基于分布式光纖測溫的結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場測量

趙 照,熊建軍,張平濤,冉 林，李自雨

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 結(jié)冰與防除冰重點實驗室，四川 綿陽 621000)

0 引言

高空云層中存在過冷水滴，飛行器遭遇過冷水滴時會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，影響飛行性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致部件損壞甚至造成機(jī)毀人亡的重大事故[1-2]。結(jié)冰風(fēng)洞作為開展結(jié)冰與防除冰的重要地面模擬設(shè)施，在適航審定中發(fā)揮重要的作用[3]。中國空氣動力研究與發(fā)展中心3 米×2米結(jié)冰風(fēng)洞于2013年建設(shè)完成，由噴霧系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高度模擬系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成。其中，噴霧系統(tǒng)是結(jié)冰風(fēng)洞的關(guān)鍵配套設(shè)備，用于模擬飛行器穿越含有過冷水滴云層遇到的高空云霧環(huán)境，由噴霧耙架、水處理系統(tǒng)、水氣加熱系統(tǒng)、水氣壓控制系統(tǒng)等組成[4]。

噴霧耙架處于低溫潮濕的穩(wěn)定段內(nèi)，存在供水管路結(jié)冰堵塞的風(fēng)險。管路結(jié)冰會導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥、電磁閥、傳感器等精密設(shè)備被膨脹的冰擠壓損壞，嚴(yán)重危害噴霧系統(tǒng)安全運行。為了防止供水管路結(jié)冰堵塞，采用電加熱系統(tǒng)對噴霧耙供水管路進(jìn)行加熱，為了實時監(jiān)測加熱后噴霧耙內(nèi)部溫度，目前采用的是噴霧耙中心部位布置兩線制4～20 mA輸出的熱電阻式溫度傳感器，通過長距離線纜與洞外采集模塊連接，實現(xiàn)噴霧耙內(nèi)溫度信號采集與存儲。長距離的大量線纜鋪設(shè)占用大量空間，且長時間處于低溫潮濕環(huán)境易導(dǎo)致部分線纜老化。此外，由于噴霧耙內(nèi)部空間有限，無法布置足夠多的熱電阻式溫度傳感器，導(dǎo)致無法獲取噴霧耙內(nèi)全局溫度。近些年來，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS)因其具有安裝簡便、高靈敏度、壽命長的特點，被廣泛應(yīng)用于溫度場測量[5-6]、狀態(tài)監(jiān)測[7-13]等領(lǐng)域。

本文基于現(xiàn)有結(jié)冰風(fēng)洞噴霧系統(tǒng)，在不改變噴霧耙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對噴霧耙低溫潮濕、空間狹小等復(fù)雜環(huán)境，建設(shè)了一種基于分布式光纖測溫的噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)，通過在噴霧耙內(nèi)部布置測溫光纖，研制分布式光纖裝置，實現(xiàn)了噴霧耙內(nèi)部全局測溫，對于噴霧耙溫度場分布研究具有重要的參考意義。

1 結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場測量概況

3米×2米結(jié)冰風(fēng)洞利用噴霧系統(tǒng)噴霧耙產(chǎn)生結(jié)冰云霧，噴霧耙架上面共布置20層噴霧耙，每層噴霧耙上均布50個噴嘴，共計1 000個噴嘴，每層噴霧耙外側(cè)安裝有1臺水路入口調(diào)節(jié)閥和1臺水路出口調(diào)節(jié)閥，氣路共用1臺電動調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后經(jīng)電動截止閥分成20路進(jìn)入噴霧耙，通過控制水壓與氣壓來調(diào)整結(jié)冰風(fēng)洞云霧場環(huán)境，噴霧耙架示意圖如圖1所示，噴霧耙架長11 m，高8 m。

圖1 噴霧耙架示意圖

噴霧耙溫度場測量需要獲取20層噴霧耙內(nèi)部溫度，采用分布式光纖測溫系統(tǒng)對整個噴霧耙內(nèi)部進(jìn)行測溫，實時顯示所有測溫點的數(shù)據(jù)，為噴霧耙電加熱系統(tǒng)提供溫度反饋。

2 分布式光纖測溫系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種實時性強(qiáng)、連續(xù)性好、可靠性優(yōu)的溫度測量系統(tǒng)，集光纖通信、傳感、信號解調(diào)、報警控制等功能于一體，具有測溫精度高、定位精度高、占用空間小和不受電磁干擾等特點，分布式光纖測溫主機(jī)內(nèi)部包含激光器、耦合器、微弱信號檢測器、控制處理單元及數(shù)據(jù)采集與處理軟件等模塊，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

為滿足噴霧耙溫度場測溫需求，分布式光纖測溫系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2.2 分布式光纖測溫技術(shù)原理[14]

分布式光纖測溫原理是基于光時域反射原理和背向拉曼散射效應(yīng)對溫度的敏感從而實現(xiàn)溫度監(jiān)測。激光器發(fā)出的光在光纖中傳播，與光纖中的分子以及不均勻的雜質(zhì)等相互作用發(fā)生拉曼散射，拉曼散射包括斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，反斯托克斯光對光纖所在環(huán)境溫度變化極較為敏感，斯托克斯光對環(huán)境溫度不敏感，可作為參考光，反斯托克斯光與斯托克斯光的比值可以用來計算溫度值。

首先利用高速數(shù)據(jù)采集測量散射信號的回波時間對散射位置定位，測量入射光與反射光的時間差t，散射光位置至入射端距離l為：

(1)

式中，c為光速，n為光纖折射率。

反斯托克斯光與斯托克斯光的比值與溫度之間存在如下關(guān)系：

(2)

式中，Ia為反斯托克斯光，Is為斯托克斯光，a為溫度相關(guān)系數(shù)，h為普朗克系數(shù)，h=6.626×10-34Jgs，v為拉曼平移量，單位m-1，k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.380×10-23JgK-1，T為絕對溫度值。

由式(2)可知測溫點的絕對溫度值為：

(3)

由公式(1)和公式(3)可以得到分布式光纖各測溫點的位置及溫度值。

3 噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計

3.1 噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)總體設(shè)計

噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)主要由工控計算機(jī)、PLC控制柜，測溫主機(jī)、測溫光纜及光纜接頭等組成。噴霧耙測溫系統(tǒng)框架示意圖如圖3所示。為實現(xiàn)噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)介入結(jié)冰風(fēng)洞工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，測溫主機(jī)測溫主機(jī)通過測溫光纖獲取噴霧耙內(nèi)部溫度信息后，采用485通信將溫度信息傳遞給PLC，PLC通過Profinet接入風(fēng)洞以太環(huán)網(wǎng)，遠(yuǎn)程主機(jī)通過風(fēng)洞以太環(huán)網(wǎng)讀取所有溫度信息，采用Labview編寫上位機(jī)界面，實現(xiàn)對噴霧耙溫度場數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲。

圖3 噴霧耙測溫系統(tǒng)框架示意圖

3.2 測溫系統(tǒng)硬件搭建

噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)硬件搭建主要包含光纖線纜布線與測控系統(tǒng)集成。

3.2.1 光纖線纜布線方法

測溫光纖選用65/125 μm多模光纖，考慮到噴霧耙內(nèi)低溫潮濕以及空間狹小的環(huán)境，光纖線纜要有足夠的彎曲韌性，因此光纖線纜采用鎧裝護(hù)套，對光纖具有較好保護(hù)作用。

光纖線纜在噴霧耙內(nèi)部采用U型布置，布線示意圖如圖4所示，光纖線纜從噴霧耙一側(cè)進(jìn)入成U型繞回，耙架內(nèi)部布置1根光纖線纜，耙與耙之間通過穿孔將1根光纖線纜布置在20層噴霧耙內(nèi)。噴霧耙長11 m，高8 m，每層噴霧耙內(nèi)采用U型布線，考慮到線纜彎曲走線，每層噴霧耙內(nèi)部所需光纖長度為25 m左右，20層噴霧耙則需要500 m左右，加上耙與耙之間的長度以及噴霧耙架至測溫主機(jī)之間的長度，估計噴霧耙架內(nèi)部需要600 m左右。

圖4 噴霧耙內(nèi)光纖布線示意圖

通過實際鋪設(shè)，在每層噴霧耙入口處及出口處做好標(biāo)記，噴霧耙內(nèi)光纖的入口及出口米標(biāo)如表2所示?？芍?，噴霧耙架共用光纖593m，每層噴霧耙內(nèi)部光纖平均長度為23 m左右，數(shù)據(jù)與施工前預(yù)估值近似。通過每個噴霧耙中的入口及出口米標(biāo)，就可以得到單個耙中的溫度分布，將20層數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就可以獲取噴霧耙全局溫度場分布。

表2 噴霧耙入口及出口光纖米標(biāo)

3.2.2 測控系統(tǒng)集成

測控系統(tǒng)集成主要包含光纖測溫主機(jī)的配置、控制系統(tǒng)PLC配套以及環(huán)網(wǎng)交換機(jī)子站。

分布式光纖測溫主機(jī)采用DC 24 V供電，主機(jī)對光電原始信號進(jìn)行處理后，得到測溫光纖各位置的溫度信息，測溫主機(jī)具備485通信接口用于數(shù)據(jù)傳輸。

控制系統(tǒng)本地控制柜面板上配置12寸觸摸屏，用于本地操作和監(jiān)控功能?？刂乒駜?nèi)部PLC采用西門子S7-300 PLC，考慮到分布式光纖測溫系統(tǒng)具備485接口，因此配備485通信模塊用于通信，下位機(jī)采用西門子TIA博途軟件，將593個測溫點變量分為多個子塊，采用輪詢方法，實現(xiàn)對所有測溫點溫度的通信讀取。

為實現(xiàn)測控間計算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測，在現(xiàn)有風(fēng)洞工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)配置環(huán)網(wǎng)交換機(jī)子站，采用西門子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)SCALANCE X204-2，該交換機(jī)具備2個10/100Mbit/s RJ45端口和2個100Mbit/s多模BFOC接口。將PLC通過網(wǎng)線連接至交換機(jī)網(wǎng)口上，即可實現(xiàn)接入環(huán)網(wǎng)。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計與應(yīng)用

上位機(jī)采用工業(yè)控制計算機(jī)，配置CPU i7，256G SDD，2T HDD，24英寸LCD，具備以太網(wǎng)接口。上位機(jī)軟件采用Labview設(shè)計，通過NI OPC服務(wù)器讀取PLC變量，實現(xiàn)溫度信息的獲取，該軟件還可實現(xiàn)噴霧耙溫度場數(shù)據(jù)存儲為Excel格式文件，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

為清晰顯示噴霧耙內(nèi)部溫度場分布情況，編寫噴霧耙溫度場色譜顯示軟件，實現(xiàn)對溫度場進(jìn)行實時監(jiān)測、分析，噴霧耙溫度場界面如圖5所示。每層噴霧耙長11 m，共11個測溫點，為提高溫度數(shù)據(jù)的可靠性，取測溫點5 s的溫度數(shù)據(jù)平均值作為該點溫度值，每個噴霧耙內(nèi)部溫度分布通過色譜方式顯示在上位機(jī)軟件上，從左到右分別代表各測溫點的溫度分布，從軟件界面中可以實時清晰監(jiān)測溫度場分布，界面右側(cè)分別代表每層噴霧耙的平均溫度。

圖5 噴霧耙溫度場監(jiān)測界面

噴霧耙平均溫度可用于噴霧耙電加熱系統(tǒng)的自動控制，以噴霧耙平均溫度作為反饋，控制噴霧耙電加熱系統(tǒng)各回路的通斷。設(shè)定每層噴霧耙溫度的上下限，若噴霧耙平均溫度低于下限值，則該層噴霧耙電加熱回路接通；噴霧耙平均溫度高于上限值，則該層噴霧耙電加熱回路斷開。

4 噴霧耙溫度場測量結(jié)果與分析

4.1 光纖溫度分布

為測試光纖測溫系統(tǒng)在噴霧耙內(nèi)的應(yīng)用效果，在結(jié)冰風(fēng)洞試驗過程中，分別獲取光纖測溫系統(tǒng)在噴霧耙電加熱系統(tǒng)未加熱與加熱時光纖溫度分布曲線，如圖6所示，其中橫坐標(biāo)為光纖在20層噴霧耙內(nèi)分布的米標(biāo)，縱坐標(biāo)為測溫點溫度值，米標(biāo)57 m之前的光纖為噴霧耙架外側(cè)至測溫主機(jī)之間的部分，左下角兩個溫度驟降位置為光纖熔接處。

圖6 整根光纖溫度分布

如圖6中虛線部分所示，在噴霧耙電加熱系統(tǒng)不開啟的時候，受結(jié)冰風(fēng)洞長期低溫環(huán)境影響，噴霧耙內(nèi)溫度溫度較低，且分布均勻。如圖6中實線曲線所示，噴霧耙電加熱系統(tǒng)開啟后，噴霧耙內(nèi)部溫度呈大幅度上升趨勢，曲線呈現(xiàn)M型分布，共20個M型曲線，分別代表20層噴霧耙內(nèi)部的溫度分布。以第一層噴霧耙溫度曲線為例，兩個高峰部分為噴霧耙內(nèi)光纖往返的測溫點的溫度，M型曲線中間低谷為噴霧耙另一側(cè)(光纖U型轉(zhuǎn)彎處)的溫度值，因噴霧耙外側(cè)暴露在穩(wěn)定段低溫環(huán)境內(nèi)，相對于噴霧耙內(nèi)測得的溫度較低。

4.2 噴霧耙溫度場分布

為了獲取噴霧耙內(nèi)部的溫度場分布，將每層噴霧耙內(nèi)U型來回的溫度點取平均值，每層噴霧耙共11個測溫點，利用監(jiān)測軟件存儲的Excel格式溫度場數(shù)據(jù)，采用Matlab編程獲取噴霧耙內(nèi)部溫度場分布云圖。噴霧耙電加熱系統(tǒng)未開啟與開啟時，噴霧耙內(nèi)部溫度場分布云圖分別如圖7、圖8所示，其中橫坐標(biāo)是指每層噴霧耙測溫點，縱坐標(biāo)是指噴霧耙的層號數(shù)。從圖7中可以看出，在噴霧耙電加熱系統(tǒng)未開啟時，噴霧耙全局溫度在9 ℃左右附近。從圖8中可以看出，噴霧耙電加熱系統(tǒng)開啟后，噴霧耙內(nèi)部溫度上升至50 ℃左右，噴霧耙入口及噴霧耙另一側(cè)溫度較低，導(dǎo)致這一現(xiàn)象是因為噴霧耙兩側(cè)靠近穩(wěn)定段內(nèi)部低溫環(huán)境，散熱較多，加熱效果相對較差。

圖7 電加熱系統(tǒng)未開啟噴霧耙溫度場分布

圖8 電加熱系統(tǒng)開啟后噴霧耙溫度場分布

5 結(jié)束語

文中詳細(xì)闡述了結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場測量的必要性，設(shè)計了基于分布式光纖測溫的結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了分布式光纖測溫系統(tǒng)在結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙中應(yīng)用，有效地實現(xiàn)噴霧耙溫度場全局測量，單根光纖即可實現(xiàn)對20層噴霧耙溫度測量，大大減少了噴霧耙內(nèi)部空間的占用，提高了溫度場測量效率。