Name: fiber optic distributed sensors for high-resolution temperature field mapping
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping at JoVE.com

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.

1. סוג החיישן אופטימלי בחר עבור יישום <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר אורך חיישן מבוסס על איזון בין מהירות הדגימה ומספר נקודות נתונים. הערה: דגימות חוקרות אחד חיישנים עד 50 מ &#39;אורך על 2.5 הרץ ורזולוציה &lt;10 מ&quot;מימ בעוד חיישני דוגמאות האחרים עד 10 מ&#39; אורך ברזולוצית 5 מ&quot;מ ו 100 הרץ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר סוג של סיב אופטי במצב יחיד המבוסס על דרישות גבולות טמפרטורת שירות, זמן תגובה, רגישות לחות תצורת התקנה (חשופה או נימים). הערה: כאן השתמשנו 155 מיקרומטר בקוטר מצופה polyimide במצב יחיד מסחרי הטלקום סיב אופטי. הערה: ראה לוחות 1 ו -2 כדוגמאות סיבים ותצורות השתמשנו במעבדה שלנו. </li></ol> 2. התקן סיב אופטי בסעיף מבחן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בסעיף מבחן פתוח על ידי הסרה אחד מלוחות צד הזכוכית הארוכה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מקדחה 1 חורים בקוטר מ&quot;מב קירות צדדיים 3 מ&quot;מ מתחת מכסה עבור עוגני תיל (איור. 3). הערה: עוגן להחזיק חוט פלדת תומכי החיישן. המגרש העוגן יכול להיות מגוון בהתאם לגודל סעיף מבחן וטעינת הדינאמיים צפוי מתזרים. המגרש 20 מ&quot;מ משמש כאן הוכיח יציבה עם רטט מינימלי בתזרים ליד 1 מ &#39;/ שנייה. אותות משחית DTS רטט והוא יותר בעייתי עם חיישנים זמן 15,16. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחרוזת קטע תיל פלדה 127 מיקרומטר בקוטר ברחבי סעיף הבדיקה בכך שקשר אותו עוגן פליז בכל קצה של הטנק. חזור על פעולה עד יש בסך הכל 47 מגזרי תיל המתוח לרוחב הטנק. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותך 50 מטר של סיב אופטי באמצעות תקשורת / מספרי חשמלאים בהסתייגות שיצרוך מחבר שחבור וסיבי סיום (סביר &lt;0.5 מ &#39;, אבל תלוי מיומן ב שחבור). אסוף סיבים זה על סליל קטן, ~ 50 מ&quot;מ קוטר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את קטע החיישן הראשון בקצה אחד של האזור הנבחר למדוד שנינות טמפרטורהh את מערך החיישנים. ההערה: לאחר הקטע הראשון הוא קבוע בעמדה, הסיב יהיה בלולאה עבור פלח סמוך, קבוע בעמדה, ועוד סיבים לוותר על הקטע הבא בתהליך חוזר שבונה המערך עד שכל הסיב משמש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ארגו את סיב מעל ומתחת חוטים סמוכים, עבודה מצד אחד של הטנק כדי הסיב מחלק, אחרים מהעמוד בו סליל לפי הצורך. הערה: הסיבים הם בניצב החוט כפי שמוצגים באיור. 3 עם מארג התומכים בו כנגד כוח הכבידה בכיוון וזרימה אחד בשנייה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף בכל קצה של קטע הסיבים תחילה את המכסה עם קלטת או קלטת סרט polyimide ברורות קונבנציונליות. הקטע הראשון של המערך הוא כעת במקום. הערה: אין לתקן חיישן מתוח כמו מיתר של גיטרה, אלא מתוח מספיק כדי להיות ישר תופסים רפוי גלוי. אם החיישן מתוח, דפורמציות קטנות בתמיכה, למשל, Expan תרמיתשיאון של המכסה, ישתנה המתח הזה וליצור קיזוז אות חריג וטעויות מדידה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Loop הסיב 180 מעלות לחזור אחורה היא למקטע הבא כפי שמוצג באיור. 4 ואת קלטת אותה אל המכסה במרחק של 10 מ&quot;מ מן הקטע הראשון. הערה: מזער את הקוטר לולאה שכן הוא &quot;מבוזבז סיבים&quot; (לא חלק מהמערך), אבל זה צריך להיות בערך 30 מ&quot;מ או יותר עבור מדגיש נסבל. הסיבים משמשים כאן גילו סובלנות 30 מ&quot;מ קוטר לולאות במשך כמה חודשים עם אות שום הפסד מורגש, אבל גבולות ישתנו בהתאם לסוג סיבי. עבור סיבים המשמשים כאן, היצרן מציין את הגבול &quot;לטווח קצר&quot; לכופף ברדיוס כמו ≥ 10 מ&quot;מ ולהגביל &quot;לטווח ארוך&quot; כמו ≥ 17 מ&quot;מ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שוב לארוג הסיב בין חוטים כלפי הצד הנגדי של טנקי הקלטת בעמדה. חזור על looping, מקליטה, ואריגת התהליך עד שכל הסיב משמש. </li></ol> 3. מחבר אחוי ו Termination כדי סיבים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אחוי מחבר מצב יחיד LC-סוג בקצה אחד של הסיבים באמצעות splicer היתוך בא הוראות יצרן 17. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים ~ 0.25 מ &#39;סיבי סיום עם מספרי החשמלאי / תקשורת אחוי אל הקצה השני של הסיבים, שוב עם splicer היתוך הבא הוראות יצרן. הערה: הרכבה זו (סיבים, מחבר, והפסקה) עכשיו תהיה המכונה &quot;חיישן&quot;. סיבי סיום מפזר אות השיורי מן דופק הליזר כדי למנוע ממנו לחזור החוקר. </li></ol> 4. חיישן תצורה <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את קצה המחבר מסוג LC של החיישן ליציאת החוקר ולהתחיל תצורת תוכנה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפיק נתונים משרעת הפולס על ידי בחירה &quot;לרכוש&quot; (להבדיל נתוני טמפרטורה), אשר מוצג באופן אוטומטי כאשר השלימה הסריקה. הערה: עקבות עבור חיישן עם splices טוב יהיה הגןמאפיינים RAL שמוצג באיור. 5. חיבור סרט עני יכול להיות שמציין קומת קול לא ברורה או השתקפות דומיננטית שבו המחבר צפוי. אם אחוי עני פי חשד, חזרו לשלב 3 וחזרו הליך שחבור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את החלק הפעיל של החיישן על ידי גרירת הסמן הצהוב שנראה על המסך להתחלה של החיישן והסמן האדום עד הסוף. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נתן החיישן שם ובחר &quot;לשמור קבצי חיישן&quot;. הערה: החיישן מוגדר ומוכן לשימוש. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סגור את תוכנת ההגדרה ולעבור תוכנת המדידה. </li></ol> 5. מפת מיקום חיישן בתוך סעיף מבחן <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את תוכנת מדידה החוקרת ולטעון את החיישן פשוט מוגדר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר מלחם שנאי משתנה מוגדר ~ 40%, חימום מוקדם למשך 5-10 דקות. הערה: מלחם מייצר קוצי טמפרטורה מקומיים למיפוי. קלע זרק פחית מלחםELT ציפוי הסיבים ולהרוס את החיישן אז להתחיל עם הגדרת שנאי נמוכה, באמצעות כוח מספיק כדי לקבל קוצים ברורים. ספייק C 10-20 מעלות די לתהליך הזה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר &quot;למדוד&quot; בתוכנה החוקרת לתכנן נתונים חיים על מסך. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התרחק כדי להציג את החיישן כולו על המסך. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> החזק מלחם ליד חיישן בקצרה לגעת בו בנקודת המיפוי הראשונה, כאן הכי רחוק הקטע מן האוורור שבו היא עונה על המכסה (איור. 4). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שיא עמדת שיא טמפרטורה כפי שצוין על ידי תוכנה יחד עם המיקום הפיזי המקביל בגדר סעיף בדיקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על 5.5-5.6 למפות את נקודות הקצה של כל 49 המגזרים. </li></ol> 6. חיישן Baseline: החוליה לטמפרטורה מוחלטת <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תפקיד אחד או יותר טמפרטורת סטנדרטים, למשל, TC או גלאי טמפרטורת התנגדות (RTD), ליד DTS לשרת כתקן מקשר קריאות DTS ל te המוחלטmperature. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סגור את המכל על ידי החלפת לוחית צד הזכוכית הארוכה שהוסרה בשלב 2.1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לבודד את הטנק על ידי לפפת אותה בשמיכות או לוחות בידוד קונבנציונליים ולאפשר לו לשבת לילה להקים אווירת בידוד תרמית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את תוכנת החוקר, בחר &quot;בסיס&quot; (או &quot;טרה&quot;), ובמקביל לב / להקליט את TC (או RTD) קריאה. כאשר התוכנה סיימה עם קו הבסיס, בחר &quot;למדוד&quot; להתוות נתונים חיים לבחון את איכות המחקר. הערה: שלב קריטי זה קובע את הבסיס DTS ואת האות צריך עכשיו מצביעים על היעדר, כלומר, ΔT (x) = 0 ± שבריר המעלה. מעתה ואילך, האות תשתנה כמו טמפרטורה במכל סוטה מן טמפרטורת הייחוס: ΔT (x) = T (x) שרירי בטן - T בסיס, כאשר t (x) שרירי בטן היא הטמפרטורה המוחלטת לאורך הסיבים ו- T הבסיס הוא הבסיס הטמפרטורה 6,18. אם הבדיקה section הוא nonisothermal, בסיס T יהיה כפונקציה של המיקום, כלומר, בסיס T (x), ודיוק יהיה בסכנה אלא אם בסיס T (x) ממופה עם יותר מאחד TC או RTD (ראה סעיף דיון). אל תזיז או לגעת החיישן עד שלב 7 יושלם. אמץ את זה בכל דרך שאתה יכול להציג קיזוז שעשוי לבזות דיוק מדידה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את אות חיים, אשר לא צריך להיסחף רחוק מאפס. אם להיסחף הוא מוגזם עבור יישום (לקצה גבול היכולת שלנו היא בערך 0.5 מעלות צלזיוס לאחר ~ 5 דקות), לאפשר יותר זמן בסעיף בדיקה כדי להגיע לשיווי משקל תרמי ו / או לשפר את הבידוד (ראה הערה להלן) ולאחר מכן חזור על שלב 6.4. הערה: איכות האות תמיד הכי טובה מייד לאחר מחקר ולאחר תיסחף לאורך זמן תלוי התפלגות הטמפרטורה בתוך קטע הבדיקה. תקופות בידוד מתנה ארוכה טובים לפני תכנון בסיסי תפחתנה סחיפה וטעיית מדידה. ניכר, מרחף מהיר לציין את סעיף המבחן אינובידוד תרמי, אשר בסופו של דבר להוביל למדידה לא מדויקת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר את פונקציית רישום בתוכנה החוקר ולהקליט 10-100 סריקות של נתונים DTS עבור התנאים עומדים, בידוד תרמי אותו רק השתמשו כדי ליצור את הבסיס. שיא גם בקריאה TC / RTD. הערה: זהו נתוני מאגרי לבדיקות posttest הקיזוזים שעשויים להיווצר על ידי זן מתזרים או עיוות בלתי צפוי של סעיף הבדיקה או תומך. </li></ol> 7. הפעלה נסיונית <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את המדחס לייצר תזרים אוויר ולהתאים בקרי זרימה להתאים ספיקות ברמה של 1.25 ק&quot;ג / sec לכל ערוץ. הערה: מהירות כניסת ממוצע הוא 1.1 מ &#39;/ שנייה ומספר ריינולדס הוא 10,000. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דוד מתח מוגדר 600 W כדי לחמם את סילון מזרח 20 ° C מעל סילון מערב, שהוא בטמפרטורת הסביבה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מאפשר למערכת לרוץ בלילה כדי להגיע לשיווי משקל. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למחרת לבדוק אות DTS חי להעריך רמות רעש. בחר l גייג &quot;חיישןength &quot;בתוכנה כדי להשיג רמות רעש מקובלות (מד 30 מ&quot;מימ משמש כאן). הערה: אורך גייג &#39;תואם חיישן ברזולוציה מרחבית. באופן כללי, לאותת עליות רעש כמו ירידות אורך גייג וכפי עליות רטט-induced זרימה (ראה מדריך למשתמש והתייחסות 13 ו -14). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התחבר 2,000 סריקות DTS ב 4 רץ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה החשמל דוד וזרימת אוויר. תן הטנק לשבת לילה כדי להגיע לשיווי משקל ולהקליט 10-100 סריקות DTS כדי להשלים את מערך נתונים מראש מבחן הציל עבור posttest לקזז בדיקות. </li></ol> ניתוח 8. נתונים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בחר בתכונת עיבוד פוסט בחלון הראשי של התוכנה החוקרת ולייבא את נתוני הבדיקה, אשר נמצא בתבנית בינארית קניינית. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לייצא את הנתונים כקובץ טקסט רגיל כי ניתן לקרוא על ידי תוכניות גיליון אלקטרוניות קונבנציונליות. הערה: נתונים אלה מייצגים ΔT שנמדד לאורך הסיבים שבו ΔT (x) = T (x) שרירי בטן - בסיס T. הוא אינו מכיל התייחסותעמד בסעיף הבדיקה (ראה איור. 6). פרטים נוספים ניתן למצוא במדריך של המשתמש החוקר והפניות 6 ו -16 עבור הצעד הזה ובעולם הבא. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נתוני טקסט יבוא לתוך גיליון אלקטרוני קונבנציונלי להמיר טמפרטורה מוחלטת על ידי הוספת בסיס T, שהיא נמדדת על ידי TC או RTD בשלב 6.4, לכל הנתונים. הערה: המרה הטמפרטורה המוחלטת היא פשוט תיקון לקזז חד ערכי: T (x) ABS = ΔT (x) + T הבסיס מאז יש לנו נקבע כי סעיף המבחן היה בידוד תרמי במהלך המחקר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש גיליון אלקטרוני תוכנה או תוכנית מניפולציה של נתונים דומים להתפרק T (x) נתונים ולמפות אותו למיקום הפיזי בתוך הקטע מבחן כזה שמוצג איורים 7 ו -8. הערה: התוכנית יהיה לנצל את הנתונים שנאספו עם מלחם בשלב 5. </li></ol>

<ol>
	<li>Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry. , (2007).</li><li>Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Twenty+years+of+particle+image+velocimetry.">Twenty years of particle image velocimetry.</a> Exp. Fluids. 39, 159-169 (2015).</li><li>Vetrano, M. R., Simonini, A., Steelant, J., Rambaud, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+characterization+of+a+flashing+jet+by+planar+laser-induced+fluorescence.">Thermal characterization of a flashing jet by planar laser-induced fluorescence.</a> Exp. Fluids. 54, 1573-1583 (2013).</li><li>Dahikar, S. K., Sathe, M. J., Joshi, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigation+of+flow+and+temperature+patterns+in+direct+condensation+using+PIV,+PLIF+and+CFD.">Investigation of flow and temperature patterns in direct condensation using PIV, PLIF and CFD.</a> Chem. Eng. Sci. 65, 4606-4620 (2010).</li><li>Ju&#353;kaitis, R., Mamedov, A. M., Potapov, V. T., Shatalin, S. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributed+interferometric+fiber+sensor+system.">Distributed interferometric fiber sensor system.</a> Opt Lett. 17 (22), 1623-1625 (1992).</li><li>Gifford, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Swept-wavelength+interferometric+interrogation+of+fiber+Rayleigh+scatter+for+distributed+sensing.">Swept-wavelength interferometric interrogation of fiber Rayleigh scatter for distributed sensing.</a> Proc. SPIE. 6770, (2007).</li><li>Kreger, S., Gifford, D., Froggatt, M., Soller, B., Wolfe, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+resolution+distributed+strain+or+temperature+measurements+in+single-+and+multi-mode+fiber+using+swept-wavelength+interferometry.">High resolution distributed strain or temperature measurements in single- and multi-mode fiber using swept-wavelength interferometry.</a> Optical Fiber Sensors. 2006, (2006).</li><li>Bersan, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+a+high+resolution+distributed+temperature+sensor+in+a+physical+model+reproducing+subsurface+water+flow.">Application of a high resolution distributed temperature sensor in a physical model reproducing subsurface water flow.</a> Measurement. , (2015).</li><li>Bao, X., Chen, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+progress+in+distributed+fiber+optic+sensors.">Recent progress in distributed fiber optic sensors.</a> Sensors. 12, 8601-8639 (2012).</li><li>Ukil, A., Braendle, H., Krippner, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributed+temperature+sensing:+review+of+technology+and+applications.">Distributed temperature sensing: review of technology and applications.</a> IEEE Sensors J. 12 (5), 885-892 (2012).</li><li>Zhou, D., Qin, Z., Li, W., Chen, L., Bao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-spatial-resolution+distributed+vibration+measurement+using+time-resolved+optical+frequency-domain+reflectometry.">High-spatial-resolution distributed vibration measurement using time-resolved optical frequency-domain reflectometry.</a> Proc. SPIE 22nd Int. Conf. Optical Fiber Sensors. 8421, 842115 (2012).</li><li>Ding, F., Wang, L., Fang, N., Huang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+study+on+humidity+sensing+using+a+FBG+sensor+with+polyimide+coating.">Experimental study on humidity sensing using a FBG sensor with polyimide coating.</a> SPIE-Int Soc Opt. Eng. 7990, (2011).</li><li>Palmieri, L., Schenato, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distributed+optical+fiber+sensing+based+on+Rayleigh+Scattering.">Distributed optical fiber sensing based on Rayleigh Scattering.</a> Open Optics J. 7 (1), 104-127 (2013).</li><li>Bhargava, P., Chuang, C. K., Chen, K., Zehnder, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Moisture+diffusion+properties+of+HFPE-II-52+polyimide.">Moisture diffusion properties of HFPE-II-52 polyimide.</a> J Appl Polymer Sci. 102 (4), 3471-3479 (2006).</li><li>Lomperski, S., Gerardi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+distributed+fiber+optic+sensors+for+flow+field+temperature+mapping.">Assessment of distributed fiber optic sensors for flow field temperature mapping.</a> Proc. ASME 2014 4th Joint US-European Fluids Engineering Division Summer Meeting and 12th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels. , 8 (2014).</li><li>Lomperski, S., Bremer, N., Gerardi, C., Lisowski, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+assessment+of+a+50+m-long+fiber+optic+distributed+temperature+sensor+in+a+fluid+dynamics+experiment.">Performance assessment of a 50 m-long fiber optic distributed temperature sensor in a fluid dynamics experiment.</a> , (2016).</li><li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fusion Splicer 70S Instruction Manual. Fujikura Ltd., 70S_Rev2. , (2013).</li><li>Lomperski, S., Gerardi, C., Pointer, W. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fiber+optic+distributed+temperature+sensor+mapping+of+a+jet+mixing+flow+field.">Fiber optic distributed temperature sensor mapping of a jet mixing flow field.</a> Exp. Fluids. 56, 16 (2015).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

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 &#39;, 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 &#39;. תצורה עם 28 מ &#39;של סיבים ו -16 מגזרי ביצועים טובים במהלך מחקר אחד 18, אבל מנסה להאריך אותו ל -53 מ&#39; עם 29 מגזרים 16 לא מוצלחים. באופן כללי, אות לרעש לכל אורך חיישן ותצורה יכול להיות ירידה של הגדלת אורך גייג &#39;, 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.

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 &quot;חוקר&quot;. 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 &#39;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 &#39;ומייצר 1,355 נקודות נתונים עצמאית ב 4 הרץ ו ברזולוציה מרחבית של 30 מ&quot;מ, 4,067 נקודות נתונים כאשר oversampled עם ריווח 10 מ&quot;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.

<table><tbody><tr><td>Sensor interrogator</td><td>Luna Inc.</td><td>ODiSI-A and -B</td><td>The two systems differ primarily in speed and spatial resolution</td></tr><tr><td>Fusion splicer</td><td>Fujikura</td><td>70S</td><td></td></tr><tr><td>Cleaver</td><td>Fujikura</td><td>CT-3A</td><td></td></tr><tr><td>3-hole jacket stripper</td><td>Fiber Instrument Sales</td><td>F11301T</td><td></td></tr><tr><td>Optical fibers</td><td>OFS, Specialty Photonics Division</td><td>BF06160-02</td><td>Polyimide coating</td></tr><tr><td>Optical fibers</td><td>Newport Corp.</td><td>F-SM1500-4.2/50</td><td>Acrylate coating</td></tr><tr><td>Connector</td><td>AFL Global</td><td>FUSE-LC-9U-SMA-6</td><td></td></tr><tr><td>Termination fiber</td><td>OFS, Specialty Photonics Division</td><td>552 HPWR 040</td><td></td></tr></tbody></table>

fiber optic distributed sensors for high-resolution temperature field mapping

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.

נתונים גולמיים DTS הוא להתוות איור. 6 מראה ΔT נמדדת על פי הטמפרטורה הבסיסית (בערך 20 מעלות צלזיוס) לעומת המרחק לאורך החיישן. הנתונים &quot;גלם&quot;, במובן זה שהוא לא הומר טמפרטורה מוחלטת ולא ממופה למיקום פיזי בתוך קטע הבדיקה. נתונים מבוסס על אורך גייג &#39;30 מ&quot;מ, אשר מספק 1,666 מדידות בלתי תלויות על פני אורך חיישן מלא של 50 מ&#39;. את מד 30 המ&quot;מ יושם ב 10 מרווחי מ&quot;מ מצב oversampling המגדיל את מספר נקודות נתונים ל -5000. צפיפות נתונים אלה אינה מעשית עם חיישנים קונבנציונליים כגון תורמים עיקריים. ב- x = 0 באיור. 6 החיישן נמצא בקצה המזרחי של טנק, וכתוצאה x מגביר הוא מתפתל הלוך ושוב לקראת סוף מערב. פסגות להתרחש בו החיישן עובר על המטוס המזרחי החם ולאחר מכן לדעוך איפה זה מעל je מהמערב הקרt. העלילה מתארת ​​עד כמה אפילו את האות גלם ממגוון DTS יחיד יכול לספק תמונה בסיסית של הטמפרטורה על פני אזור רחב למדי. שים לב האות לרעש לקראת סוף ממערב הסיבים, אשר בשל רטט זרימה מושרה. למרות הרעידות לא היו גלויות לעין בלתי המזוינת, זה היה מספיק כדי לבזות את האות ואנו רואים בעיה זו לעתים קרובות ביותר באמצעות חיישנים ארוכים (&gt; 10 מ &#39;). הנתונים הגולמיים ממופים על קטע המבחן באיור. 7, אשר מראה טמפרטורה על פני המטוס המדיד 0.8 מ 0.5 x נוצר על ידי מערך DTS. נקודת המבט היא מלמעלה הטנק מביט למטה על המכסה. קווי המתאר של ערוצי משושה כלולים כעזר התמצאות. הקווים המתארים מבוסס על 4,067 נקודות נתונים מאז הלולאות המודבקות מתחת למכסה מודרים. אינטרפולציה ליניארית בין מגזרי חיישן הסמוכים ששמשה ליצירת קווי מתאר 2D. th<html> קונטור הדואר מספק תחושה ברורה של מבנה התרמית מתחת למכסה עם אזור חם על המטוס למזרח, אבל לא סביב זה. כמו כן ברור היא סימטריה מחוספסת מסביב midplane הטנק, אשר הוא y = 0 על המגרש. סוג זה של נתוני טמפרטורה הוא מחמאה שימושית לנתוני מהירות במחקרי דינמיקה של נוזלים המעורבים ערבוב תרמי ומעבר חום. אימות קוד קפדנית דורשת נתונים ברזולוציה גבוהה כגון הן בתחומי הטמפרטורה ומהירות. נתוני החיישן הזהים יכולים להיות מעובד כדי לחשוף את סדר הגודל של תנודות טמפרטורה. ה- RMS (שורש ממוצע ריבועים) של 2,000 ערכת נתוני הסריקה הוא להתוות איור 8. מגנטה מסמן את האזור בו שינויי טמפרטורות גבוהים יחסית. זהו גם אזור של מערבולת גבוהה שבה שני מטוסי עולה אינטראקציה כמו impinge על המכסה. נתוני RMS שימושיים עבור מודלי מערבולת בהקשר של ערבוב תרמית. לשמור-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig1.jpg" /> סכמטי חוקר באיור 1.. רכיבי עיקרון חוקר חיישן מופץ האופטי למדידות טמפרטורה. המערכת מבוססת על אינטרפרומטריה סחף גל, המאפיינת את החתימה backscatter ריילי של החיישן. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> בסעיף מבחן איור 2. מטוס אייר ערבוב ניסוי:. אוויר נכנס טנק דרך בסיס באמצעות שני צינורות משושה ותערובות לפני היציאה דרך אוורור עליון. המסך השחור המכסה את החלון המכסה הוא 3 מ&quot;מ מעל DTS (לא גלוי). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>להקל לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> איור 3. DTS הרכבת תצורה. נוף לראש הטנק מראה DTS ארוג בין חוטי תמיכת פלדה מתוחים לרוחב ציר הזמן של הטנק. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> DTS איור 4. תקריב. תקריב צילום של DTS עם מבט מבפנים טנק כלפי מעלה המכסה כדי להדגיש לולאות חיישן, מצורף, והמיקום של נקודת המבחן הראשון להיות ממופה עם מלחם. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של fi זה</a>איור. <img alt="איור 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> איור 5. אותיות פיזור ריילי. אות פיזור ריילי אופיינית מוקלטת עם תכנית שירות להגדרת תצורת חיישן (חיישן קצר שמוצג כאן לבהירות). סיום נאות יפיק ירידת אות חריפה רצפת רעש. את צעד אות הקלה וההשתקפות צנועה למחבר אופייני למחבר שחבור כראוי. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> איור 6. נתוני DTS הגלם. סריקה בודדת של נתוני DTS גלם עם הסילון המזרחי החם על 45 מעלות צלזיוס סילון ממערב קר ב 25 ° C. פסגות להתרחש בו החיישן ישירות<html> מעל סילון חם. נזכיר כי החיישן הוא לולאה הלוך ושוב בין קירות המיכל. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="איור 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> טמפרטורת איור 7. נמדד אוויר מתחת למכסה. DTS נתונים גולמיים מרת הטמפרטורה מוחלטת ומיפו למצב פיזי בתוך טנק. נתונים מבוססים על 2,000 סריקות המחוברות ב 4 רץ. מרווח נתונים 10 מ&quot;מימ עבור סכום כולל של 4,067 נקודות נתונים זממו. אינטרפולציה לינארית המשמשת למילוי אזורים בין מגזרי חיישן. משושים להראות עמדות של צריכת האוויר. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; איור 8. שורש ממוצע הריבועים (RMS) של הטמפרטורה הנמדדת. RMS של נתונים להתוות איור. 7. מגנטה מציין תנודות טמפרטורה גבוהות ערבוב תרמית של מטוסים חמים וקרים. משושים להראות עמדות של צריכת האוויר. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> <img alt="שולחן 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> להזמין טבלה 1. זמן תגובה גודל התרמית סוגי סיבים שנבחרו ותצורות דיור לחצות זרימה של 1 מ &#39;/ שנייה ו -20 מעלות צלזיוס. <img alt="טבלה 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> טבלה 2. גבולות טמפרטורת הפעלה משוערים ורגישויות לחות עבור תצורות ציפוי שנבחרו.

Watch this Scientific Journal Video about Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping at JoVE.com

Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

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.

חיישני סיבים אופטיים מבוזרת עבור מיפוי שדה הטמפרטורה גבוהה ברזולוציה

The reliability of computational fluid dynamics (CFD) codes is checked by comparing simulations with experimental data. A typical data set consists ...

fiber-optic-distributed-sensors-for-high-resolution-temperature-field

Research

JoVE Journal

Engineering

11.9K Views.  Argonne National Laboratory.  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. 

Video: Fiber Optic Distributed Sensors for High-resolution Temperature Field Mapping

Method for Simultaneous fMRI/EEG Data Collection during a Focused Attention Suggestion for Differential Thermal Sensation

In the present work, we demonstrate a method for concurrent collection of EEG/fMRI data. In our setup, EEG data are collected using a high-density 256-channel sensor net. The EEG amplifier itself is contained in a field isolation containment system (FICS), and MRI clock signals are synchronized with EEG data collection for subsequent MR artifact characterization and removal. We demonstrate this method first for resting state data collection. Thereafter, we demonstrate a protocol for EEG/fMRI data recording, while subjects listen to a tape asking them to visualize that their left hand is immersed in a cold-water bath and referred to, here, as the cold glove paradigm. Thermal differentials between each hand are measured throughout EEG/fMRI data collection using an MR compatible temperature sensor that we developed for this purpose. We collect cold glove EEG/fMRI data along with simultaneous differential hand temperature measurements both before and after hypnotic induction. Between pre and post sessions, single modality EEG data are collected during the hypnotic induction and depth assessment process. Our representative results demonstrate that significant changes in the EEG power spectrum can be measured during hypnotic induction, and that hand temperature changes during the cold glove paradigm can be detected rapidly using our MR compatible differential thermometry device.

We present a protocol for concurrent collection of EEG/fMRI data, and synchronized MR clock signal recording. We demonstrate this method using a unique paradigm whereby subjects receive &#x2018;cold glove&#x2019; instructions during scanning, and EEG/fMRI data are recorded along with hand temperature measurements both before and after hypnotic induction.

שיטה לאיסוף נתוני fMRI/EEG בו זמנית במהלך הצעת תשומת לב ממוקדת לתחושה תרמית דיפרנציאלית

In the present work, we demonstrate a method for concurrent collection of EEG/fMRI data. In our setup, EEG data are collected using a high-density ...

Behavior

Surface Renewal: An Advanced Micrometeorological Method for Measuring and Processing Field-Scale Energy Flux Density Data

Advanced micrometeorological methods have become increasingly important in soil, crop, and environmental sciences. For many scientists without formal training in atmospheric science, these techniques are relatively inaccessible. Surface renewal and other flux measurement methods require an understanding of boundary layer meteorology and extensive training in instrumentation and multiple data management programs. To improve accessibility of these techniques, we describe the underlying theory of surface renewal measurements, demonstrate how to set up a field station for surface renewal with eddy covariance calibration, and utilize our open-source turnkey data logger program to perform flux data acquisition and processing. The new turnkey program returns to the user a simple data table with the corrected fluxes and quality control parameters, and eliminates the need for researchers to shuttle between multiple processing programs to obtain the final flux data. An example of data generated from these measurements demonstrates how crop water use is measured with this technique. The output information is useful to growers for making irrigation decisions in a variety of agricultural ecosystems. These stations are currently deployed in numerous field experiments by researchers in our group and the California Department of Water Resources in the following crops: rice, wine and raisin grape vineyards, alfalfa, almond, walnut, peach, lemon, avocado, and corn.

Surface renewal is a micrometeorological method that is being used increasingly to determine energy fluxes, but its technical complexity makes it inaccessible to a broad audience. We describe the steps needed to set up and calibrate a surface renewal field station, to acquire and process data, and to correctly interpret results.

חידוש פני השטח: שיטה מתקדם Micrometeorological למדידה ועיבוד שדה בקנה מידת אנרגיה שטף נתוני צפיפות

Advanced micrometeorological methods have become  increasingly important in soil, crop, and environmental sciences.  For many scientists without formal ...

Environment

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution. Traditionally, multiple experiments are run in parallel, with individual samples removed from the study at sequential time points for evaluation by light microscopy. Several intravital techniques have been developed, with confocal, multiphoton, and second harmonic microscopy all demonstrating their ability to be used for imaging in situ 1. With these systems, however, the required infrastructure is complex and expensive, involving scanning laser systems and complex light sources. Here we present a protocol for the design and assembly of a high-resolution microendoscope which can be built in a day using off-the-shelf components for under US$5,000. The platform offers flexibility in terms of image resolution, field-of-view, and operating wavelength, and we describe how these parameters can be easily modified to meet the specific needs of the end user.
We and others have explored the use of the high-resolution microendoscope (HRME) in in vitro cell culture 2-5, in excised 6 and living animal tissues 2,5, and in human tissues in vivo 2,7. Users have reported the use of several different fluorescent contrast agents, including proflavine 2-4, benzoporphyrin-derivative monoacid ring A (BPD-MA) 5, and fluoroscein 6,7, all of which have received full, or investigational approval from the FDA for use in human subjects. High-resolution microendoscopy, in the form described here, may appeal to a wide range of researchers working in the basic and clinical sciences. The technique offers an effective and economical approach which complements traditional benchtop microscopy, by enabling the user to perform high-resolution, longitudinal imaging in situ.

High-resolution Fiber-optic Microendoscopy for in situ Cellular Imaging

In many biological and clinical situations it is advantageous to study cellular processes as they evolve in their native microenvironment. Here we describe the assembly and use of a low-cost fiber-optic microscope which can provide real time imaging in cell culture, animal studies, and clinical patient studies.

רזולוציה גבוהה סיבים אופטיים עבור Microendoscopy באתרו נייד הדמיה

Many biological and clinical studies require the longitudinal study and analysis of morphology and function with cellular level resolution.  ...

Bioengineering

Development of Whispering Gallery Mode Polymeric Micro-optical Electric Field Sensors

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The optical modes are frequently referred to as "whispering gallery modes" (WGM) or "morphology dependent resonances" (MDR) and exhibit high optical quality factors. Some proposed applications of micro-cavity optical resonators are in spectroscopy1, micro-cavity laser technology2, optical communications3-6 as well as sensor technology. The WGM-based sensor applications include those in biology7, trace gas detection8, and impurity detection in liquids9. Mechanical sensors based on microsphere resonators have also been proposed, including those for force10,11, pressure12, acceleration13 and wall shear stress14. In the present, we demonstrate a WGM-based electric field sensor, which builds on our previous studies15,16. A candidate application of this sensor is in the detection of neuronal action potential.
The electric field sensor is based on polymeric multi-layered dielectric microspheres. The external electric field induces surface and body forces on the spheres (electrostriction effect) leading to elastic deformation. This change in the morphology of the spheres, leads to shifts in the WGM. The electric field-induced WGM shifts are interrogated by exciting the optical modes of the spheres by laser light. Light from a distributed feedback (DFB) laser (nominal wavelength of ~ 1.3 &mu;m) is side-coupled into the microspheres using a tapered section of a single mode optical fiber. The base material of the spheres is polydimethylsiloxane (PDMS). Three microsphere geometries are used: (1) PDMS sphere with a 60:1 volumetric ratio of base-to-curing agent mixture, (2) multi layer sphere with 60:1 PDMS core, in order to increase the dielectric constant of the sphere, a middle layer of 60:1 PDMS that is mixed with varying amounts (2% to 10% by volume) of barium titanate and an outer layer of 60:1 PDMS and (3) solid silica sphere coated with a thin layer of uncured PDMS base. In each type of sensor, laser light from the tapered fiber is coupled into the outermost layer that provides high optical quality factor WGM (Q ~ 106). The microspheres are poled for several hours at electric fields of ~ 1 MV/m to increase their sensitivity to electric field.

A high-sensitivity photonic micro sensor was developed for electric field detection. The sensor exploits the optical modes of a dielectric sphere. Changes in the external electric field perturb the sphere morphology leading to shifts in its optical modes. The electric field strength is measured by monitoring these optical shifts.

פיתוח של חיישני Whispering גלרית Mode פולימריים מייקר אופטי שדה חשמליים

Optical modes of dielectric micro-cavities have received significant attention in recent years for their potential in a broad range of applications. The ...

Fabrication and Testing of Photonic Thermometers

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being leveraged for developing sophisticated photonic sensors. Silicon photonic sensors seek to exploit the strong confinement of light in nano-waveguides to transduce changes in physical state to changes in resonance frequency. In the case of thermometry, the thermo-optic coefficient, i.e., changes in refractive index due to temperature, causes the resonant frequency of the photonic device such as a Bragg grating to drift with temperature. We are developing a suite of photonic devices that leverage recent advances in telecom compatible light sources to fabricate cost-effective photonic temperature sensors, which can be deployed in a wide variety of settings ranging from controlled laboratory conditions, to the noisy environment of a factory floor or a residence. In this manuscript, we detail our protocol for the fabrication and testing of photonic thermometers.

We describe the process of fabrication and testing of photonic thermometers.

ייצור ובדיקה של מדי חום פוטוני

In recent years, a push for developing novel silicon photonic devices for telecommunications has generated a vast knowledge base that is now being ...

Chemistry

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed and characterized a temperature-independent fiber Bragg grating (FBG)-based random-displacement sensor that adopts a magnetic scale as a novel transferring mechanism. By detecting shifts of two FBG center wavelengths, a full-range measurement can be obtained with a magnetic scale. For identification of the clockwise and counterclockwise rotation direction of the motor (in fact, the direction of movement of the object to be tested), there is a sinusoidal relationship between the displacement and the center wavelength shift of the FBG; as the anticlockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG detector shows a leading phase difference of around 90&#176; (+90&#176;). As the clockwise rotation alternates, the center wavelength shift of the second FBG displays a lagging phase difference of around 90&#176; (-90&#176;). At the same time, the two FBG-based sensors are temperature independent. If there is some need for a remote monitor without any electromagnetic interference, this striking approach makes them a useful tool for determining the random displacement. This methodology is appropriate for industrial production. As the structure of the whole system is relatively simple, this displacement sensor can be used in commercial production. In addition to it being a displacement sensor, it can be used to measure other parameters, such as velocity and acceleration.

A protocol to create a full-range linear displacement sensor, combining two packaged fiber Bragg grating detectors with a magnetic scale, is presented.

מדידת הזחה אקראית על-ידי שילוב סולם מגנטי ושני בראג בלגים

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

A Silicon-tipped Fiber-optic Sensing Platform with High Resolution and Fast Response

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This FOSP relies on a silicon Fabry-Perot interferometer (FPI) attached to the fiber end, referred to as Si-FOSP in this work. The Si-FOSP generates an interferogram determined by the optical path length (OPL) of the silicon cavity. Measurand alters the OPL and thus shifts the interferogram. Due to the unique optical and thermal properties of the silicon material, this Si-FOSP exhibits an advantageous performance in terms of sensitivity and speed. Furthermore, the mature silicon fabrication industry endows the Si-FOSP with excellent reproducibility and low cost toward practical applications. Depending on the specific applications, either a low-finesse or high-finesse version will be utilized, and two different data demodulation methods will be adopted accordingly. Detailed protocols for fabricating both versions of the Si-FOSP will be provided. Three representative applications and their according results will be shown. The first one is a prototype underwater thermometer for profiling the ocean thermoclines, the second one is a flow meter to measure flow speed in the ocean, and the last one is a bolometer used for monitoring exhaust radiation from magnetically confined high-temperature plasma.

This work reports an innovative silicon-tipped fiber-optic sensing platform (Si-FOSP) for high-resolution and fast-response measurement of a variety of physical parameters, such as temperature, flow, and radiation. Applications of this Si-FOSP span from oceanographic research, mechanical industry, to fusion energy research.

פלטפורמה משופעת סיליקון סיבים אופטיים חישה עם רזולוציה גבוהה ותגובה מהירה

In this article, we introduce an innovative and practically promising fiber-optic sensing platform (FOSP) that we proposed and demonstrated recently. This ...

Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of the major current bottlenecks in improved exploitation of electrical devices is the high sensitivity of their wound components to in-service thermal stress. The application of conventional thermal sensing methods (e.g., thermocouples, resistance temperature detectors) for thermal condition monitoring of current carrying random wound coils can impose considerable operational limitations due to sensor size, EMI sensitivity and the existence of electrically conductive material in their construction. Another substantial limitation exists in distributed sensing applications and is caused by what is often a considerable length and volume of conventional sensor wiring leads.
This paper reports the design of a fiber optic FBG&#160;sensing system&#160;intended for enabling real-time distributed internal thermal&#160;condition monitoring within random wound coils. The procedure of random wound coil instrumentation with the FBG sensing system is reported in a case study on an IEEE standard wound coil representative of those utilized in electrical machines. The reported work also presents and discusses important practical and technical aspects of FBG sensing system implementation and application, including the FBG array geometry design, sensing head and fiber packaging, the sensor array installation and calibration procedure and the use of a commercial interrogation system for obtaining thermal measurements. Finally, the in situ multiplexed FBG sensing system thermal monitoring performance is demonstrated in representative static and dynamic thermal conditions.&#160;

This paper presents a protocol that enables instrumentation of random wound electric coils with fiber Bragg grating (FBG) thermal sensors for the purpose of distributed condition monitoring of internal thermal hot spots.

עיצוב, מיכשור ופרוטוקולי שימוש עבור מופץ באתרו כתמים תרמיים מקומיים ניטור סלילים חשמליים באמצעות FBG חיישן ריבוב

Random wound coils are a key operational element of most electric apparatus in modern industrial systems, including low voltage electric machines. One of ...

Optimizing Brillouin Optical Time-Domain Analyzers Based on Gain Spectrum Engineering

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is superimposed with two symmetric Brillouin loss spectra (BLS). This leads to a complex engineered spectrum shape that is more resistant to the sensing system noise. Instead of only one pump and probe interaction as in the conventional BOTDA setup, three optical probe waves are exploited, with one probe located in the BGS and the other two symmetrically in the BLS. Due to the resistance and insensitivity of the engineered spectrum shape to the noise, the sensing performance is enhanced by 60% and the measurand resolution is doubled.

A protocol for Brillouin optical time-domain analyzers based on gain spectrum engineering is presented. Enhancements in the sensing performance, including sensing range and measurand resolution are achieved and the excess Brillouin intensity noise is studied. The protocol introduces a new way to enhance distributed Brillouin sensing performance.

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is ...

ייצור אטאלון פברי-פרוט ליישום בספקטרוסקופיית עקבות-גז

Fabrication of a Low-Cost, Fiber-Coupled, and Air-Spaced Fabry-P&#233;rot Etalon

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are used for their high sensitivity as well as their exceptional filtering capability. However, air-spaced etalons with high finesse are usually built by specialized facilities. Their production requires a clean room, special glass handling, and coating machinery, meaning commercially available FPEs are sold for a high price. In this article, a new and cost-effective method to fabricate fiber-coupled FPEs with standard photonic laboratory equipment is presented. The protocol should serve as a step-by-step guide for the construction and characterization of these FPEs. We hope this&#160;will enable researchers to conduct fast and cost-effective prototyping of FPEs for various fields of application. The FPE, as presented here, is used for spectroscopic applications. As shown in the representative results section via proof of principle measurements of water vapor in ambient air, this FPE has a finesse of 15, which is sufficient for the photothermal detection of trace concentrations of gases.

מחבר זרקור: ייצור של אטאלון פברי-פרוט זול, מצומד סיבים ומרווח באוויר  

This protocol describes the construction of a low-cost, discrete, fiber-coupled, and air-spaced Fabry-Perot etalon with various applications, such as in trace-gas spectroscopy. The fabrication is possible in any facility with standard optical laboratory equipment available.

ייצור אטאלון פברי-פרוט בעלות נמוכה, מצומד סיבים ומרווח באוויר

Fabry-P&#233;rot etalons (FPE) have found their way into many applications. In fields such as spectroscopy, telecommunications, and astronomy, FPEs are ...