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. Velg Optimal Sensor Type for Application <ol><li> Velg sensorlengde basert på kompromisset mellom prøvetaking hastighet og antall datapunkter. MERK: En interrogator prøver sensorer opptil 50 m lengde på 2,5 Hz og oppløsning &lt;10 mm, mens de andre prøvene sensorer inntil 10 m lengde på 5 mm oppløsning og 100 Hz. </li><li> Velg en type enkeltmodus optisk fiber basert på krav til servicetemperaturgrenser, tidsrespons, fuktighet følsomhet og installasjon konfigurasjon (nakne eller i kapillær). MERK: Her har vi brukt 155 mikrometer diameter polyamid-belagt single-modus kommersielle telekom optisk fiber. NB: Se tabell 1 og 2 som eksempler på fibre og konfigurasjoner vi har benyttet i vårt laboratorium. </li></ol> 2. Installer Optical Fiber i Test avsnitt <ol><li> Åpen seksjon test ved å fjerne en av de lange glasssideplatene. </li><li> Bor en mm hull diameteri sideveggene 3 mm under lokket til wireanker (fig. 3). MERK: Anchors holde ståltråd som støtter sensoren. Ankeret banen kan varieres i henhold til testseksjonen størrelse og forventet dynamisk belastning fra flyt. Den 20 mm banen anvendt her vist seg å være stabil med minimal vibrasjon i strømningen nær 1 m / sek. Vibrasjons forderver DTS-signaler og er mer problematisk med lange sensorer 15,16. </li><li> String en 127 um diameter ståltråd segment over testseksjonen ved å binde den til et messing anker ved hver ende av tanken. Gjenta til det er totalt 47 tråd segmenter stressede over tanken. </li><li> Klipp 50 m over optisk fiber ved hjelp av kommunikasjon / elektrikere saks med reserve å bli fortært i spleising kontakten og oppsigelse fiber (sannsynligvis &lt;0,5 m, men avhengig av kompetanse på spleising). Samle denne fiber på en liten spole, ~ 50 mm i diameter. </li><li> Lå den første sensorsegment ved den ene kanten av det område valgt til å måle temperatur with sensor-arrayet. MERK: Etter at det første segment er fiksert i stilling, vil fiberen være løkker for et tilstøtende segment, fiksert i stilling, og mer fiber avgis for det neste segment i en repeterende prosess som bygger på matrisen inntil all fiber blir brukt. </li><li> Veve fibrene over og under hosliggende tråder, som arbeider fra en side av tanken til den andre, dispensering av fiberen fra spolen etter behov. MERK: fiber er vinkelrett i forhold til ledningen som vist i fig. 3 med veven støtter den mot tyngdekraften i en retning og strømning i den andre. </li><li> Fest hver ende av den første fibersegment til lokket med konvensjonelle klar tape eller polyimidfilm tape. Den første delen av matrisen er nå på plass. MERK: Ikke fikse sensor stram som en gitarstreng, men heller stram nok til å være rett og ta opp synlig slakk. Dersom sensoren er strammet, små deformasjoner i bæreren, for eksempel, termiske expansion av lokket, vil forandre denne spenningen og generere anomale signal forskyvninger og målefeil. </li><li> Sløyfen til fiberen 180 grader for å returnere det tilbake til neste segment, som vist på fig. 4 og tape den til lokket i en avstand på 10 mm fra det første segment. MERK: Minimer løkken diameter siden det er &quot;bortkastet fiber&quot; (ikke del av tabellen), men det bør være omtrent 30 mm eller mer for utholdelig påkjenninger. Den fiber som brukes her har tolerert 30 mm diameter sløyfer i flere måneder uten noen merkbar signaltap, men grensene vil variere med fibertype. For fiber brukes her, produsenten angir &quot;kortsiktig&quot; bøyeradius grense ≥ 10 mm og &quot;langsiktige&quot; grense ≥ 17 mm. </li><li> Igjen veve fiberen mellom trådene mot den motsatte side av beholderen og kassetten i stilling. Gjenta looping, taping, og veving prosessen til alle fiberen anvendes. </li></ol> 3. Splice Connector og Terminasjon til Fiber <ol><li> Skjøt en LC-type single mode kontakten til den ene enden av fiber ved hjelp av en fusjon spleise følge produsentens instruksjoner 17. </li><li> Skjær ~ 0,25 m avslutning fiber med elektrikeren / kommunikasjons saks og skjøte til den andre enden av fiberen, igjen med en blanding spleiseapparatet å følge produsentens instruksjoner. NB: Denne sammenstilling (fiber, kontakt, og avslutning) vil nå bli referert til som en &quot;sensor&quot;. Terminer fiber sprer restsignal fra laserpulsen for å hindre den fra å vende tilbake til spørresenderen. </li></ol> 4. Sensor Configuration <ol><li> Plugg LC-kontakt enden av sensoren i forhørs port og starte konfigurasjonsprogramvare. </li><li> Generere sensor amplitude data ved å velge &quot;erverve&quot; (forskjellig fra temperaturdata), som vises automatisk når skanningen er fullført. MERK: trace for en sensor med gode skjøter vil ha genetRAL egenskaper vist i fig. 5. En dårlig skjøt kan indikeres ved en utydelig støygulv eller dominerende refleksjon hvor kontakten er forventet. Ved mistanke om dårlig spleise, gå tilbake til trinn 3 og gjenta skjøting prosedyre. </li><li> Velge den aktive delen av sensoren ved å dra den gule markøren på skjermen til begynnelsen av sensoren og den røde markør til enden. </li><li> Gi sensoren et navn og velg &quot;lagre sensor filer&quot;. MERK: Sensoren er nå konfigurert og klar til bruk. </li><li> Lukk konfigurasjonsprogrammet og bytt til måling programvare. </li></ol> 5. Map sensor posisjon innen Test Seksjon <ol><li> Start forhørs måling programvare og laste sensoren bare konfigurert. </li><li> Koble en loddebolt til en variabel transformator satt til ~ 40%, forvarming for 5-10 min. MERK: loddebolt genererer lokale temperatur pigger for kartlegging. En loddebolt kan melt fiberbelegg og ødelegge sensoren så starte med en lav transformator innstilling, ved hjelp av akkurat nok kraft til å få klare toppene. En 10-20 ° C pigg tilstrekkelig for denne prosessen. </li><li> Velg &quot;tiltak&quot; i forhørs programvare for å plotte live data på skjermen. </li><li> Zoome ut for å vise hele sensoren på skjermen. </li><li> Holde loddebolten i nærheten av føleren, og kort berøre den ved den første kartlegging punkt, her den delen lengst borte fra ventilen, hvor den møter lokket (fig. 4). </li><li> Record stilling av temperaturtopp som antydet med programvare sammen med den tilsvarende fysiske plassering i testseksjonen. </li><li> Gjenta 05.05 til 05.06 for å kartlegge endepunktene på alle 49 segmenter. </li></ol> 6. Sensor Baseline: The Link til absolutt temperatur <ol><li> Posisjons en eller flere temperaturstandarder, for eksempel, TC eller motstand (RTD), i nærheten av DTS å tjene som standard knytte DTS avlesninger til absolutt temperature. </li><li> Lukke opp beholderen ved å erstatte den lange glasssideplate som ble fjernet i trinn 2.1. </li><li> Isoler tank ved å pakke det inn i tepper eller konvensjonelle isolasjonsplatene og la det sitte over natten for å etablere en isoterm atmosfære. </li><li> Start forhørsprogramvaren, velger du &quot;baseline&quot; (eller &quot;tara&quot;), og samtidig oppmerksom på / ta opp TC (eller RTD) lesing. Når programvaren er ferdig med grunnlinjen, velg &quot;måle&quot; plotte live data for å undersøke kvaliteten på grunnlinjen. MERK: Dette kritiske trinn etablerer DTS grunnlinjen, og signalet skal nå indikere null, dvs. AT (x) = 0 ± en brøkdel av en grad. Fra nå av vil signalet variere som tanktemperaturen avviker fra referansetemperaturen: AT (x) = T (x) abs - T base, hvor T (x) abs er den absolutte temperatur langs fiberen og T base er grunnlinjen temperatur 6,18. Hvis testen section er nonisothermal, vil T basen være en funksjon av posisjon, dvs. T base (x), og nøyaktigheten vil bli kompromittert med mindre T base (x) er tilordnet med mer enn en TC eller RTD (se diskusjon avsnitt). Ikke flytt eller berør sensoren til trinn 7 er fullført. Strai det på noen måte kan innføre forskyvninger som kan forringe målenøyaktigheten. </li><li> Undersøk live signal, som ikke bør drive langt fra null. Dersom drift er overdreven for søknaden (vår grense er omtrent 0,5 ° C etter ~ 5 min), gi mer tid til testseksjon for å nå termisk likevekt og / eller forbedre isolasjon (se merknad nedenfor), og deretter gjenta trinn 6.4. MERK: Signalkvaliteten er alltid best umiddelbart etter oppstart og vil drive over tid avhengig av temperaturfordeling i testseksjonen. God isolasjon og lange ventetider før basen fôr vil redusere drift og målefeil. Betydelig, raske driver indikerer testen delen er ikkeisoterm, som til slutt vil føre til unøyaktige målinger. </li><li> Velg logging-funksjonen i forhørs programvaren og registrere 10-100 skanninger av DTS data for de samme stillestående, isotermiske forhold bare brukes til å generere grunnlinjen. Record også TC / RTD lesing. MERK: Dette er reserve data for posttest kontroller av forskyvninger som kan genereres av belastning fra flyt eller uventet deformering av testseksjonen eller støtter. </li></ol> 7. Kjør test <ol><li> Slå på kompressoren for å generere luftstrømmen og juster strømningsregulatorer for å samsvare med strømningshastigheter på 1,25 kg / sek til hver kanal. MERK: Gjennomsnittlig inntakshastighet er 1,1 m / sek og Reynolds tall er 10.000. </li><li> Satt varmeapparat kraft til 600 W for å varme den øst trålen 20 ° C over den vest stråle, som er ved romtemperatur. </li><li> La systemet til å kjøre over natten for å oppnå likevekt. </li><li> Den neste dag undersøke levende DTS-signal for å evaluere støynivået. Velg sensor &quot;gage length &quot;i programvaren for å oppnå akseptable støynivåer (en 30 mm tykkelse brukes her). MERK: Gage lengde tilsvarer sensor romlig oppløsning. Generelt signalisere lyd øker som gage lengde reduseres og som vibrasjons øker strømningsinduserte (se brukerveiledningen og referanse 13 og 14). </li><li> Logg 2.000 DTS skanninger ved 4 Hz. </li><li> Slå av varmeapparat strøm og luftstrømmen. La tanken sitte over natten for å oppnå likevekt og registrere 10-100 DTS skanner for å utfylle den pre-test datasett lagret for posttest offset sjekker. </li></ol> 8. Data Analysis <ol><li> Velg etterbehandlingsfunksjonen i hovedvinduet i forhørs programvare og importere testdata, som er i et proprietært binært format. </li><li> Eksportere dataene som en ren tekstfil som kan leses av vanlige regnearkprogrammer. MERK: Disse dataene representerer målte AT langs fiberen der AT (x) = T (x) abs - T basen. Den inneholder ingen henvisning tilstilling i testseksjonen (se Fig. 6). Ytterligere informasjon er tilgjengelig i forhørsbrukerhåndboken og referanser 6 og 16 for dette trinnet og det neste. </li><li> Import tekstdata i en vanlig regneark og konvertere til absolutt temperatur ved å legge til T baseline, målt ved TC eller RTD i trinn 6.4, til alle opplysninger. MERK: Konverteringen til absolutt temperatur er bare en single-verdi offset korreksjon: T (x) abs = AT (x) + T baseline siden vi har fastsatt at testseksjonen var isotermisk under baseline. </li><li> Bruk regnearkprogram eller lignende datamanipulasjon program for å spalte t (x) data og kartlegge det fysiske posisjoner i testseksjonen som den som er vist på figurene 7 og 8. MERK: Programmet vil benytte de innsamlede dataene med loddebolt i trinn 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 at bruk av en DTS i en fluiddynamikk eksperiment. Den største fordelen med disse sensorene er det store antall målepunkter som kan oppnås fra en enkelt sensor. DTS brukes her genererte data på 4.067 poeng over en 0,5 x 0,8 m fly, langt utover de praktiske grensene for konvensjonelle punktsensorer som termo. Mens en slik datatetthet kan overskrides med optiske teknikker som laser-indusert fluorescens (LIF), vil en DTS fungere i ugjennomsiktig væske og programmer som mangler optisk tilgang. Den høye data tetthet av en DTS er egnet for eksperimenter som er involvert i computational fluid dynamics kode validering. Baselining er den kritiske trinn i protokollen og sentral i å bestemme nøyaktighet. En isotermisk testseksjonen er avgjørende for å sikre at hele DTS er ved en temperatur ved fryses. Hvis dette ikke er mulig, blir T basis T base (x), som bør være MAPPed av flere TCS plassert i umiddelbar nærhet til DTS. Selv baseline kvalitet kan forbedres på denne måten, kompliserer det prosessen med å kartlegge DTS baseline til standarder for konvertering til absolutt temperatur. Alltid være på utkikk etter kilder til belastning etter grunnlinjen, noe som kan introdusere uforutsigbare signal skift. Slike kilder er for eksempel testseksjonen termisk utvidelse som strekker seg sensoren, bevegelse av stolper, dynamisk belastning fra høye strømningshastigheter, eller strømningsinduserte vibrasjoner. Pre- og posttest målt under isotermiske forhold vil bidra til å identifisere slike problemer. Strain følsomhet er den viktigste brist av denne Rayleigh spredning baserte DTS. Til forskjell fra konvensjonelle sensorer som termoelementer, er den følsom for håndtering, fuktighet, og vibrasjon. Disse problemene er mest relevante for den nakne sensorkonfigurasjonen vist her, men langt mindre viktig for sensorer plassert i kapillærene. I motsetning til konvensjonelle sensorer, kan en DTS ikke være anskaffet med papirarbeid å spore den til en anerkjent kalibreringsstandard som NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibreringer er nødvendig, fortrinnsvis med en isoterm testseksjon, noe som kan være vanskelig i noen applikasjoner. Vibrasjon er av spesiell interesse for nakne fiber tredd over et stort testseksjon. Vi har hatt suksess blandet med en vertikalt orientert matrise som spenner over den lange aksen av tanken ved segmentlengder på 1,7 m. En konfigurasjon med 28 m av fiber og 16 segmenter leverte gode resultater i en studie 18, men prøver å utvide den til 53 m med 29 segmenter ble mislykket 16. Generelt, signalstøy for en hvilken som helst sensorlengde og konfigurasjon kan reduseres ved å øke målelengde over hvilken spørresenderen programvare beregner Rayleigh signal skiftet, men dette reduserer effektiv romlig oppløsning. hver Applicasjon må finne sin egen balanse mellom signalstøy og romlig oppløsning. Igjen kan slike vanskeligheter i stor grad unngås ved bolig føleren i en kapillær på bekostning av lengre termisk responstid. Denne relativt nye temperaturmåleteknologi krever utvikling for å redusere mottakelighet for vibrasjoner. Mye av dette arbeidet vil nødvendigvis innebære forhørs maskinvare og programvare. Sensorene selv kan også være forbedret for å redusere følsomheten for håndtering og fuktighetsendringer, som er berørt av fiber belegg. Arbeidet kunne fokusere på å utvikle belegg overlegen til polyamid og akrylat-belagte fibre i dag kommersielt tilgjengelig.

Computational fluid dynamics (CFD) koder brukes til å simulere et bredt utvalg av væskesystemer, fra luftstrømmen rundt fly og biler ned til arteriell blodstrøm. Omfanget og kvaliteten til slike simuleringer har vokst med tilgjengeligheten av datakraft. Men til tross for raffinement av avanserte simuleringer, deres nøyaktighet og pålitelighet er ofte vanskelig å kvantifisere. I praksis er nøyaktigheten av CFD-koder vurderes ved å sammenlikne simuleringer med eksperimentelle data i en prosess som kalles valideringskode. En typisk eksperimentelle datasett består hovedsakelig av hastighet og temperaturmålinger, både ideelt for høy romlig og tidsmessig oppløsning til rette for streng kode validering. Velocity felt kan kartlegges i høy oppløsning ved hjelp av partikkel bilde velocimetry (PIV), et veletablert optisk teknikk 1,2. I motsetning til dette er det vanskelig å kartlegge temperaturfelt med oppløsning sammenlignes med PIV. Optical teknikker som laser-indusert fluorescens er tilgjengelig 3,4, men de krever kameraer og relativt høy effekt lasere, og er uegnet for ugjennomsiktige væsker. Et alternativ er tilgjengelig i relativt ny teknikk for distribuert temperaturmåling basert på Rayleigh spredning og feide bølgelengde interferometri (SWI) 5-7. Tusenvis av temperaturmålinger kan bli kjøpt opp langs en enkelt optisk fiber. En distribuert temperatursensor (DTS) kan span store strømningsfelt og funksjon i miljøer som er uegnet for bildebaserte teknikker 8. Det er også DTSS basert på Raman og Brillouin spredning 9,10, men sensorer basert på Rayleigh spredning og SWI gi romlig og tidsmessig oppløsning mer egnet for typiske Fluid Dynamics eksperimenter. Selv DTSS tilbudet datatetthet langt utover det tradisjonelle sensorer som termo (TCS), sensorer basert på Rayleigh Scattering svarer til belastningen samt temperatur 11. Hvis fiber belegget er hygroskopisk, sensorer også svare på fuktigheten endrer 12,13. Absorpsjon av vanndamp sveller belegget mens desorpsjonen krymper den 14, som belaster den underliggende glassfiber og endrer signalet. Som et resultat, blir nøyaktigheten påvirket ved håndtering, vibrasjon, og endringer i relativ fuktighet. Dette er helt ulikt tradisjonelle sensorer og så ukonvensjonelle installasjon og målemetoder må følges for å få nøyaktige data. Dette dokumentet viser bruken av en DTS i en termisk blande eksperiment, presentere en protokoll og retningslinjer for å sikre nøyaktighet. DTS som brukes her er basert på deteksjon og analyse av Rayleigh spredning innen et fiberoptisk bølgeleder. En tilfeldig fordeling av forurensninger og strukturelle variasjoner langs fiberkjernen gir opphav til en tilbakesprednings mønster som er unikt for den fiber og generelt stabile. Spekteret og amplitudeav dette mønsteret kan leses for å tjene som en fiber signatur. Fysiske endringer som temperatur skift eller belastning endrer signaturen på en repeterbar måte, og å detektere variasjoner signatur er grunnlaget for ved hjelp av fiber som sensor. Figur 1 illustrerer de prinsipielle komponenter av den optoelektroniske føleanordningen, kalt en optisk interrogator distribuerte føler, og som er betegnet her som &quot;interrogator&quot;. I en teknikk kjent som feies-bølgelengde interferometri, starter en laveffekts avstembar laser en smalbånd-signal inn i fiberen for det formål å registrere resulterende tilbakespredning 5-7. Laseren er sveipet over et intervall på flere nanometer og signalet delt mellom referanse- og måle ben. Spredt lys fra sensoren er kombinert med referansesignalet for å generere interferenssignaler ved detektorene. Detektorutgangen er digitalisert og analysert til å hente den Rayleigh-spredning signal. den Rayleigh underskrift av sensor skift i bølgelengde der sensor temperatur (belastning, eller fuktighet) endringer. Størrelsen av denne bølgelengde skiftet er knyttet til sensoren følsomhet, som er et fysisk konstant som er knyttet til fibertype, som har en kalibreringsfaktor som er analog med den Seebeck-koeffisienten av en TC. Figur 2 viser en glasstank som fungerer som testseksjonen brukt i denne studien. Kameraet bak tanken gir en følelse av skala. Luft kommer inn gjennom to sekskantede rør og blander før du går ut gjennom en ventil. For å markere jets, ble en strømmen sådd med oljedamp, mens den andre holdt seg ren luft. Tanklokket har et vindu dekket med et svart polymer skjerm. Selv om ikke synlig på bildet, er det DTS suspendert under den svarte skjermen. En 50 m lang DTS var montert under lokket på beholderen som vist på fig. 3. Det ble fashioned fra 155 mikrometer diameter polyamid-belagt optisk fiberog hengt på 127 mikrometer diameter ståltråd spent mellom tank gavler. Sensoren ble vevd gjennom ledningen i et vekslende mønster og loopet frem og tilbake over tanken 49 ganger. Det spenner over et 0,5 x 0,8 m flyet og genererer 1,355 uavhengige datapunkter på 4 Hz og romlig oppløsning på 30 mm, 4.067 datapunkter når oversamples med 10 mm avstand. En slik høy tetthet temperaturdata utfyller hastighetsdata, og øker verdien av datasettene for CFD validering. Protokollen beskriver prosessen med sensor utvalg, fabrikasjon og konfigurasjon mens fokus på de spesielle bekymringer i å bruke DTS i en væske dynamikk eksperiment.

<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

Påliteligheten av Computational Fluid Dynamics (CFD) koder kontrolleres ved å sammenligne simuleringer med eksperimentelle data. En typisk datasett består hovedsakelig av hastighet og temperaturavlesninger, både ideelt å ha høy romlig og tidsmessig oppløsning til rette for streng kode validering. Mens høy oppløsning hastighetsdata oppnås lett gjennom optiske måleteknikker så som partikkelbildet velocimetry, har det vist seg vanskelig å oppnå temperaturdata med tilsvarende oppløsning. Tradisjonelle sensorer som termo kan ikke fylle denne rollen, men den siste utviklingen av distribuerte sensing basert på Rayleigh spredning og feide-bølge interferometri tilbyr oppløsning egnet for CFD-kode validering arbeid. Tusenvis av temperaturmålinger kan frembringes langs et enkelt tynn optisk fiber på flere hundre Hertz. Sensorer fungere over store temperaturområder og innen ugjennomsiktig væske der optiske teknikker er uegnet. Men denne type sensorer følsom for slitasje og fuktighet i tillegg til temperatur og så nøyaktighet påvirkes av håndtering, vibrasjon, og endringer i relativ fuktighet. Slik oppførsel er helt ulikt tradisjonelle sensorer og så ukonvensjonelle installasjons- og driftsrutiner er nødvendig for å sikre nøyaktige målinger. Dette papiret viser implementering av en distribuert temperaturføler Rayleigh-spredningen-type i et termisk blande eksperiment med to luftdyser ved 25 og 45 ° C. Vi presenterer kriteriene for å veilede valg av optisk fiber for sensoren og beskrive installasjon oppsett for en jet blanding eksperiment. Vi illustrerer sensor baselining, som forbinder avlesninger til en absolutt temperatur standard, og diskutere praktiske spørsmål som feil på grunn av flyte-indusert vibrasjon. Dette materialet kan hjelpe de som er interessert i temperaturmålinger har høy datatetthet og båndbredde for væskedynamikk eksperimenter og lignende programmer. Vi trekker frem fallgruver som er spesifikke for disse sensorene for considerasjon i eksperiment konstruksjon og drift.

Rå DTS-data er plottet i fig. 6 viser målte AT fra referansetemperaturen (omtrent 20 ° C) som funksjon av avstand langs sensoren. Dataene er &quot;rå&quot; i den forstand at det har heller ikke blitt omdannet til absolutt temperatur og heller ikke kartlagt til fysiske posisjoner i testseksjonen. Dataene er basert på en 30 mm målelengde, noe som gir 1,666 uavhengige målinger over hele sensoren lengde på 50 m. Den 30 mm tykkelse ble brukt på 10 mm intervaller i en sampling modus som øker antall datapunkter til 5000. Slike data tetthet er ikke praktisk mulig med konvensjonelle sensorer som TC. Ved x = 0 i fig. 6 sensoren er i den østre enden av tanken, og som x øker looper og tilbake mot west end. Peaks oppstå der sensoren passerer over den varme øst jet og deretter visne hvor det er over den kalde vest jet. Plottet viser hvordan selv de rå signal fra en enkelt DTS kan gi en grunnleggende skildring av temperatur over et ganske stort område. Legg merke til signalstøy mot vestenden av fiber, noe som skyldes flow-indusert vibrasjon. Selv om vibrasjon var ikke synlig for det blotte øye, var det tilstrekkelig å degradere signalet, og vi ser dette problemet oftest med lange sensorer (&gt; 10 m). Rådataene kartlagt på testseksjonen i fig. 7, som viser temperatur på 0,5 x 0,8 m måling plan som dannes av DTS matrisen. Synspunkt er fra over tanken ser ned på lokket. Konturene av sekskantede kanaler er inkludert som orienteringshjelp. Konturen er basert på 4.067 datapunkter siden looper tapet under lokket er utelukket. Lineær interpolasjon mellom nærliggende sensorsegmentene ble brukt til å lage 2D kontur. the kontur gir en klar følelse av den termiske mønster under lokk med en varm region over øst jet, men ikke sentrert rundt den. Også tydelig er en grov symmetri rundt tanken midtplan, som er y = 0 på tomten. Denne typen temperaturdata er en nyttig kompliment til hastighetsdata i fluiddynamikk studier med termisk miksing og varmeoverføring. Streng kode validering krever slike data med høy oppløsning for både temperatur og hastighetsfelt. De samme sensor data kan behandles for å vise omfanget av temperatursvingninger. RMS (root mean square) i 2000 skannedatasettet er plottet i figur 8. Magenta markerer det område hvor temperatursvingninger er relativt høye. Dette er også et område med høy turbulens, hvor de to stigende strålene samhandle som støter mot lokket. RMS data er nyttig for turbulens modellering i forbindelse med termisk blanding. Figur 1. Interrogator skjematisk. Viktigste komponentene optisk distribuert sensor forhørs for temperaturmålinger. Systemet er basert på feid bølgelengde interferometri, som karakteriserer sensorens Rayleigh backscatter underskrift. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figur 2. Test delen Air jet blande eksperiment. Luft kommer tanken gjennom basen via to sekskantede rør og mikser før du går ut gjennom toppen vent. Den svarte skjermen dekker lokket vinduet er 3 mm over DTS (ikke synlig). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>lette Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figur 3. DTS monterings konfigurasjon. Ovenfra tank viser DTS vevet mellom stål støtte ledninger strukket over den lange aksen av tanken. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figur 4. DTS nærbilde. Close-up bilde av DTS med utsikt fra innsiden tank oppover på lokket for å markere sensor sløyfer, vedlegg og plassering av første testpunkt som skal kartlegges med loddebolt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette fi</a>gur. <img alt="Figur 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figur 5. Rayleigh spredning signal. Typisk Rayleigh spredning signal registrert med sensor konfigurasjonsverktøy (kort sensor vist her for klarhet). Riktig terminering vil generere kraftig signal slippe til støynivå. Den svake signal steg opp og beskjeden refleksjon på kontakten er karakteristisk for en skikkelig spleiset kontakt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figur 6. Rå DTS-data. En enkelt skann av rå DTS-data med varmt øst strålen ved 45 ° C og kald vest stråle ved 25 ° C. Peaks oppstå der sensoren er direkte<html> ovenfor varm stråle. Husker at sensoren er looping og tilbake mellom tankvegger. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Figur 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figur 7. Målt lufttemperatur under lokket. DTS rådata konverteres til absolutt temperatur og tilordnet fysisk posisjon innen tank. Data basert på 2000 skanninger innlogget på 4 Hz. Data avstanden 10 mm for en total på 4.067 plottede datapunkter. Lineær interpolasjon benyttes til å fylle områdene mellom sensorsegmentene. Hexagons viser posisjoner viker. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figur 8. Root mean square (RMS) av målt temperatur. RMS av data plottet i fig. 7. Magenta indikerer høye temperatursvingninger og termisk blanding av varme og kalde jets. Hexagons viser posisjoner viker. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a> <img alt="Tabell 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabell 1. størrelsesorden termisk responstiden for utvalgte fibertyper og bolig konfigurasjoner i cross flow ved 1 m / sek og 20 ° C. <img alt="Tabell 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabell 2. Omtrentdriftstemperaturgrenser og fuktighets sensitiviteter for utvalgte belegg konfigurasjoner.

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 viser bruk av en fiberoptisk distribuert sensor for kartlegging av temperaturfeltet blandeluftdyser. Rayleigh-spredning-baserte sensor genererer tusenvis av datapunkter langs en enkelt fiber for å gi god romlig oppløsning som er uoppnåelig med tradisjonelle sensorer som for eksempel termoelementer.

Fiberoptiske distribuerte sensorer med høy oppløsning Temperatur felttilordning

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

Utvikling av Whispering Gallery Mode Polymer Micro-optiske elektriske feltet Sensorer

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

Bygging av en høyoppløselig mikroskop med konvensjonelle og Holografisk Optiske overlapping 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

Påvisning og utvinning av Palladium, Gull og Cobalt Metals fra Urban Mine Bruke Novel Sensorer / adsorbenter Eget med nanoskala Wagon-hjulformede 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-assistert Quasi-resonans flourescensspektroskopi

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

Høyoppløselig termisk Micro-imaging Bruke Europium chelat Lysende 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

Nanostrukturerte Ag-zeolitt Composites som Luminescence-baserte Fuktighet 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 for innspilling bredbånd høyoppløselig utslipp Spectra av Laboratory Lightning Arcs

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

Tredimensjonale ultralyd nål tips sporing med fiberoptisk ultralyd mottaker

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 utskrift for fabrikasjon av smarte sensorer

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