Name: fiber optic distributed sensors for high-resolution temperature field mapping
Uploaded: 2016-11-07T12:30:00
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. Vælg Optimal Sensortype til Anvendelse <ol><li> Vælg sensor længde baseret på afvejning mellem prøvetagning hastighed og antallet af datapunkter. BEMÆRK: En interrogator prøver sensorer op til 50 m længde på 2,5 Hz og beslutning &lt;10 mm, mens de andre prøver sensorer op til 10 m længde på 5 mm opløsning og 100 Hz. </li><li> Vælg en type single-mode optisk fiber baseret på krav til service-temperaturgrænser, tid respons, luftfugtighed følsomhed og installation konfiguration (nøgne eller i kapillær). BEMÆRK: Her har vi brugt 155 um diameter polyimid-belagt single-mode kommerciel telecom optisk fiber. BEMÆRK: Se tabel 1 og 2 som eksempler på fibre og konfigurationer, vi har brugt i vores laboratorium. </li></ol> 2. Installer Optisk Fiber i Test afsnit <ol><li> Åben test sektion ved at fjerne en af ​​de lange glas sideplader. </li><li> huller Borediameter 1 mmi sidevæggene 3 mm under låg til wire ankre (fig. 3). BEMÆRK: Ankre hold ståltråd, der understøtter sensoren. Ankeret tonehøjde kan varieres i overensstemmelse med afprøvningstværsnit og forventede dynamisk belastning fra flow. Den 20 mm deling bruges her viste sig stabil med minimal vibration i flow nær 1 m / sek. Vibration korrumperer DTS signaler og er mere problematisk med lange følere 15,16. </li><li> Snor et 127 um diameter ståltråd segment tværs testdelen ved at binde det til en messing anker ved hver ende af tanken. Gentag til der er i alt 47 wire segmenter spredt på tværs tanken. </li><li> Skær 50 m af optisk fiber ved hjælp kommunikation / elektrikere sakse med reserve skal forbruges i splejsning stik og opsigelse fiber (sandsynligvis &lt;0,5 m, men afhængig af færdighed på splejsning). Indsamle disse fibre på en lille spole, ~ 50 mm i diameter. </li><li> Lå den første sensor segmentet ved den ene kant af området valgt at måle temperaturen with sensorarrayet. BEMÆRK: Efter det første segment er fast i position, vil fiberen sløjfet for et tilstødende segment, fikseret i position, og flere fibre udleveres til det næste segment i en gentagen proces, der bygger array indtil bruges hele fiberen. </li><li> Væve fiber over og under tilstødende ledninger, der arbejder fra den ene side af tanken til den anden, dispensering fiber fra spolen efter behov. BEMÆRK: Fiberen er vinkelret på tråden, som vist i fig. 3 med vævningen støtter den mod tyngdekraften i den ene retning og flow i den anden. </li><li> Fastgør hver ende af den første fiber segment til låget med konventionel klar tape eller polyimid film tape. Det første segment af arrayet er nu på plads. BEMÆRK: Du må ikke lave sensor stramt som en guitarstreng, men snarere stramt nok til at være lige og tage op synlig slæk. Hvis sensoren er spændt, små deformationer i understøtningen, fx termisk udbygning af låget, vil ændre denne spænding og generere anomale signal forskydninger og målefejl. </li><li> Loop fiberen 180 grader for at returnere det tilbage til det næste segment, som vist i fig. 4 og tape den til låget i en afstand af 10 mm fra det første segment. BEMÆRK: Minimer sløjfen diameter, da det er &quot;brændt fiber&quot; (ikke en del af arrayet), men det bør være omkring 30 mm eller mere for tolerable spændinger. Fiberen bruges her har tolereret 30 mm diameter loops i flere måneder uden mærkbart tab signal, men grænser vil variere med fibertype. For fibrene anvendt her, fabrikanten specificerer &quot;kortsigtet&quot; bøjningsradius grænse ≥ 10 mm og &quot;langsigtet&quot; grænse ≥ 17 mm. </li><li> Igen væve fiber mellem ledninger mod den modsatte side af tanken og bånd i position. Gentag looping, tape, og vævning proces, indtil der anvendes alle fiberen. </li></ol> 3. Splice Connector og Termination til Fiber <ol><li> Splice et LC-typen singlemode stik til den ene ende af fiberen ved anvendelse af en fusion splicer efter producentens anvisninger 17. </li><li> Skær ~ 0,25 m terminering fiber med elektriker / kommunikation saks og splejse til den anden ende af fiberen, igen med en fusion splicer efter producentens instruktioner. BEMÆRK: Denne samling (fiber, stik, og terminering) vil nu blive omtalt som en &quot;sensor&quot;. Afslutningen fiber spreder restsignal fra laseren puls for at forhindre det i at vende tilbage til interrogatoren. </li></ol> 4. Sensor konfiguration <ol><li> Sæt LC-stik ende af sensoren i forhørsleder porten og begynde konfigurationen software. </li><li> Generer sensor amplitude data ved at vælge &quot;erhverve&quot; (forskellig fra temperaturdata), som automatisk vises, når scanningen er fuldført. BEMÆRK: trace for en sensor med gode splejsninger får genetral karakteristika er vist i fig. Fem. En dårlig splejsning kan angives med en utydelig støj gulv eller dominerende refleksion, hvor der forventes stikket. Ved mistanke om dårlig splejsning, tilbage til trin 3 og gentag splejsning procedure. </li><li> Vælg den aktive del af sensoren ved at trække den gule markøren vises på skærmen til begyndelsen af ​​sensoren og den røde markøren til slutningen. </li><li> Giv sensoren et navn og vælg &quot;gem sensor filer&quot;. BEMÆRK: Sensoren er nu konfigureret og klar til brug. </li><li> Luk konfiguration software og skift til måling software. </li></ol> 5. Kort Sensor Position inden Test sektion <ol><li> Start forhørsleder måling software og indlæse sensoren bare konfigureret. </li><li> Tilslut en loddekolbe til en variabel transformator indstillet til ~ 40%, forvarmning i 5-10 min. BEMÆRK: loddekolbe genererer lokale temperatur pigge til kortlægning. En loddekolbe dåse melt belægning fiberen og ødelægge sensoren så start med en lav transformer indstilling, ved hjælp af kun strøm nok til at opnå klare spikes. En 10-20 ° C spike tilstrækkelig til denne proces. </li><li> Vælg &quot;foranstaltning&quot; i forhørslederen software til at plotte live data på skærmen. </li><li> Zoom ud for at vise hele sensoren på skærmen. </li><li> Hold loddekolbe nær sensor og kortvarigt røre den ved det første kortlægning punkt, her segmentet længst fra afgangsåbningen, hvor den møder låget (fig. 4). </li><li> Optag stilling spidstemperatur som angivet ved software sammen med den tilsvarende fysiske placering inden testsektionen. </li><li> Gentag 5,5-5,6 at kortlægge endepunkter alle 49 segmenter. </li></ol> 6. Sensor Baseline: The Link til absolutte temperatur <ol><li> Position en eller flere temperaturstandarder fx TC eller modstand temperatur detektor (FTU), nær DTS til at tjene som standard forbinder DTS aflæsninger til absolut temperature. </li><li> Tæt op tanken ved at erstatte den lange glas sideplade, der blev fjernet i trin 2.1. </li><li> Isoler tanken ved indpakning det i tæpper eller konventionelle isoleringspaneler og lad det sidde natten over for at etablere en isoterm atmosfære. </li><li> Start forhørsleder software, skal du vælge &quot;baseline&quot; (eller &quot;tare&quot;), og samtidig notere / optage TC (eller RTD) læsning. Når softwaren er færdig med grundlinjen, skal du vælge &quot;foranstaltning&quot; plot live data til at undersøge kvaliteten af ​​grundlinjen. BEMÆRK: Denne kritiske trin fastlægger DTS baseline og signalet bør nu angive nul, dvs AT (x) = 0 ± en brøkdel af en grad. Fra nu af, vil signalet variere som tanken temperatur afviger fra referencesystemet temperatur: AT (x) = T (x) abs - T base, hvor T (x) abs er den absolutte temperatur langs fiberen og T base er baseline temperatur 6,18. Hvis testen sektionn er ikke-isoterme, vil T basen være en funktion af position, dvs T base (x), og nøjagtighed vil blive kompromitteret, medmindre T base (x) er kortlagt med mere end en TC eller RTD (se diskussion afsnit). Flyt ikke eller tryk på tasten, indtil trin 7 er afsluttet. Belaste det på nogen måde kan introducere forskydninger, der kan forringe målenøjagtigheden. </li><li> Undersøg det direkte signal, som ikke bør drive langt fra nul. Hvis afdrift er for stor for applikation (vores grænse er omtrent 0,5 ° C efter ~ 5 min), give mere tid til test sektion at nå termisk ligevægt og / eller forbedre isolering (se note nedenfor) og derefter gentage trin 6.4. BEMÆRK: Signal kvalitet er altid bedst umiddelbart efter baseline og vil drive over tid, afhængigt af fordelingen temperatur i testsektionen. God isolering og lange ventetider før basen foring vil reducere afdrift og målefejl. Betydelige, hurtige driver angiver testsektionen ikkeisotermisk, hvilket i sidste ende vil føre til unøjagtige målinger. </li><li> Vælg logning funktion i forhørsleder software og registrere 10-100 scanninger af DTS-data for de samme stagnerende, isotermiske betingelser netop bruges til at generere grundlinjen. Optag også TC / RTD læsning. BEMÆRK: Dette er reserve data for posttest kontrol af forskydninger, der kan genereres af stammen fra flow eller uventet deformation af testen sektion eller understøtter. </li></ol> 7. Kør Test <ol><li> Tænd for kompressoren at generere luftstrøm og justere strømningsregulatorer at matche strømningshastigheder på 1,25 kg / sek til hver kanal. BEMÆRK: Gennemsnitlig indløb hastighed er 1,1 m / sek og Reynolds tal er 10.000. </li><li> Indstil varmer magt til 600 W til at varme den øst jet 20 ° C over den vestlige jet, som er ved stuetemperatur. </li><li> Lad systemet køre natten over for at nå ligevægt. </li><li> Den næste dag undersøge levende DTS-signal til at vurdere støjniveauer. Vælg sensor &quot;gage length &quot;i softwaren for at opnå acceptable støjniveauer (en 30 mm gage anvendes her). BEMÆRK: Gage længde svarer til sensor rumlig opløsning. Generelt signal støj stiger som falder gage længde og som flow-induceret vibration stiger (se brugervejledningen og reference 13 og 14). </li><li> Log 2.000 DTS scanninger ved 4 Hz. </li><li> Sluk varmer magt og luftstrøm. Lad tanken sidde natten over for at nå ligevægt og optage 10-100 DTS scanninger til at supplere den præ-test datasæt gemmes til posttest offset kontrol. </li></ol> 8. Data Analysis <ol><li> Vælg efterbehandling funktion i hovedvinduet i interrogator software og importere test data, som er i et proprietært binært format. </li><li> Eksportere dataene som en almindelig tekstfil, der kan læses ved konventionelle regnearksprogrammer. BEMÆRK: Disse data repræsenterer målte AT langs fiberen, hvor AT (x) = T (x) abs - T base. Den indeholder ingen henvisning tilposition i testdelen (se fig. 6). Yderligere detaljer findes i forhørslederen brugervejledning og referencer 6 og 16 for dette skridt og det næste. </li><li> Import tekstdata i en konventionel regneark og konvertere til absolutte temperatur ved at tilføje T baseline, målt ved TC eller RTD i trin 6.4, til alle oplysninger. BEMÆRK: konvertering til absolutte temperatur er simpelthen en enkelt værdi offset korrektion: T (x) abs = AT (x) + T baseline, da vi har fastsat, at testsektionen var isoterm under baseline. </li><li> Brug regneark eller lignende data manipulation program at dekomponere T (x) data og kortlægge det for fysiske positioner inden testsektionen som det vist i figur 7 og 8. BEMÆRK: Programmet vil udnytte de indsamlede data med loddekolben i trin 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.

Vi har vist anvendelsen af ​​en DTS i et fluid dynamik eksperiment. Den største fordel ved disse sensorer er det store antal målepunkter, der kan opnås fra en enkelt sensor. De DTS her anvendte genererede data på 4.067 point på tværs af en 0,5 x 0,8 m fly, langt ud over praktisk grænser for konventionelle punkt sensorer såsom termoelementer. Mens en sådan datatæthed kan overskrides med optiske teknikker såsom laser induceret fluorescens (LIF), vil en DTS fungere i uigennemsigtige væsker og applikationer, der mangler optisk adgang. Den høje datatæthed af et DTS er velegnet til eksperimenter, der er involveret i Computational Fluid Dynamics kode validering. Baselining er det afgørende skridt i protokollen og centrale i fastlæggelsen målenøjagtighed. En thermo test sektion er afgørende for at sikre, at hele DTS er ved én temperatur når baselined. Hvis dette ikke er muligt, T basen bliver T base (x), som bør være MAPPed af flere TC placeret i umiddelbar nærhed af DTS. Selvom baseline kvalitet kan forbedres på denne måde, det komplicerer processen med at kortlægge DTS baseline til standarderne for konvertering til absolutte temperatur. Altid være på udkig efter kilder til belastning efter baseline, der kan introducere uforudsigelige signal skift. Sådanne kilder, f.eks testsektion termisk udvidelse, der strækker sensoren, bevægelse af understøtninger, dynamisk belastning fra høje strømningshastigheder, eller flow-induceret vibration. De præ- og posttest målinger under isotermiske betingelser vil bidrage til at identificere sådanne problemer. Stamme følsomhed er den vigtigste mangel ved denne Rayleigh spredning-baserede DTS. I modsætning til konventionelle sensorer som termoelementer, det er følsomt over for håndtering, fugtighed og vibrationer. Disse emner er mest relevante for den nøgne sensorkonfigurationen demonstreret her, men langt mindre vigtigt for sensorer til huse i kapillærer. I modsætning til konventionelle sensorer, kan en DTS ikke fremskaffes med papirarbejde opsporing det til en anerkendt kalibrering standard som NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibreringer er nødvendige, helst med en isoterm test sektion, der kan være svært i nogle anvendelser. Vibration er af særlig interesse for nøgne fibre spændt på tværs en stor test sektion. Vi har haft blandet succes med en vertikalt orienteret array, der spænder over den lange akse af tanken ved længder segment af 1,7 m. En konfiguration med 28 m af fiber og 16 segmenter klaret sig godt i løbet af en undersøgelse 18, men forsøg på at udvide den til 53 m med 29 segmenter var mislykket 16. Generelt signalstøj for enhver sensor længde og konfiguration kan formindskes ved at øge længdedimension over hvilken interrogator software beregner Rayleigh signal skift, men dette reducerer effektiv rumlig opløsning. hver ansøgning skal finde sin egen balance mellem signal støj og rumlig opløsning. Igen kan sådanne vanskeligheder i vid udstrækning undgås ved boliger sensoren i en kapillær på bekostning af forlænget termisk responstid. Denne relativt nye temperaturmåling teknologi kræver udvikling for at reducere følsomheden over for vibrationer. Meget af dette arbejde vil nødvendigvis indebære interrogator hardware og software. Sensorerne selv kan også forbedres for at reducere følsomheden over for håndtering og fugtighed ændringer, som er berørt af fiber belægninger. Arbejdet kunne fokusere på at udvikle belægninger overlegne til polyimid og acrylat-coatede fibre i øjeblikket kommercielt tilgængelige.

Computational Fluid Dynamics (CFD) koder anvendes til at simulere mange forskellige væskesystemer, fra luftstrømmen omkring fly og biler ned for arteriel blodgennemstrømning. Omfanget og troskab af sådanne simulationer er vokset med tilgængeligheden af ​​computerkraft. Men på trods af sofistikerede avancerede simuleringer, deres nøjagtighed og pålidelighed er ofte svære at kvantificere. I praksis er nøjagtigheden af ​​CFD koder vurderes ved at sammenligne simuleringer med eksperimentelle data i en proces kaldet kodevalidering. En typisk eksperimentelle datasæt består hovedsageligt af hastighed og temperaturmålinger, både ideelt for høj rumlig og tidsmæssig opløsning for at lette streng kode validering. Velocity felter kan kortlægges ved høj opløsning ved hjælp partikel billede Velocimetri (PIV), en veletableret optisk teknik 1,2. I modsætning hertil er det vanskeligt at kortlægge temperatur felter med opløsning sammenlignes med PIV. Optical teknikker, såsom laser-induceret fluorescens er tilgængelige 3,4, men de kræver kameraer og med relativt høj effekt lasere, og er uegnede til uigennemsigtige fluider. Et alternativ er tilgængelig i det relativt nye teknik distribueret temperatur sensing baseret på Rayleigh spredning og fejede-bølgelængde interferometri (SWI) 5-7. Tusinder af temperaturmålinger kan erhverves langs en enkelt optisk fiber. En distribueret temperaturføler (DTS) kan spænde store flow felter og funktion i miljøer, der er uegnede til billedbaserede teknikker 8. Der er også DTSs baseret på Raman og Brillouin spredning 9,10, men sensorer baseret på Rayleigh spredning og SWI giver rumlige og tidsmæssige opløsning mere egnet til typiske fluid dynamics eksperimenter. Selvom DTSs tilbud datatæthed langt ud over de traditionelle sensorer såsom termoelementer (TCS), sensorer baseret på Rayleigh scattering reagere på stamme samt temperatur 11. Hvis fibercoatingen er hygroskopisk, sensorer svare også fugtighedsændringer 12,13. Absorption af vanddamp svulmer overtrækket mens desorption krymper det 14, som belaster underliggende glasfiber og ændrer signalet. Som følge heraf er nøjagtighed påvirkes af håndtering, vibration og forskydninger i relativ fugtighed. Dette er helt i modsætning til traditionelle sensorer og skal overholdes så ukonventionelle installation og målemetoder til at opnå nøjagtige data. Dette papir demonstrerer brugen af ​​en DTS i en termisk blanding eksperiment, der præsenterer en protokol og retningslinjer for at sikre nøjagtigheden. De DTS anvendes her, er baseret på detektering og analyse af Rayleigh spredning inden for en fiberoptisk bølgeleder. En tilfældig fordeling af urenheder og strukturelle variationer langs fiberkernen giver anledning til en backscatter mønster, der er unik for fiberen og generelt stabile. Spektret og amplitudeaf dette mønster kan læses for at tjene som en fiber signatur. Fysiske ændringer såsom temperaturskift eller stamme ændrer signatur i en gentagelig måde og påvisning signatur variationer er grundlaget for at anvende fiberen som en sensor. Figur 1 illustrerer princippet komponenter af den optoelektroniske detektionsindretningen, kaldet en optisk fordelte sensor interrogator, og betegnet her blot som &quot;interrogator&quot;. I en teknik kendt som fejet-bølgelængde interferometri, en laveffekt afstemmelig laser lancerer et smalt bånd signal ind i fiberen med henblik på registrering resulterende tilbagekastning 5-7. Laseren er fejet hen et interval på flere nanometer og signalet delt mellem reference- og måling ben. Spredt lys fra sensoren er kombineret med referencesignalet for at generere interferenssignaler på detektorerne. Detektorudgangen digitaliseres og analyseres for at hente Rayleigh spredning signal. Den RayleIGH underskrift sensor skift i bølgelængde, hvor sensor temperatur (stamme, eller luftfugtighed) ændringer. Størrelsen af ​​denne bølgelængdeforskydning er relateret til sensor følsomhed, som er en fysisk konstant associeret med fibertype, som har en kalibreringsfaktor analog med Seebeck koefficient på en TC. Figur 2 viser glastanken der tjener som testsektionen anvendt i denne undersøgelse. Kameraet bag tanken giver en følelse af skalaen. Luften kommer ind gennem to sekskantede kanaler og blander før ud gennem en udluftning. For at fremhæve de jets, blev en flow stream podes med olietåge, mens den anden forblev ren luft. Låget tank har et vindue dækket med en sort polymer skærm. Selvom ikke synlig i billedet, er DTS ophængt under den sorte skærm. En 50 m lange DTS blev monteret under tankens låg som vist i fig. 3. Den blev forældet fra 155 um diameter polyimid-coatede optiske fiberog hang på 127 um diameter stålwire spændt mellem tanken gavle. Sensoren blev vævet gennem tråden i et alternerende mønster og looped frem og tilbage på tværs af tanken 49 gange. Det strækker sig over et 0,5 x 0,8 m fly og genererer 1.355 uafhængige datapunkter ved 4 Hz og rumlig opløsning på 30 mm, 4.067 datapunkter når oversamplet med 10 mm afstand. En sådan temperatur data af høj tæthed supplerer hastighedsdata og øger værdien af ​​datasæt for CFD validering. Protokollen beskriver processen med sensor udvælgelse, fabrikation og konfiguration og samtidig fokusere på de særlige betænkeligheder i at bruge DTS i en væske dynamik eksperiment.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="611">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="190">
			<td height="190" style="height:190px;width:139px;">Sensor interrogator</td>
			<td style="width:155px;">Luna Inc.</td>
			<td style="width:147px;">ODiSI-A and -B</td>
			<td style="width:172px;">The two systems differ primarily in speed and spatial resolution</td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:139px;">Fusion splicer</td>
			<td style="width:155px;">Fujikura</td>
			<td style="width:147px;">70S</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:139px;">Cleaver</td>
			<td style="width:155px;">Fujikura</td>
			<td style="width:147px;">CT-3A</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:139px;">3-hole jacket stripper</td>
			<td rowspan="2" style="width:155px;">Fiber Instrument Sales</td>
			<td rowspan="2" style="width:147px;">F11301T</td>
			<td rowspan="2" style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:139px;">jacket stripper</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:139px;">Optical fibers</td>
			<td style="width:155px;">OFS, Specialty Photonics Division</td>
			<td style="width:147px;">BF06160-02</td>
			<td style="width:172px;">Polyimide coating</td>
		</tr>
		<tr height="64">
			<td height="64" style="height:64px;width:139px;">Optical fibers</td>
			<td style="width:155px;">Newport Corp.</td>
			<td style="width:147px;">F-SM1500-4.2/50</td>
			<td style="width:172px;">Acrylate coating</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:139px;">Connector</td>
			<td style="width:155px;">AFL Global</td>
			<td style="width:147px;">FUSE-LC-9U-SMA-6</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:139px;">Termination fiber</td>
			<td style="width:155px;">OFS, Specialty Photonics Division</td>
			<td style="width:147px;">552 HPWR 040</td>
			<td style="width:172px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fiber optic distributed sensors for high-resolution temperature field mapping

Pålideligheden af ​​Computational Fluid Dynamics (CFD) kode kontrolleres ved at sammenligne simuleringer med eksperimentelle data. Et typisk datasæt består hovedsageligt af hastighed og temperaturmålinger, både ideelt at have høj rumlig og tidsmæssig opløsning for at lette streng kode validering. Mens høj opløsning hastighed data opnås let gennem optiske målemetoder som partikel billede Velocimetry, har det vist sig vanskeligt at opnå temperaturdata med lignende resolution. Traditionelle sensorer såsom termoelementer kan ikke udfylde denne rolle, men den seneste udvikling af distribuerede sensing baseret på Rayleigh spredning og fejede-bølge interferometri tilbyder opløsning egnet til CFD kode validering arbejde. Tusinder af temperaturmålinger kan genereres langs en enkelt tynd optisk fiber ved hundrede Hertz. Sensorer fungerer over store temperaturområder og inden uigennemsigtige væsker, hvor optiske teknikker er uegnede. Men denne type sensorer følsomt over for belastning og fugt samt temperatur og så nøjagtighed påvirkes af håndtering, vibration og forskydninger i relativ fugtighed. En sådan adfærd er helt i modsætning til traditionelle sensorer og så ukonventionelle installations- og operationelle procedurer er nødvendige for at sikre nøjagtige målinger. Dette demonstrerer gennemførelse af en Rayleigh scattering-typen fordelte temperatursensor i en termisk blanding eksperiment, der involverer to luftstråler ved 25 og 45 ° C. Vi præsenterer kriterier til at guide udvælgelsen af ​​optisk fiber for sensoren og beskrive setup anlæg for et jet blanding eksperiment. Vi illustrerer sensor baselining, som forbinder aflæsninger til et absolut temperatur standard, og drøfte praktiske spørgsmål såsom fejl på grund af flyde-induceret vibration. Dette materiale kan hjælpe dem interesseret i temperaturmålinger med høj datatæthed og båndbredde til fluid dynamik eksperimenter og lignende applikationer. Vi fremhæver faldgruber specifikke for disse sensorer til consideration i eksperiment design og drift.

Rå DTS-data er afbildet i fig. 6 viser målte AT fra basislinjen temperatur (ca. 20 ° C) som funktion af afstanden langs sensoren. Dataene er &quot;rå&quot; i den forstand, at det hverken er blevet omdannet til absolutte temperatur eller kortlægges til fysiske positioner i testsektionen. Data er baseret på en 30 mm målelængde, som giver 1.666 uafhængige målinger under fuld sensor længde på 50 m. Den 30 mm gage blev anvendt med intervaller 10 mm i en oversampling mode, der øger antallet af datapunkter til 5000. Sådanne data tæthed er ikke praktisk muligt med konventionelle sensorer såsom TC&#39;er. Ved x = 0 i fig. 6 sensoren er i den østlige ende af tanken, og som x øger det sløjfer og tilbage mod den vestlige ende. Peaks forekomme, når sensoren passerer over den varme øst jet og derefter fade, hvor det er over det kolde vest jet. Plottet viser, hvordan selv den rå signal fra en enkelt DTS kan give en grundlæggende skildring af temperaturen over et ret bredt område. Bemærk signalstøjen mod vest ende af fiberen, hvilket skyldes flow-induceret vibration. Selvom vibrationer ikke var synlige for det blotte øje, det var tilstrækkeligt at forringe signalet og vi ser dette problem oftest med lange sensorer (&gt; 10 m). Rådata er mappet til testsektionen i fig. 7, der viser temperatur over 0,5 x 0,8 m måleplanet dannet af DTS array. Det synspunkt er ovenfra tanken kigger ned på låget. Omridset af de sekskantede kanaler er medtaget som en orientering støtte. Konturen er baseret på 4.067 datapunkter da løkkerne tapede under låget er undtaget. Lineær interpolation mellem hosliggende sensor segmenter blev brugt til at oprette 2D kontur. the kontur giver en klar fornemmelse af den termiske mønster under låget med en varm region i den østlige jet, men ikke centreret omkring det. Også klart er en grov symmetri omkring tanken midterplan, som er y = 0 på grunden. Denne form for temperatur data er et nyttigt supplement til hastighedsdata i fluid dynamics undersøgelser med termisk blanding og varmeoverførsel. Streng kode validering kræver sådanne data i høj opløsning for både temperatur og hastighed felter. De samme sensordata kan behandles til at afsløre størrelsen af ​​temperatursvingninger. De RMS (root mean square) af scanningen datasæt 2000 er afbildet i figur 8. Magenta markerer det område, hvor temperaturudsving er relativt høje. Dette er også en region med høj turbulens, hvor de to stigende jets interagerer som griber ind i låget. RMS data er nyttige til turbulensmodellering i forbindelse med termisk blanding. Figur 1. Interrogator skematisk. Princip komponenter af optisk fordelt sensor forhørsleder for temperaturmålinger. Systemet er baseret på fejet-bølgelængde interferometri, der kendetegner sensorens Rayleigh tilbagekastning signatur. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figur 2. Test sektion Air jet blande eksperiment:. Luft kommer ind tanken gennem basen via to sekskantede kanaler og blandinger før du afslutter gennem top udluftning. Den sorte skærm, der dækker låget vinduet er 3 mm over DTS (ikke synlig). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>lethed klik her for at se en større version af dette tal. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figur 3. DTS montering konfiguration. Top syn på tanken viser DTS vævet mellem support stål ledninger spredt på tværs den lange akse af tanken. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figur 4. DTS nærbillede. Close-up foto af DTS med udsigt indefra tanken opad ved låg for at fremhæve sensor loops, vedhæftet fil, og placering af første delprøve skal kortlægges med loddekolbe. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne fi</a>gur. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figur 5. Rayleigh spredning signal. Typisk Rayleigh spredning signal optaget med sensor konfigurationsværktøj (kort sensor vist her for klarhed). Korrekt opsigelse vil generere skarp signal falde til støj gulv. Den lille signal skridt op og beskedne refleksion på stikket er karakteristisk for et korrekt splejset stik. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figur 6. Raw DTS-data. En enkelt scanning af rå DTS data med den varme øst jet ved 45 ° C og kold vest jet ved 25 ° C. Peaks opstår hvor sensoren er direkte<html> over varm stråle. Husk på, at sensoren er looping frem og tilbage mellem tankens vægge. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figur 7. Målt lufttemperatur under låget. DTS rådata konverteres til absolutte temperatur og kortlagt til fysisk position inden tank. Data, baseret på 2.000 scanninger logget ved 4 Hz. Data afstand 10 mm for i alt 4.067 plottede datapunkter. Lineær interpolation anvendes til at udfylde regionerne mellem sensor segmenter. Sekskanter viser positioner af fjorde. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figur 8. Root mean square (RMS) af målte temperatur. RMS data plottet i fig. 7.. Magenta indikerer temperaturudsving og termisk blanding af varme og kolde jetfly. Sekskanter viser positioner af fjorde. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af dette tal.</a> <img alt="tabel 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabel 1. størrelsesorden termisk responstid for udvalgte fibertyper og boliger konfigurationer i cross flow på 1 m / sek og 20 ° C. <img alt="tabel 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabel 2. Omtrentlige driftstemperatur grænser og fugtighed følsomheder for udvalgte belægning konfigurationer.

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

Vi demonstrere brugen af ​​en fiberoptisk distribueret sensor til kortlægning af temperaturen inden for blanding luftstråler. Den Rayleigh scattering-baserede sensor genererer tusindvis af datapunkter langs en enkelt fiber at yde ekstraordinær rumlig opløsning, der er uopnåelig med traditionelle sensorer såsom termoelementer.

Fiber Optic Distribuerede Sensorer til høj opløsning Temperature Field Mapping

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

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Udvikling af Whispering Gallery mode Polymere Micro-optiske elektrisk felt-følere

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

High-resolution, High-speed, Three-dimensional Video Imaging with Digital Fringe Projection Techniques

Digital fringe projection (DFP) techniques provide dense 3D measurements of dynamically changing surfaces.&#160;Like the human eyes and brain, DFP uses ...

Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

Opførelse af en høj opløsning Mikroskop med konventionelle og Holografisk Optiske fældefangst Capabilities

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Detektion og Inddrivelse af Palladium, Guld og kobolt Metaller fra Urban Mine Brug Nye sensorer / Adsorbenter Udpegede med Nanoscale Wagon-hjul-formede porer

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

High Resolution Phonon-assisted Quasi-resonance Fluorescence Spectroscopy

High Resolution Phonon-assisteret Quasi-resonans Fluorescence Spectroscopy

High resolution optical spectroscopy methods are demanding in terms of either technology, equipment, complexity, time or a combination of these. Here we ...

High-resolution Thermal Micro-imaging Using Europium Chelate Luminescent Coatings

Høj opløsning Termisk Micro-imaging Brug europiumchelat Selvlysende Coatings

Micro-electronic devices often undergo significant self-heating when biased to their typical operating conditions. This paper describes a convenient ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Nanostrukturerede Ag-zeolit ​​Composites som Luminescens-baserede Luftfugtighed sensorer

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Method for Recording Broadband High Resolution Emission Spectra of Laboratory Lightning Arcs

Metode til optagelse af bredbånds spektre med høj opløsnings emission af laboratorie Lynbuer

Lightning is one of the most common and destructive forces in nature and has long been studied using spectroscopic techniques, first with traditional ...

Three-Dimensional Ultrasonic Needle Tip Tracking with a Fiber-Optic Ultrasound Receiver

Tre-dimensionelle ultralyd nål Tip sporing med en Fiber-optisk ultralyd modtager

Ultrasound is frequently used for guiding minimally invasive procedures, but visualizing medical devices is often challenging with this imaging modality. ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

Hybrid udskrivning for fabrikation af Smart sensorer

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...