Vi viser bruk av en fiberoptisk distribuert sensor for kartlegging av temperaturfeltet blandeluftdyser. Rayleigh-spredning-baserte sensor genererer tusenvis av datapunkter langs en enkelt fiber for å gi god romlig oppløsning som er uoppnåelig med tradisjonelle sensorer som for eksempel termoelementer.
Påliteligheten av Computational Fluid Dynamics (CFD) koder kontrolleres ved å sammenligne simuleringer med eksperimentelle data. En typisk datasett består hovedsakelig av hastighet og temperaturavlesninger, både ideelt å ha høy romlig og tidsmessig oppløsning til rette for streng kode validering. Mens høy oppløsning hastighetsdata oppnås lett gjennom optiske måleteknikker så som partikkelbildet velocimetry, har det vist seg vanskelig å oppnå temperaturdata med tilsvarende oppløsning. Tradisjonelle sensorer som termo kan ikke fylle denne rollen, men den siste utviklingen av distribuerte sensing basert på Rayleigh spredning og feide-bølge interferometri tilbyr oppløsning egnet for CFD-kode validering arbeid. Tusenvis av temperaturmålinger kan frembringes langs et enkelt tynn optisk fiber på flere hundre Hertz. Sensorer fungere over store temperaturområder og innen ugjennomsiktig væske der optiske teknikker er uegnet. Men denne type sensorer følsom for slitasje og fuktighet i tillegg til temperatur og så nøyaktighet påvirkes av håndtering, vibrasjon, og endringer i relativ fuktighet. Slik oppførsel er helt ulikt tradisjonelle sensorer og så ukonvensjonelle installasjons- og driftsrutiner er nødvendig for å sikre nøyaktige målinger. Dette papiret viser implementering av en distribuert temperaturføler Rayleigh-spredningen-type i et termisk blande eksperiment med to luftdyser ved 25 og 45 ° C. Vi presenterer kriteriene for å veilede valg av optisk fiber for sensoren og beskrive installasjon oppsett for en jet blanding eksperiment. Vi illustrerer sensor baselining, som forbinder avlesninger til en absolutt temperatur standard, og diskutere praktiske spørsmål som feil på grunn av flyte-indusert vibrasjon. Dette materialet kan hjelpe de som er interessert i temperaturmålinger har høy datatetthet og båndbredde for væskedynamikk eksperimenter og lignende programmer. Vi trekker frem fallgruver som er spesifikke for disse sensorene for considerasjon i eksperiment konstruksjon og drift.
Computational fluid dynamics (CFD) koder brukes til å simulere et bredt utvalg av væskesystemer, fra luftstrømmen rundt fly og biler ned til arteriell blodstrøm. Omfanget og kvaliteten til slike simuleringer har vokst med tilgjengeligheten av datakraft. Men til tross for raffinement av avanserte simuleringer, deres nøyaktighet og pålitelighet er ofte vanskelig å kvantifisere. I praksis er nøyaktigheten av CFD-koder vurderes ved å sammenlikne simuleringer med eksperimentelle data i en prosess som kalles valideringskode.
En typisk eksperimentelle datasett består hovedsakelig av hastighet og temperaturmålinger, både ideelt for høy romlig og tidsmessig oppløsning til rette for streng kode validering. Velocity felt kan kartlegges i høy oppløsning ved hjelp av partikkel bilde velocimetry (PIV), et veletablert optisk teknikk 1,2. I motsetning til dette er det vanskelig å kartlegge temperaturfelt med oppløsning sammenlignes med PIV. Optical teknikker som laser-indusert fluorescens er tilgjengelig 3,4, men de krever kameraer og relativt høy effekt lasere, og er uegnet for ugjennomsiktige væsker.
Et alternativ er tilgjengelig i relativt ny teknikk for distribuert temperaturmåling basert på Rayleigh spredning og feide bølgelengde interferometri (SWI) 5-7. Tusenvis av temperaturmålinger kan bli kjøpt opp langs en enkelt optisk fiber. En distribuert temperatursensor (DTS) kan span store strømningsfelt og funksjon i miljøer som er uegnet for bildebaserte teknikker 8. Det er også DTSS basert på Raman og Brillouin spredning 9,10, men sensorer basert på Rayleigh spredning og SWI gi romlig og tidsmessig oppløsning mer egnet for typiske Fluid Dynamics eksperimenter.
Selv DTSS tilbudet datatetthet langt utover det tradisjonelle sensorer som termo (TCS), sensorer basert på Rayleigh Scattering svarer til belastningen samt temperatur 11. Hvis fiber belegget er hygroskopisk, sensorer også svare på fuktigheten endrer 12,13. Absorpsjon av vanndamp sveller belegget mens desorpsjonen krymper den 14, som belaster den underliggende glassfiber og endrer signalet. Som et resultat, blir nøyaktigheten påvirket ved håndtering, vibrasjon, og endringer i relativ fuktighet. Dette er helt ulikt tradisjonelle sensorer og så ukonvensjonelle installasjon og målemetoder må følges for å få nøyaktige data. Dette dokumentet viser bruken av en DTS i en termisk blande eksperiment, presentere en protokoll og retningslinjer for å sikre nøyaktighet.
DTS som brukes her er basert på deteksjon og analyse av Rayleigh spredning innen et fiberoptisk bølgeleder. En tilfeldig fordeling av forurensninger og strukturelle variasjoner langs fiberkjernen gir opphav til en tilbakesprednings mønster som er unikt for den fiber og generelt stabile. Spekteret og amplitudeav dette mønsteret kan leses for å tjene som en fiber signatur. Fysiske endringer som temperatur skift eller belastning endrer signaturen på en repeterbar måte, og å detektere variasjoner signatur er grunnlaget for ved hjelp av fiber som sensor.
Figur 1 illustrerer de prinsipielle komponenter av den optoelektroniske føleanordningen, kalt en optisk interrogator distribuerte føler, og som er betegnet her som "interrogator". I en teknikk kjent som feies-bølgelengde interferometri, starter en laveffekts avstembar laser en smalbånd-signal inn i fiberen for det formål å registrere resulterende tilbakespredning 5-7. Laseren er sveipet over et intervall på flere nanometer og signalet delt mellom referanse- og måle ben. Spredt lys fra sensoren er kombinert med referansesignalet for å generere interferenssignaler ved detektorene. Detektorutgangen er digitalisert og analysert til å hente den Rayleigh-spredning signal. den Rayleigh underskrift av sensor skift i bølgelengde der sensor temperatur (belastning, eller fuktighet) endringer. Størrelsen av denne bølgelengde skiftet er knyttet til sensoren følsomhet, som er et fysisk konstant som er knyttet til fibertype, som har en kalibreringsfaktor som er analog med den Seebeck-koeffisienten av en TC.
Figur 2 viser en glasstank som fungerer som testseksjonen brukt i denne studien. Kameraet bak tanken gir en følelse av skala. Luft kommer inn gjennom to sekskantede rør og blander før du går ut gjennom en ventil. For å markere jets, ble en strømmen sådd med oljedamp, mens den andre holdt seg ren luft. Tanklokket har et vindu dekket med et svart polymer skjerm. Selv om ikke synlig på bildet, er det DTS suspendert under den svarte skjermen.
En 50 m lang DTS var montert under lokket på beholderen som vist på fig. 3. Det ble fashioned fra 155 mikrometer diameter polyamid-belagt optisk fiberog hengt på 127 mikrometer diameter ståltråd spent mellom tank gavler. Sensoren ble vevd gjennom ledningen i et vekslende mønster og loopet frem og tilbake over tanken 49 ganger. Det spenner over et 0,5 x 0,8 m flyet og genererer 1,355 uavhengige datapunkter på 4 Hz og romlig oppløsning på 30 mm, 4.067 datapunkter når oversamples med 10 mm avstand. En slik høy tetthet temperaturdata utfyller hastighetsdata, og øker verdien av datasettene for CFD validering. Protokollen beskriver prosessen med sensor utvalg, fabrikasjon og konfigurasjon mens fokus på de spesielle bekymringer i å bruke DTS i en væske dynamikk eksperiment.
Vi har vist at bruk av en DTS i en fluiddynamikk eksperiment. Den største fordelen med disse sensorene er det store antall målepunkter som kan oppnås fra en enkelt sensor. DTS brukes her genererte data på 4.067 poeng over en 0,5 x 0,8 m fly, langt utover de praktiske grensene for konvensjonelle punktsensorer som termo. Mens en slik datatetthet kan overskrides med optiske teknikker som laser-indusert fluorescens (LIF), vil en DTS fungere i ugjennomsiktig væske og programmer som mangler optisk tilgang. Den høye data tetthet av en DTS er egnet for eksperimenter som er involvert i computational fluid dynamics kode validering.
Baselining er den kritiske trinn i protokollen og sentral i å bestemme nøyaktighet. En isotermisk testseksjonen er avgjørende for å sikre at hele DTS er ved en temperatur ved fryses. Hvis dette ikke er mulig, blir T basis T base (x), som bør være MAPPed av flere TCS plassert i umiddelbar nærhet til DTS. Selv baseline kvalitet kan forbedres på denne måten, kompliserer det prosessen med å kartlegge DTS baseline til standarder for konvertering til absolutt temperatur.
Alltid være på utkikk etter kilder til belastning etter grunnlinjen, noe som kan introdusere uforutsigbare signal skift. Slike kilder er for eksempel testseksjonen termisk utvidelse som strekker seg sensoren, bevegelse av stolper, dynamisk belastning fra høye strømningshastigheter, eller strømningsinduserte vibrasjoner. Pre- og posttest målt under isotermiske forhold vil bidra til å identifisere slike problemer.
Strain følsomhet er den viktigste brist av denne Rayleigh spredning baserte DTS. Til forskjell fra konvensjonelle sensorer som termoelementer, er den følsom for håndtering, fuktighet, og vibrasjon. Disse problemene er mest relevante for den nakne sensorkonfigurasjonen vist her, men langt mindre viktig for sensorer plassert i kapillærene.
I motsetning til konvensjonelle sensorer, kan en DTS ikke være anskaffet med papirarbeid å spore den til en anerkjent kalibreringsstandard som NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibreringer er nødvendig, fortrinnsvis med en isoterm testseksjon, noe som kan være vanskelig i noen applikasjoner. Vibrasjon er av spesiell interesse for nakne fiber tredd over et stort testseksjon. Vi har hatt suksess blandet med en vertikalt orientert matrise som spenner over den lange aksen av tanken ved segmentlengder på 1,7 m. En konfigurasjon med 28 m av fiber og 16 segmenter leverte gode resultater i en studie 18, men prøver å utvide den til 53 m med 29 segmenter ble mislykket 16.
Generelt, signalstøy for en hvilken som helst sensorlengde og konfigurasjon kan reduseres ved å øke målelengde over hvilken spørresenderen programvare beregner Rayleigh signal skiftet, men dette reduserer effektiv romlig oppløsning. hver Applicasjon må finne sin egen balanse mellom signalstøy og romlig oppløsning. Igjen kan slike vanskeligheter i stor grad unngås ved bolig føleren i en kapillær på bekostning av lengre termisk responstid.
Denne relativt nye temperaturmåleteknologi krever utvikling for å redusere mottakelighet for vibrasjoner. Mye av dette arbeidet vil nødvendigvis innebære forhørs maskinvare og programvare. Sensorene selv kan også være forbedret for å redusere følsomheten for håndtering og fuktighetsendringer, som er berørt av fiber belegg. Arbeidet kunne fokusere på å utvikle belegg overlegen til polyamid og akrylat-belagte fibre i dag kommersielt tilgjengelig.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |