluklar büyük ölçüde genişletilmiş termal tepki süresi pahasına bir kılcal sensörü konut önlenebilir.
Bu nispeten yeni sıcaklık ölçüm teknolojisi titreşim yatkınlığı azaltmak için geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu çalışmaların çoğu mutlaka sorgulayıcı donanım ve yazılım içerecektir. sensörler kendileri de lif kaplamalar etkilenir taşıma ve nem değişikliklerine karşı hassasiyeti azaltmak için geliştirilmiş olabilir. Çalışma şu anda piyasada mevcut polimid ve akrilat kaplı liflerin üstün kaplamalar geliştirmeye odaklanmak olabilir.
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).
