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. Välj Optimal Sensortyp för Application <ol><li> Välj sensorlängd baserad på avvägning mellan samplingshastighet och antalet datapunkter. OBS: En fråge prover sensorer upp till 50 m längd på 2,5 Hz och upplösning &lt;10 mm medan de andra proverna sensorer upp till 10 m längd på 5 mm upplösning och 100 Hz. </li><li> Välj en typ av single-mode optisk fiber baserad på kraven för servicetemperaturgränser, svarstid, fukt känslighet och konfiguration installation (nakna eller kapillär). OBS: Här har vi använt 155 um diameter polyimid belagda single-mode kommersiella telekom optisk fiber. OBS: Se tabell 1 och 2 som exempel på fibrer och konfigurationer vi har använt i vårt laboratorium. </li></ol> 2. Installera optisk fiber i provsträcka <ol><li> Öppna testsektionen genom att ta bort en av sidoplattorna långa glas. </li><li> hål borra ett mm diameteri sidoväggarna 3 mm under lock för tråd ankare (Fig. 3). OBS: Ankare hålla ståltråd som stödjer sensorn. Ankar planen kan varieras i enlighet med testsektionsstorlek och förväntad dynamisk belastning från flödet. Den 20 mm delning används här visade sig vara stabil med minimal vibration i flöde nära ett m / sek. Vibrations fördärvar DTS-signaler och är mer problematiskt med långa sensorer 15,16. </li><li> String en 127 | j, m diameter ståltråd segment tvärs över testsektionen genom att binda den till ett mässings ankare vid vardera änden av tanken. Upprepa tills det finns totalt 47 trådsegmenten uppträdda över tanken. </li><li> Klipp 50 m av optisk fiber med hjälp av kommunikation / elektriker sax med reserv att konsumeras i skarvkontakten och avslutande fiber (sannolikt &lt;0,5 m, men är beroende av kunskaper vid skarvning). Samla denna fiber på en liten spole, ~ 50 mm i diameter. </li><li> Lägga den första sensorn segmentet vid en kant av det område som valts för att mäta temperatur with sensoruppsättningen. OBS: Efter det första segmentet är fast i position, kommer fibern loopas för ett intilliggande segment, fast på plats, och mer fibrer matas till nästa segment i en upprepad process som bygger arrayen tills all fiber används. </li><li> Väva fiber ovanför och under intilliggande ledningar, som arbetar från den ena sidan av tanken till den andra, dispense fibern från spolen som behövs. OBS: Fibern är vinkelrät mot tråden såsom visas i fig. 3 med väven som stöder den mot tyngdkraften i en riktning och flödet i den andra. </li><li> Fäster varje ände av den första fibern segmentet till locket med konventionella genomskinlig tejp eller polyimid film tejp. Det första segmentet av uppsättningen är nu på plats. OBS: inte fixa sensor spänd som en gitarrsträng, utan tillräckligt spända för att vara rak och ta upp synligt slack. Om sensorn är spänd, små deformationer i underlaget, till exempel, termisk expansionen av locket, kommer att ändra denna spänning och generera anomalous signalsförskjutningar och mätfel. </li><li> Loop fibern 180 grader för att återvända tillbaka för nästa segment såsom visas i fig. 4 och tejpa fast den på locket på ett avstånd av 10 mm från det första segmentet. OBS: Minimera diametern loop eftersom den är &quot;bortkastade fiber&quot; (inte en del av matrisen), men det bör vara ungefär 30 mm eller mer för tolerabla påkänningar. Fibern som används här har tolererat 30 mm diameter slingor i flera månader utan märkbar signalförlust, men gränserna varierar med fibertypen. För fiber som används här, anger tillverkaren &quot;kortsiktiga&quot; böjradie gräns ≥ 10 mm och &quot;long-term&quot; gräns ≥ 17 mm. </li><li> Igen väver fibern mellan trådarna mot den motsatta sidan av tanken och tejpen i läge. Upprepa looping, tejpning, och vävning processen tills all fiber används. </li></ol> 3. Skarv Connector och Termination till Fiber <ol><li> Splitsa en LC-typ single-mode-kontakt till en ände av fibern med användning av en fusionsskarvning enligt tillverkarens instruktioner 17. </li><li> Skära ~ 0,25 m termine fiber med elektriker / kommunikations sax och skarva till den andra änden av fibern, återigen med en fusionsskarvning enligt tillverkarens instruktioner. OBS: Detta aggregat (fiber, kontakt, och terminering) kommer nu att hänvisas till som en &quot;sensor&quot;. Terminerings fibern dispergerar restsignalen från laserpulsen för att förhindra den från att återvända till frågestationen. </li></ol> 4. Sensor Konfiguration <ol><li> Anslut LC-typ änden av sensorn i fråge port och starta konfigurationsprogram. </li><li> Generera sensor amplituddata genom att välja &quot;förvärva&quot; (till skillnad från temperaturdata), som visas automatiskt när skanningen är klar. OBS: spår för en sensor med goda skarvar kommer att ha genenral egenskaperna som visas i Fig. 5. En dålig skarv kan indikeras av ett otydligt brusgolvet eller dominerande reflektion där kontakten förväntas. Om man misstänker en dålig skarv är tillbaka till steg 3 och upprepa skarvförfarandet. </li><li> Välj den aktiva delen av sensorn genom att dra den gula markören som visas på skärmen till början av sensorn och den röda markören till slutet. </li><li> Ge givaren ett namn och välj &quot;spara sensorfiler&quot;. OBS! Sensorn är nu konfigurerad och klar för användning. </li><li> Stäng konfigurationsprogrammet och växla till mätprogramvara. </li></ol> 5. mapsensor Position inom Test avsnitt <ol><li> Starta fråge mätprogramvara och ladda sensorn just konfigurerat. </li><li> Anslut en lödkolv till en variabel transformator satt till ~ 40%, förvärmning 5-10 min. OBS! Lödkolv genererar lokala temperaturtoppar för kartläggning. En lödkolv burk melt fiberbeläggningen och förstöra sensorn så börja med en låg transformator inställning, med bara tillräckligt med kraft för att få tydliga spikar. En 10-20 ° C spik räcker för detta förfarande. </li><li> Välj &quot;åtgärd&quot; i fråge programvara för att rita realtidsdata på skärmen. </li><li> Zooma ut för att visa hela sensorn på skärmen. </li><li> Håll lödkolv nära sensorn och kort beröra den vid första kartläggning punkten, här segmentet längst bort från ventilen där den möter locket (Fig. 4). </li><li> Rekord ställning temperaturtoppen som indikeras av programvara tillsammans med motsvarande fysiska plats i provsträcka. </li><li> Upprepa 5,5-5,6 att kartlägga ändpunkter alla 49 segment. </li></ol> 6. Sensor Baseline: Länken till absoluta temperaturen <ol><li> Position en eller flera temperaturstandarder, till exempel, TC eller detektortemperaturbeständighet (RTD), nära DTS att fungera som standard länka DTS avläsningar till absolut temperature. </li><li> Nära övre tanken genom att ersätta den långa glassidoplatta som togs bort i steg 2,1. </li><li> Isolera tanken genom att linda den i filtar eller konventionella isoleringspaneler och låt den stå över natten för att upprätta en isotermisk atmosfär. </li><li> Starta fråge programvara, välj &quot;baseline&quot; (eller &quot;tara&quot;), och samtidigt notera / registrera TC (eller RTD) läsning. När programvaran är klar med baslinjen, välj &quot;åtgärd&quot; rita live-data för att undersöka kvaliteten på baslinjen. OBS: Detta kritiskt steg etablerar DTS baslinje och signalen bör nu indikera noll, dvs, AT (x) = 0 ± en bråkdel av en grad. Från och med nu, kommer signalen att variera som tanktemperaturen avviker från referenstemperaturen: AT (x) = T (x) abs - T bas, där T (x) abs är den absoluta temperaturen utmed fibern och T bas är baslinjen temperatur 6,18. Om test ITTn är icke-isotermiska kommer T basen vara en funktion av läget, det vill säga, T bas (x), och noggrannhet kommer att äventyras om inte T bas (x) avbildas med mer än en TC eller RTD (se diskussion avsnitt). Flytta inte eller vidrör sensorn tills steg 7 är klar. Filter det på något sätt kan införa förskjutningar som kan försämra mätnoggrannheten. </li><li> Undersöka levande signalen, som inte bör driva långt från noll. Om drift är överdriven för tillämpning (vår gräns är ungefär 0,5 ° C efter ~ 5 min), ge mer tid för provsträcka för att nå termisk jämvikt och / eller förbättra isoleringen (se nedan) och sedan upprepa steg 6,4. OBS: Signalkvaliteten är alltid bäst omedelbart efter baslinjen och kommer att glida över tiden beroende på temperaturfördelningen inom testsektionen. Bra isolering och långa väntetider innan bas foder kommer att minska avdrift och mätfel. Betydande, snabba drivor indikerar testsektionen inteisotermisk, vilket i slutändan kommer att leda till felaktiga mätningar. </li><li> Välj loggningsfunktionen i frågeprogram och spela 10-100 genomsökningar av DTS data för samma stillastående, isoterma förhållanden bara används för att generera baslinjen. Spela även TC / RTD läsning. OBS: Detta är reservdata för posttest kontroller av förskjutningar som kan genereras av stammen från flöde eller oväntad deformation av testsektionen eller stöd. </li></ol> 7. Kör test <ol><li> Slår på kompressorn för att generera luftflödet och justera flödesregulatorer för att matcha strömningshastigheter vid 1,25 kg / sek till varje kanal. OBS: Genomsnittlig inloppshastigheten är 1,1 m / sek och Reynolds tal är 10.000. </li><li> Ställ uppvärmningseffekt till 600 W för att värma den östra strålen 20 ° C över den västra strålen, som är vid rumstemperatur. </li><li> Låt systemet att köra över natten för att nå jämvikt. </li><li> Nästa dag undersöka levande DTS-signal för att bedöma bullernivåer. Välj sensor &quot;gage lä ngd &quot;i programvaran för att uppnå acceptabla bullernivåer (30 mm gage används här). OBS: Gage längd motsvarar sensor rumslig upplösning. I allmänhet, signalbrus ökar då mätlängden minskar och som flödes inducerad vibration ökar (se användarmanualen och referens 13 och 14). </li><li> Log 2.000 DTS skannar vid 4 Hz. </li><li> Stäng av värmaren makt och luftflöde. Låt tanken stå över natten för att nå jämvikt och spela 10-100 DTS skannar att komplettera förtest datamängd sparas för posttest offset kontroller. </li></ol> 8. Dataanalys <ol><li> Välj funktionen efterbearbetning i huvudfönstret i frågeprogram och importera testdata, som är i en egen binärt format. </li><li> Exportera data som en vanlig textfil som kan läsas av konventionella kalkylprogram. OBS: Denna data representerar uppmätta AT längs fibern där AT (x) = T (x) abs - T bas. Den innehåller ingen hänvisning tillposition i testsektionen (se fig. 6). Ytterligare information finns i frågeanvändarhandbok och referenser 6 och 16 för detta steg och nästa. </li><li> Importera textdata i en konventionell kalkylblad och konvertera till absoluta temperaturen genom att lägga till T baslinjen, mätt med TC eller RTD i steg 6,4, till samtliga uppgifter. OBS: Omvandlingen till absoluta temperaturen är helt enkelt ett enda värde offset korrigering: T (x) abs = AT (x) + T baslinjen eftersom vi har fastställts att testsektionen var isotermisk under baslinjen. </li><li> Använd kalkylprogram eller liknande datamanipulation program för att bryta ner uppgifter T (x) och kartlägga den fysiska positioner inom testsektionen som den som visas i figurerna 7 och 8. OBS: Programmet kommer att använda de insamlade uppgifterna med lödkolven i steg 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 visat användningen av en DTS i en fluiddynamik experiment. Den största fördelen med dessa sensorer är ett stort antal mätpunkter som kan erhållas från en enda sensor. DTS används här genererade data vid 4,067 poäng över en 0,5 x 0,8 m plan, långt bortom praktiskt gränserna för konventionella punkt sensorer såsom termoelement. Även om en sådan datatätheten kan överskridas med optiska tekniker såsom laserinducerad fluorescens (LIF), kommer en DTS fungera i ogenomskinliga vätskor och applikationer som saknar optisk access. Den höga datatätheten av en DTS är lämplig för experiment involverade i beräkningsfluiddynamik kod validering. Baselining är det kritiska steget i protokollet och centrala för att bestämma mätnoggrannhet. En isotermisk provsträcka är viktigt att se till hela DTS är en temperatur vid baselined. Om detta inte är möjligt, blir T bas T bas (x), som bör vara MAPPed av flera bidragsgivare placerade i nära anslutning till DTS. Även baslinjen kvalitet kan förbättras på detta sätt försvårar det arbetet med att kartlägga DTS baslinjen till de normer för konvertering till absolut temperatur. Alltid vara på jakt efter källor stam efter baslinjen, vilket kan införa oförutsägbara signal skift. Sådana källor är, till exempel, testsektion termisk expansion som sträcker sensorn, rörelse av fästen, dynamisk belastning från höga flödeshastigheter, eller strömningsinducerad vibration. Pre- och posttest mätningar under isoterma förhållanden kommer att bidra till att identifiera sådana problem. Stam känslighet är den största bristen av denna Rayleighspridningen baserade DTS. Till skillnad från konventionella sensorer som termoelement, är det känsligt för hantering, fukt och vibrationer. Dessa frågor är mest relevanta för den nakna sensorkonfiguration visat här, men långt mindre viktigt för sensorer inrymt i kapillärerna. Till skillnad från konventionella sensorer, kan en DTS inte tas tillvara med pappersarbete spåra det till en erkänd kalibreringsstandard såsom NIST (National Institute of Standards and Technology). In-situ kalibreringar behövs, företrädesvis med en isotermisk testsektionen, vilket kan vara svårt i vissa applikationer. Vibrations ett särskilt problem för bar fiber tvärs över en stor provsträcka. Vi har haft blandad framgång med en vertikalt orienterad matris som spänner över långa axeln av tanken vid segmentlängder på 1,7 m. En konfiguration med 28 m fiber och 16 segment utvecklades väl under en studie 18, men försök att utvidga det till 53 m med 29 segment var misslyckade 16. I allmänhet, signalbrus för någon sensor längd och konfiguration kan minskas genom ökning av mätlängden över vilken fråge programvara beräknar Rayleigh-signalen SKIFT, men detta minskar effektivt rumslig upplösning. varje tillämption måste slå sin egen balans mellan signalbrus och spatial upplösning. Återigen kan sådana svårigheter kan undvikas i hög grad av bostäder sensorn i en kapillär på bekostnad av utökad termisk svarstid. Denna relativt nya temperaturmätning teknik kräver utveckling för att minska känsligheten för vibrationer. En stor del av detta arbete kommer med nödvändighet innebära fråge hårdvara och mjukvara. Sensorerna själva kan också förbättras för att minska känsligheten för hantering och fuktighetsförändringar, som påverkas av fiberbeläggningar. Arbetet kan fokusera på att utveckla beläggningar överlägsna polyimiden och akrylat belagda fibrer för närvarande kommersiellt tillgängliga.

Computational fluid dynamics (CFD) koder används för att simulera ett stort antal olika vätskesystem, från luftflödet runt flygplan och bilar ned till arteriellt blodflöde. Omfattningen och trohet av dessa simuleringar har vuxit med tillgången på datorkraft. Trots den sofistikerade avancerade simuleringar, sin noggrannhet och tillförlitlighet är ofta svåra att kvantifiera. I praktiken är noggrannheten av CFD koder bedömas genom att jämföra simuleringar med experimentella data i en process som kallas kod validering. En typisk experimentdatapost består huvudsakligen av hastighet och temperaturmätningar både helst med hög spatial och temporal upplösning för att underlätta rigorös kod validering. Hastighetsfält kan kartläggas med hög upplösning med hjälp av partikel bild Velocimetry (PIV), en väletablerad optisk teknik 1,2. Däremot är det svårt att kartlägga områden temperatur med upplösning jämförbar med PIV. Optical tekniker såsom laserinducerad fluorescens är tillgängliga 3,4, men de kräver kameror och med relativt hög effekt lasrar, och är olämpliga för opaka vätskor. Ett alternativ är tillgängliga i den relativt nya tekniken med distribuerad temperaturavkännande baserat på Rayleigh-spridning och svepte våglängd interferometri (SWI) 5-7. Tusentals temperaturmätningar kan förvärvas längs en enda optisk fiber. En distribuerad temperatursensor (DTS) kan spänna stora flödesfält och funktion i miljöer som inte är lämpliga för bildbaserade tekniker 8. Det finns också DTSS baserat på Raman och Brillouin spridning 9,10, men sensorer baserade på Rayleigh-spridning och SWI ger spatial och temporal upplösning mer lämpade för typiska vätskedynamik experiment. Även DTSS erbjuda datatäthet långt utöver det traditionella sensorer såsom termoelement (TCS), sensorer baserade på Rayleigh scattering svara anstränga samt temperatur 11. Om fiberbeläggningen är hygroskopisk, sensorer svarar också för fukt förändringar 12,13. Absorption av vattenånga sväller beläggningen medan desorption krymper det 14, som tänjer underliggande glasfiber och förändrar signalen. Som ett resultat, är noggrannheten påverkas av hantering, vibrationer och förskjutningar i relativ fuktighet. Detta är helt i motsats till traditionella sensorer och så okonventionella installations- och mätmetoder måste följas för att få fram exakta uppgifter. Detta dokument visar användningen av en DTS i en termisk blandningsexperiment, presenterar ett protokoll och riktlinjer för att säkerställa noggrannheten. DTS används här är baserad på detektion och analys av Rayleigh-spridning inom en fiberoptisk vågledare. En slumpmässig fördelning av föroreningar och strukturella variationer längs fiberkärnan ger upphov till en bakåtspridningsmönster som är unik för fibern och i allmänhet stabila. Spektrumet och amplitudav detta mönster kan läsas för att fungera som en fiber signatur. Fysiska förändringar såsom temperaturskift eller stam ändra signaturen på ett repeterbart sätt, och detektera signatur variationer är grunden för att använda fibern som en sensor. Figur 1 visar huvudkomponenterna i den optoelektroniska avkänningsanordningen, som kallas en optisk distribuerad sensor förhörsledaren, och betecknade här helt enkelt som &quot;förhörsledaren&quot;. I en teknik som kallas sopas-våglängds interferometri, lanserar en låg effekt avstämbar laser ett smalt band signal in i fibern i syfte att registrera resulterande återspridning 5-7. Lasern sveps över ett intervall på flera nanometer och signalen delas mellan referens- och mätnings ben. Spritt ljus från sensorn är kombinerad med referenssignalen för att generera interferenssignaler vid detektorerna. Detektorutsignalen digitaliseras och analyseras för att hämta den Rayleigh-spridning signalen. den Rayleög undertecknandet av sensor skift i våglängd där temperatursensorn (stam eller fuktighet) förändringar. Storleken av denna våglängdsförskjutning är relaterad till sensorkänslighet, vilket är en fysikalisk konstant associerad med den fibertyp, som har en kalibreringsfaktor som är analogt med det Seebeck koefficient för en TC. Figur 2 visar glasbehållaren som fungerar som det avsnitt som används i denna studie test. Kameran bakom tanken ger en känsla av skalan. Luft kommer in genom två hexagonala kanaler och blandar innan ut genom en ventil. För att belysa strålarna var ett flöde ympades med oljedimma medan den andra förblev ren luft. tanklocket har ett fönster täckt med en svart polymer skärm. Även om det inte syns på bilden, är DTS upphängd under den svarta skärmen. En 50 m långa DTS monterades under tanklocket såsom visas i fig. 3. Det skulpterad ur 155 um diameter polyimid belagd optisk fiberoch hängde på 127 ståltråd um diameter uppträdda mellan tank ändpaneler. Sensorn vävdes genom tråden i ett omväxlande mönster och loopas fram och tillbaka över tanken 49 gånger. Den spänner över en 0,5 x 0,8 m plan och genererar 1,355 oberoende datapunkter vid 4 Hz och rumslig upplösning av 30 mm, 4,067 datapunkter när samplad med 10 mm mellanrum. En sådan temperaturuppgifter med hög densitet kompletterar hastighetsdata och ökar värdet av datauppsättningar för CFD validering. Protokollet beskriver urvalsprocessen sensor, tillverkning, och konfiguration med fokus på de särskilda problem med att använda DTS i en vätska dynamik experiment.

<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

Tillförlitligheten av Computational Fluid Dynamics (CFD) koder kontrolleras genom att jämföra simuleringar med experimentella data. En typisk datauppsättning består huvudsakligen av hastighet och temperaturavläsningar, både helst har hög spatial och temporal upplösning för att underlätta rigorös kod validering. Medan hög upplösning hastighetsdata är lätt erhållas genom optiska mätmetoder som partikel bild Velocimetry, har det visat sig svårt att erhålla temperaturdata med liknande resolution. Traditionella sensorer såsom termoelement kan inte fylla denna roll, men den senaste tidens utveckling av distribuerad avkänning baserad på Rayleigh-spridning och svepte våg interferometri erbjuder upplösning som lämpar sig för validering CFD kod arbete. Tusentals temperaturmätningar kan genereras längs en enda tunn optisk fiber på hundratals Hertz. Sensorer fungerar över stora temperaturintervall och inom ogenomskinliga vätskor där optiska tekniker är olämpliga. Men denna typ av sensorär känslig för påfrestningar och luftfuktighet samt temperatur och så Noggrannheten påverkas av hantering, vibrationer och förskjutningar i relativ fuktighet. Ett sådant beteende är helt till skillnad från traditionella sensorer och så okonventionella installations- och driftsrutiner är nödvändiga för att säkerställa noggranna mätningar. Detta dokument visar genomförandet av en Rayleigh-spridning-typ fördelad temperatursensor i en termisk blandnings experiment med två luftstrålar vid 25 och 45 ° C. Vi presenterar kriterier för att styra valet av optisk fiber för sensorn och beskriver installation setup för en jet blandningsexperiment. Vi illustrerar sensorbaselining, som förbinder avläsningar till ett absolut standardtemperatur och diskutera praktiska frågor såsom fel på grund av flödes vibration. Detta material kan hjälpa dem som är intresserade av temperaturmätningar med hög datatäthet och bandbredd för vätskedynamik experiment och liknande applikationer. Vi lyfter fallgropar som är specifika för dessa sensorer för consideration i experimentets utformning och drift.

Raw DTS data plottas i fig. 6 visar uppmätta At från baslinjen temperatur (ungefär 20 ° C) som funktion av avståndet längs sensorn. Data är &quot;rå&quot; i den meningen att den har varken omvandlats till absolut temperatur och inte heller mappas till fysiska positioner inom testsektionen. Data är baserade på en 30 mm mätlängd, som ger 1,666 oberoende mätningar över fullsensorlängd 50 m. 30 mm gage applicerades vid 10 mm mellanrum i en samplingsläge som ökar antalet datapunkter till 5000. En sådan datatätheten är inte praktiskt möjligt med konventionella sensorer såsom TC. Vid x = 0 i fig. 6 sensorn är vid den östra änden av tanken, och då x ökar loopar och tillbaka mot den västra delen. Toppar förekomma när sensorn passerar över den heta östra jet och sedan blekna där det är över den kalla västra jet. Handlingen visar hur även råsignalen från en enda DTS kan ge en grundläggande bild av temperaturen över ett ganska brett område. Notera signalbruset mot den västra delen av fibern, vilket beror på att flödes vibration. Även vibrationer var inte synlig för blotta ögat, var det tillräckligt att försämra signal och vi ser detta problem oftast med långa sensorer (&gt; 10 m). Rådata avbildas på testsektionen i fig. 7, som visar temperaturen över 0,5 x 0,8 m mätplanet bildas av DTS array. Den synvinkel är från ovanför tanken tittar ner på locket. Konturerna av de hexagonala kanaler ingår som ett orienteringshjälpmedel. Konturen är baserad på 4,067 datapunkter eftersom slingorna tejpade under locket är undantagna. Linjär interpolering mellan intilliggande sensorsegment användes för att skapa 2D kontur. the kontur ger en tydlig känsla av den termiska mönstret under locket med en varm region över östra jet, men inte centrerad runt den. Också uppenbart är en grov symmetri runt tanken mittplan, som är y = 0 på tomten. Denna typ av temperaturdata är ett användbart komplement till hastighetsdata i vätskedynamik studier med termisk blandning och värmeöverföring. Rigorös kod validering kräver sådana uppgifter med hög upplösning för både temperatur och hastighetsfält. Samma sensordata kan bearbetas för att avslöja omfattningen av temperaturfluktuationer. RMS (root mean square) av 2000 scan datamängden är inritad i figur 8. Magenta markerar det område där temperaturvariationer är relativt höga. Detta är också en region med hög turbulens, där de två stigande strålar interagerar som inkräktar på locket. RMS-data som är användbar för turbulensmodellering i samband med termisk blandning. Figur 1. Interrogator schematiska. Princip komponenter i optiska distribuerad sensor interrogator för temperaturmätningar. Systemet bygger på svepte våglängd interferometri, som kännetecknar sensorns Rayleigh backscatter signatur. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="figur 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig2.jpg" /> Figur 2. Test avsnitt Air jet blandning experiment. Luft kommer in tanken genom bas via två hexagonala kanaler och blandningar innan ut genom toppen ventil. Den svarta skärmen täcker locket fönstret är 3 mm ovanför DTS (ej synlig). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig2large.jpg" target="_blank">Pl</a>lätta klicka här för att se en större version av denna siffra. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig3.jpg" /> Figur 3. DTS monteringskonfiguration. Uppifrån av tanken visar DTS vävda mellan stödståltrådar uppträdda över den långa axeln av tanken. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig3large.jpg" target="_blank">Klicka god här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="figur 4" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig4.jpg" /> Figur 4. DTS närbild. Närbild foto av DTS med utsikt inifrån tanken uppåt på locket för att markera sensorslingor, fastsättning och placering av första provpunkt som ska avbildas med lödkolv. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig4large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna fi</a>gur. <img alt="figur 5" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig5.jpg" /> Figur 5. Rayleigh spridning signal. Typisk Rayleighspridningen signal inspelad med sensor konfigurationsverktyget (kort sensor visas här för tydlighetens skull). Rätt terminering kommer att generera kraftig signal droppe till brusgolvet. Den lilla signal steg upp och blygsam reflektion vid kontakten är karakteristisk för en korrekt splitsad kontakt. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig5large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="figur 6" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig6.jpg" /> Figur 6. Rå DTS-data. En enda genomsökning av rå DTS data med den heta östra strålen vid 45 ° C och kall västra jet vid 25 ° C Toppar förekomma när sensorn är direkt<html> ovanför varm stråle. Minns att sensorn looping och tillbaka mellan tankväggarna. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig6large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="figur 7" src="/files/ftp_upload/54076/54076fig7.jpg" /> Figur 7. Uppmätt lufttemperatur under locket. DTS rådata omvandlas till absolut temperatur och mappas till fysiska position inom tanken. Informationen är baserad på 2.000 skannar loggade vid 4 Hz. Data avståndet 10 mm för totalt 4,067 plottade datapunkterna. Linjär interpolering användes för att fylla regioner mellan sensorsegment. Hexagoner visar positionerna för inlopp. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig7large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> 54076fig8.jpg &quot;/&gt; Figur 8. Root mean square (RMS) av uppmätta temperaturen. RMS data plottade i fig. 7. Magenta indikerar höga temperaturvariationer och värme blandning av varma och kalla jetplan. Hexagoner visar positionerna för inlopp. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54076/54076fig8large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</a> <img alt="bord 1" src="/files/ftp_upload/54076/54076table1.jpg" /> Tabell 1. storleksordning termisk svarstid för utvalda fibertyper och bostads konfigurationer i tvärflöde på 1 m / s och 20 ° C. <img alt="tabell 2" src="/files/ftp_upload/54076/54076table2.jpg" /> Tabell 2. Ungefärliga driftstemperaturgränser och fuktighet känslighet för utvalda beläggningskonfigurationer.

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 visar användningen av en fiberoptisk distribuerad sensor för att kartlägga området blandningstemperaturen luftstrålar. Rayleigh spridning baserade sensor genererar tusentals datapunkter längs en enda fiber för att ge exceptionellt rumslig upplösning som är ouppnåeligt med traditionella sensorer såsom termoelement.

Fiberoptiska Distribuerade sensorer för hög upplösning Temperatur 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

Utveckling av Whispering Gallery läge Polymera Micro-optiska sensorer för elektriska

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

Högupplöst, hög hastighet, tredimensionell video Imaging med Digital Fringe Projection Tekniker

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

Konstruktion av en högupplöst mikroskop med konventionella och holografiskt optiskt fångstmetoder 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

Upptäckt och Återvinning av palladium, guld och kobolt Metals från Urban Mine Använda Nya Sensorer / Adsorbents Utsedda med Nanoscale Wagon-hjulformade 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

Hög upplösning Phonon-assisterad Quasi-resonans fluorescens spektroskopi

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

Högupplöst Termisk Micro-avbildning med europiumkelat Självlysande 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

Nanostrukturerade Ag-zeolit ​​Composites som Luminescence-baserade Fuktsensorer

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

Metod för att registrera bredbands högupplöst emission spektra av laboratorie blixtar

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

Tredimensionellt ultraljud nål spets spårning med en fiberoptisk ultraljud mottagare

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 för tillverkning av smarta sensorer

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