חיישני סיבים אופטיים מבוזרת עבור מיפוי שדה הטמפרטורה גבוהה ברזולוציה
7 בנובמבר 2016
אנו מדגימים שימוש בחיישן מופץ סיבים אופטיים למיפוי שדה הטמפרטורה של ערבוב מטוסי אוויר. חיישן הפיזור מבוסס ריילי מייצר אלף נקודות נתונים לאורך סיב בודד לספק רזולוציה מרחבית חריגה היא בלתי ניתן להשגה עם חיישנים מסורתיים כגון צמדים.
המטרה הכוללת של ניסוי זה היא לספק נתוני שדה זרימה ברזולוציה גבוהה כדי לאמת קודי מחשב של דינמיקת נוזלים חישובית, ולבדוק את יכולתם לדמות במדויק העברת חום בזרימות סוערות. טכניקת מדידת טמפרטורה מתקדמת זו יכולה ליצור אלפי נקודות נתונים לאורך חיישן יחיד העשוי מסיבי טלקום מסחריים. הוא מסוגל לספק צפיפות נתונים שהיא הרבה מעבר לחיישנים מסורתיים כמו צמדים תרמיים.
אך בניגוד לצמדים תרמיים, חיישני סיבים אופטיים אלה רגישים למתח כמו גם לטמפרטורה. אז טיפול, רטט ושינויים בלחות משפיעים על אות הטמפרטורה. רגישות המתח אינה דומה לחיישנים מסורתיים.
והשגת נתונים מדויקים, דורשת נהלי הפעלה ונהלים מיוחדים שנדגים כאן. חיישן הטמפרטורה המבוזר, או DTS יודגם באמצעות סעיף בדיקה זה. זהו מיכל זכוכית עם שתי תעלות אוויר משושה המחוברות לבסיס.
האוויר יוצא דרך פתח אוורור בחלקו העליון לאחר ערבוב הפנים. בחלק הפנימי של הפאנל העליון, מסך פולימרי שחור מעל מיקום ה- DTS. גש לחלק הפנימי של קטע הבדיקה על ידי הסרת לוחות בחלק העליון ובצד.
מתוח על פני החלק העליון של קטע הבדיקה, חוט פלדה עם גובה של 20 מילימטר. מעל שטח המדידה, החוטים תומכים בסיב האופטי, של חיישן הטמפרטורה המבוזר. הסיבים האופטיים עוברים בניצב לחוט הפלדה ומרוחקים 10 מילימטרים זה מזה.
בתחילת ה-DTS יש בערך מטר סיבים השמור לשחבור ולסיום הקצה. קטעים נארגים דרך חוטים סמוכים מצד אחד של אזור המדידה לצד השני. הסיב מסובך להיות הקטע הסמוך והקצוות מאובטחים לקטע הבדיקה בעזרת סרט.
זוהי סכימה של פריסת קטע המבחן הסופי מלמעלה. חוטי הפלדה מכסים אזור הכולל את התעלות. הסיב של חיישן הטמפרטורה המבוזר שזור דרך החוטים באזור מעל התעלות.
כדי לארוג את הסיב האופטי של ה-DTS, בצע את השלבים הבאים. התחל עם סליל סיבים באורך 50 מטר, ושחרר את הסליל מספיק כדי ליצור את השמורה לשחבור למחבר מחוץ למיכל. עוגן את הסיב מעבר לשמורה למכסה קטע הבדיקה.
לאחר מכן, פרקו כחצי מטר של סיבים שישמשו להפעלת מקטעי החיישנים החדשים הראשונים. הניחו כמה מאות מילימטרים של סיבים על רשת התיל ועצבו אותה ללולאה. אריגת הלולאה דרך חוטי התמיכה לסירוגין בין מעבר מעל ומתחת לחוטים סמוכים.
כאשר מגיעים לצד הנגדי של המיכל, הסיב עבור שני מקטעי החיישן הראשונים מוכן להדבקה למקומו. משוך את הקטע הראשון מתוח והדביק אותו למקומו בצד התחתון של המכסה. סרגל המודבק למכסה משמש לציון מיקום ושליטה במרווח הקטעים.
אנו רוצים שזה מתוח מספיק כדי שיישאר במקומו במהלך הזרימה אך לא כל כך מתוח שעיוות בקטע הבדיקה מאמץ את החיישן וגורם לשגיאת מדידה. כעת, צרו לולאה בקוטר של כ-30 מילימטרים בחלק הלא מעוגן של הסיב והדביקו אותה 10 מילימטרים מהקטע הראשון. עוגן את הקצה השני של הקטע השני למכסה המיכל.
פרקו כחצי מטר של סיבים כדי להתחיל את זוג מקטעי החיישן הבא. חזור על השלבים המשמשים עבור שני מקטעי הגלאי הראשונים כדי ליצור זוגות מקטעים נוספים. כאשר מערך החישה במקומו, חבר מחבר לקצה הסיב.
חבר את החיישן לכבל ההשהיה הצהוב שיקשר את החיישן לחוקר. חבר את כבל ההשהיה לחוקר והשלם את שלבי התצורה. חוקר החיישנים מבוסס על אינטרפרומטריה מהירה של אורכי גל.
לייזר דיודה מתכוונן בהספק נמוך שולח אות פס צר לתוך הסיב. הלייזר נסחף על פני מספר ננומטרים, והאות מפוצל בין רגלי ייחוס ומדידה. אור מפוזר מהחיישן, משולב עם אות הייחוס, כדי ליצור אותות הפרעה בגלאים.
פלט הגלאי משמש לאחזור אות פיזור השחרור. כעת יש למפות את מיקומי החיישן. לשם כך, חבר מלחם לשנאי משתנה, המוגדר לכ- 40 אחוז.
במחשב, השתמש בתוכנת החוקר כדי להציג נתונים חיים על המסך. קח את המגהץ והתקרב לתחילת הקטע הראשון של החיישן, החזק את המגהץ ליד החיישן וגע בו בקצרה עד לנקודת הסיום. במחשב, הפסק את איסוף הנתונים כדי להקפיא את השיא.
לאחר מכן התקרב לעליית הטמפרטורה כדי לתעד את מיקום השיא ואת המיקום הפיזי. אסוף נתונים באותו אופן עבור נקודות ההתחלה והסיום של כל מקטע. לאחר מיפוי מיקומי החיישן, הכינו תקן טמפרטורה אחד או יותר.
במקרה זה, השתמש בצמד התרמי למשימה. בחר אזור באזור המדידה של ה-DTS. התקן את הצמד התרמי ליד סיב ה- DTS.
לאחר סיום העבודה בפנים, סגור את המיכל על ידי החזרת כל הפאנלים למקומם. המשך בעטיפת המיכל בצורה כלשהי של בידוד. לאחר העטיפה, הניחו לו לשבת מספיק זמן כדי ליצור אווירה איזותרמית סביב החיישן.
כשהמערכת מוכנה, הפעל את תוכנת החוקר והתחל במדידות. כדי לקבל את קו הבסיס, תחילה עצור את המדידה. לאחר מכן בחר תוכנית בסיסית והזן שם קובץ בשדה שסופק.
בחר טווח מדידה ולחץ על אישור כדי להיות תהליך הבסיס. הקלט בו זמנית את קריאת טמפרטורת הצמד התרמי לכיול. לאחר שהתוכנה השלימה את קו הבסיס, עבור למצב המדידה.
האות צריך להיות כעת אפס לכל אורך החיישן ולא להיסחף שעות נוספות אם המערכת שלה במצב יציב מבחינה תרמית. בשלב זה, עבור אל בקרות הזרימה והחימום כדי להתכונן לריצה. כאשר זרימת האוויר פועלת, התאם את קצבי הזרימה בערוצים כך שיתאימו.
כוונן את בקר הכוח כדי לחמם סילון אחד ולקבוע את הטמפרטורה ההפרש הרצויה בין הסילונים. חזור למערכת לאחר שהיא פעלה במהלך הלילה כדי להגיע לשיווי משקל. בדוק את אות ה-DTS החי כדי לגשת לרמות הרעש ובחר את אורך המד המתאים.
השתמש במערכת הטמפרטורה המבוזרת כדי לרשום 2000 סריקות ב-4 הרץ. אלה נתונים גולמיים של הפרש הטמפרטורה הנמדד מטמפרטורת הבסיס. הקצה השמאלי של הציר האופקי מתאים לקטע סיבים בגבול המערכת המסומן כקצה המזרחי.
בתנועה ימינה, הסיב מסתובב קדימה ואחורה לכיוון הקצה המערבי. שיאים מתרחשים כאשר החיישן נמצא ישירות מעל הסילון החם. הרעש לכיוון הקצה המערבי נובע מרטט הנגרמת על ידי זרימה.
כאן, הנתונים הגולמיים ממופים למיקומים בסעיף הבדיקה. נקודת המבט היא מעל מישור המדידה במערך ה-DTS. קווי המתאר של הערוצים המשושים הם כיוון A ל.
אינטרפולציה ליניארית בין נקודות הנתונים מאפשרת יצירת מפת מתאר טמפרטורה דו-ממדית כדי לספק תחושה של הדפוס התרמי מתחת למכסה. האזור האדום מציין אזור חם מעל הסילון המזרחי אך לא מרוכז בו. ניתן להשתמש בנתוני החיישן גם כדי למפות את הריבוע הממוצע של המסלול של תנודות הטמפרטורה.
אזור המג'נטה הוא אזור של תנודות טמפרטורה גבוהות ומערבולות גבוהות שבו שני הסילונים העולים מתקשרים כשהם מתנגשים במכסה. ראינו כיצד חיישן סיב אופטי יחיד, המבוסס על פיזור ריילי, יכול לייצר אלפי מדידות טמפרטורה כדי לספק תמונה מפורטת של השדה המלא שלא ניתן יהיה להשיג עם צמדים תרמיים. כדי להבטיח דיוק מדידה, הקדישו תמיד תשומת לב מיוחדת לבקרת מתח לאחר קו הבסיס ולמזער רעידות הנגרמות על ידי זרימה באמצעות תכנון מתחשב של תצורת תמיכת החיישן.
טכניקת חישה מבוזרת זו מספקת אפשרויות חדשות למדידות טמפרטורה בנוזלים אטומים ויישומים אחרים שאינם מתאימים לטכניקות אופטיות המסתמכות על לייזרים ומצלמות.
סקירה כללית
מחקר זה מדגים את השימוש בחשש סיב אופטי מפוזר למיפוי שדה הטמפרטורה של סילוני אוויר המתערבבים. החשש משתמש בפיזור ריילי כדי להפיק אלפי נקודות נתונים לאורך סיב בודד, ובכך משיג רזולוציה מרחבית יוצאת דופן בהשוואה לחששים מסורתיים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- מדעי המוח
- דינמיקת נוזלים
- טכניקות למדידת טמפרטורה
רקע
- נתוני שדה זרימה ברזולוציה גבוהה חיוניים לתיקוף קודי דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD).
- חיישנים מסורתיים, כגון צמדי תרמוקופל, מספקים צפיפות נתונים מוגבלת.
- חיישני סיב אופטי רגישים הן למאמץ והן לטמפרטורה.
- נדרשים נהלי עבודה מיוחדים לאיסוף נתונים מדויק.
מטרת המחקר
- לאימות סימולציות של דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) של מעבר חום בזרימות טורבולנטיות.
- להדגמת ההקמה והתפעול של חיישן טמפרטורה מבוזר (DTS).
- להשוואת ביצועיהם של חיישני סיב אופטי אל מול שיטות מסורתיות למדידת טמפרטורה.
שיטות שבהן נעשה שימוש
- בניית מקטע בדיקה עם תעלות אוויר משושאות לערבוב סילוני אוויר.
- שזירת סיבים אופטיים דרך חוטי תמיכה ליצירת מערך חיישנים.
- שימוש במערכת שאילתת חיישנים מבוססת לייזר למדידת נתוני טמפרטורה.
- מיפוי מיקומי החיישנים וכיול באמצעות צמדים תרמיים (thermocouples).
תוצאים עיקריים
- החיישן הסיב האופטי סיפק נתוני טמפרטורה בצפיפות גבוהה על פני אזור המדידה.
- מיפוי מדויק של מיקומי החיישנים הושג באמצעות מלחם ותוכנה.
- מדידות בסיס הצביעו על תנאים תרמיים יציבים במהלך הניסויים.
- בקרות הזרימה והחימום יצרו בהצלחה את הפרשי הטמפרטורה הרצויים.
מסקנות
- חיישנים מבוזרים מסיבים אופטיים מציעים יתרונות משמעותיים על פני צמדים תרמיים מסורתיים.
- נחוצות טכניקות ייעודיות כדי לצמצם את השפעות המאמץ על המדידות.
- שיטה זו משפרת את ההבנה של מעבר חום בזרימה טורבולנטית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מיפוי שדה טמפרטורה ברזולוציה גבוהה באמצעות חיישנים מבוזרים של סיבים אופטיים מאפשר תיקוף קפדני של מודלים של דינמיקה של נוזלים חישובית (CFD), שהם קריטיים לפיתוח תהליכים חזויים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה. היכולת להפיק אלפי נקודות נתוני טמפרטורה ברזולוציה מרחבית תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית ומגבירה את הביטחון בקבלת החלטות מונחית-סימולציה. יכולת זו רלוונטית במיוחד לאופטימיזציה של טיפול בנוזלים מורכבים, ערבוב ובקרה תרמית בסביבות של עיבוד ביולוגי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בדיקה מדויקת של מדרגי טמפרטורה במערכות ניסוייות הרלוונטיות לפיתוח תהליכים.
- תומך בהפחתת סיכונים מכניסטית על ידי אספקת נתונים בצפיפות גבוהה לתיקוף מודלים של מעבר חום.
- משפר את רמת הוודאות החזויה באופטימיזציה של תהליכים מבוססת סימולציה.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay Development)
- מקל על הכנת סביבות תרמיות עובדות (validated) עבור תהליכי עבודה של בדיקות המשך.
- מאפשר מיפוי טמפרטורה כמותי וניתן לשחזור על פני גיאומטריות מורכבות.
- תומך בסטנדרטיזציה של בקרת טמפרטורה בפלטפורמות של סריקה בתוספת גבוהה (high-throughput screening).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מספק רצף ממיפוי תרמי בקנה מידה של שלב הגילוי ועד לתיקוף תהליכים בשלב הפיילוט והשלב הפרה-קליני.
- מאפשר קידום של תכנוני תהליכים מותאם סיכונים, בהתבסס על נתונים תרמיים חסונים.
- תומך בהתאמת התנאים הניסויים לדרישות תהליכי התרגום (translational process).
אינטגרציה של תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטת חישוש מבוזרת זו משתלבת ברצף פיתוח התהליכים, החל משלב הגילוי המוקדם, דרך הגדלת קנה המידה (scale-up) ועד לתיקוף פרה-קליני, בכל מקום שבו נדרש מיפוי תרמי מדויק.
- ביולוגיית גילוי: תומכת בבדיקת השערות ובבירור מסלולים ביולוגיים על ידי מתן אפשרות לאפיון מדויק של הסביבה התרמית.
- סריקה: מספקת נתוני טמפרטורה בעצימות גבוהה וניתנים לשחזור לצורך סטנדרטיזציה של בדיקות ויכולת הרחבה.
- אנליטיקה: מספקת פלטים כמותיים ומדידות ברזולוציה מרחבית להשוואה חסונה של תנאי תהליך.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין ממצאים בקנה מידה מעבדתי לתיקוף תהליכים פרה-קליניים באמצעות מיפוי תרמי עקבי.
- שימוש חוזר בארגון: מציעה פלטפורמה לשימוש חוזר לניטור טמפרטורה ברזולוציה גבוהה במגוון הגדרות ניסוייות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי ומפחית עמימות מכניסטית במידול תהליכים.
- ערך תפעולי: מספק יכולות מדידת טמפרטורה סטנדרטיות, הניתנות לשחזור וניתנות להרחבה.
- ערך אסטרטגי: מאפשר קבלת החלטות מושכלת יותר לגבי המשך התהליך (go/no-go) ומשפר את יעילות ההון על ידי הפחתת סיכונים בשלבים מאוחרים של התהליך.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף וקידום של מועמדים לפיתוח תהליכים בהתאם לסיכון המותאם.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בהתקנה וכיול של חיישני סיבים אופטיים.
- דורש מיכשור ייעודי עבור פיזור ריילי ואנליזה אינטרפרומטרית.
- מצריך סטנדרטיזציה בין-צוותית של הטיפול ובקרות סביבתיות כדי להבטיח את שלמות הנתונים.
- התאמה למערכות מודל שונות עשויה לדרוש מבני תמיכה מותאמים אישית ונהלי בסיס.
- הדיוק רגיש למאמץ, רעידות וללחות, דבר המצריך תכנון וביצוע ניסיוניים קפדניים.
