基于分布式光纖測溫的結冰風洞噴霧耙溫度場測量

1、基于分布式光纖測溫的結冰風洞噴霧耙溫度場測量摘要：為了實時獲取結冰風洞噴霧耙溫度場數(shù)據(jù)，需要采用溫度傳感器采集溫度信號，傳統(tǒng)的熱電阻式溫度傳感器需要連接大 量長距離線纜，占用大量噴霧耙內(nèi)部空間；為提高溫度場測量的質量效率，對基于分布式光纖測溫的結冰風洞噴霧耙溫度場測量技 術進行了研究；首先，分析了噴霧耙溫度場測量概況，研究了分布式光纖測溫方法；其次，設計了 u型光纖布線方法，建立基于分 布式光纖測溫的結冰風洞噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)；最后，實現(xiàn)了 層噴霧耙溫度場全局測量，并對噴霧耙溫度場分布進行了詳細分 析；經(jīng)實際應用表明，噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)可為噴霧耙電加熱系統(tǒng)提供了溫度反饋，大大提高了溫度場測

2、量效率關鍵詞：結冰風洞；噴霧耙；溫度場；分布式光纖測溫Temperature Field Measurement of Spray Bar i n Icing Wind TunnelBased on Dsstributed Optical Fiber Temperature MeasurementAbstract： In order to obtain the temperature field data of the spray bar in the icing wind tunnel in real time, temperature sensor needs to be used to

3、collect the temperature signal. The traditional thermal resistance temperature sensor needs to connect a large number of longdistance cables，which takes up a large amount o f nternal space of the spray bar. For improving the quality and efficiency of temperature field measurement，the measurement tec

4、hnology of spray bar temperature field in icing wind tunnel based on dstrbuted optical fiber temperature measurement is studied. Firstly, the general situation of measurng temperature field of spray bar is an alyzed，and the distributed optical fiber temperature measurement method is studied. Secondl

5、y，U type optical fiber wiring method is desgned，and the temperature measurng system of spray bar 5n 5cng wnd tunnel based on dstrbuted optcal fber temperature measurement is established. Fnally，the global temperature measurement of 20 layers of spray bars is realzed，and the temperature field dstrbut

6、on of spray bar 5s analyzed 5n detal.The practcal applcaton shows that the spray bar temperature feld measurement system can provde temperature feedback for the spray bar electrc heatng system，and 5mproves the measurement effcency of the temperature feld greatly.Keywords: icing wind tunnel ; spray b

7、ar； temperature field； distributed optica l fiber temperature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)結冰現(xiàn)象，影響飛行性能，嚴重時導致部件損壞甚至 造成機毀人亡的重大事故：1-2 %結冰風洞作為開展結冰與防 除冰的重要地面模擬設施，在適航審定中發(fā)揮重要的作 用中國空氣動力研究與發(fā)展中心3米X2米結冰風洞于 2013年建設完成，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)是結冰風 洞的關鍵配套設備，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

8、系統(tǒng)、水氣壓控制系統(tǒng)等組成噴霧耙架處于低溫潮濕的穩(wěn)定段內(nèi)，存在供水管路結 冰堵塞的風險管路結冰會導致調(diào)節(jié)閥、電磁閥、傳感器 等精密設備被膨脹的冰擠壓損壞，嚴重危害噴霧系統(tǒng)安全 運行為了防止供水管路結冰堵塞，采用電加熱系統(tǒng)對噴 霧耙供水管路進行加熱，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420 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 大量線纜鋪設占用大量空間，且長時間處于低溫潮濕環(huán)境易導致部分線纜老化$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，導致無法獲取噴 霧耙內(nèi)全局

9、溫度$近些年來，隨著光纖傳感技術的發(fā)展， 分布式光纖測溫系統(tǒng)（D8S）因其具有安裝簡便、高靈敏 度、壽命長的特點，被廣泛應用于溫度場測量0曰、狀態(tài)監(jiān) 測等領域$本文基于現(xiàn)有結冰風洞噴霧系統(tǒng)，在不改變噴霧耙結 構的基礎上，針對噴霧耙低溫潮濕、空間狹小等復雜環(huán)境， 建設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結冰風洞噴霧耙溫度場測量概況3米X2米結冰風洞利用噴霧系統(tǒng)噴霧耙產(chǎn)生結冰云 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

10、噴嘴，每層噴霧耙外側安裝有$臺 水路入口調(diào)節(jié)閥和$臺水路出口調(diào)節(jié)閥，氣路共用$臺電動 調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后經(jīng)電動截止閥分成20路進入噴霧耙，通過控 制水壓與氣壓來調(diào)整結冰風洞云霧場環(huán)境，噴霧耙架示意 圖如圖$所示!噴霧耙架長$m,高8m$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。圖$噴霧耙架示意圖2分布式光纖測溫系統(tǒng)C 1 系統(tǒng)組成分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種實時性強、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

11、間小和不受電磁干擾等特點，分布式光纖測溫主機 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。為滿足噴霧耙溫度場測溫需求，分布式光纖測溫系統(tǒng) 的技術指標如表$所示$2. 2分布式光纖測溫技術原理!1F分布式光纖測溫原理是基于光時域反射原理和背向拉 曼散射效應對溫度的敏感從而實現(xiàn)溫度監(jiān)測。激光器發(fā)出的表$技術指標指標參數(shù)測溫距離2. 5 4m/通道測溫范圍40 i$20 i測量通道數(shù)4測溫精度士$ i定位精度0.5 m測量時間2 s/通道圖2系統(tǒng)組成光在光纖中傳播，與光纖中的分子以及不均勻的雜質等相 互作用發(fā)生拉曼散射，拉曼散射包括斯托克斯光

12、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圖2系統(tǒng)組成首先利用高速數(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允散射光位置 至入射端距離Z為：*2(1)式中！ C為光速！（(1)反斯托克斯光與斯托克斯光的比值與溫度之間存在如 下關系：1式中，1為反斯托克斯光，為斯托克斯光，/為溫度相 關系數(shù)，兒為普朗克系數(shù)，3= 6.626 h$034 Jgs,戲為拉曼平移量，單位m$，左為玻爾茲曼常數(shù)， = $. 380 X$023JgKT，%為絕對溫度值$

13、由式（2）可知測溫點的絕對溫度值為:% =in / 一 In (1/1S)由公式（$）和公式（3）可以得到分布式光纖各測溫 點的位置及溫度值3噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)設計3.1噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)總體設計噴霧耙溫度場測量系統(tǒng)主要由工控計算機、PLC控制 柜，測溫主機、測溫光纜及光纜接頭等組成$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)介入結冰風洞工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，測溫主機測溫主機通過測 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接入風洞以太環(huán)網(wǎng), 遠程主機通過風洞以太環(huán)網(wǎng)讀取所有溫度信息，采用Lab- view編寫上位機界

14、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$3. 2. 1光纖線纜布線方法測溫光纖選用65/125多模光纖,考慮到噴霧耙內(nèi)低溫潮濕以及空間狹小的環(huán)境，光纖線纜要有足夠的彎曲 韌性，因此光纖線纜采用鎧裝護套，對光纖具有較好保護 作用。光纖線纜在噴霧耙內(nèi)部采用U型布置，布線示意圖如 圖4所示，光纖線纜從噴霧耙一側進入成U型繞回，耙架 內(nèi)部布置1根光纖線纜，耙與耙之間通過穿孔將1根光纖線 纜布置在20層噴霧耙內(nèi)$噴霧耙長11m,高8 m,每層噴 霧耙內(nèi)采用U型布線，考慮到線纜彎曲

15、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$圖4噴霧耙內(nèi)光纖布線示意圖通過實際鋪設，在每層噴霧耙入口處及出口處做好標 記，噴霧耙內(nèi)光纖的入口及出口米標如表2所示$可知, 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)與施工前預估值近似。通過每個噴霧耙中 的入口及出口米標，就可以得到單個耙中的溫度分布，將 20層數(shù)據(jù)進行分析，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層號入口米標/ m出口米標//p>

16、310913241351595162186618921372162408242267926929410297322113253481235037313376401144044291543245616458483174865101851353819540565205675933.2.2 測控系統(tǒng)集成3.測控系統(tǒng)集成主要包含光纖測溫主機的配置、控制系 統(tǒng)PLC配套以及環(huán)網(wǎng)交換機子站$分布式光纖測溫主機采用DC 24 V供電，主機對光電 原始信號進行處理后，得到測溫光纖各位置的溫度信息， 測溫主機具備485通信接口用于數(shù)據(jù)傳輸$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$控制

17、柜內(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)測控間計算機遠程監(jiān)測，在現(xiàn)有風洞工業(yè)以太 環(huán)網(wǎng)內(nèi)配置環(huán)網(wǎng)交換機子站，采用西門子網(wǎng)絡交換機 SCALANCE X204 - 2,該交換機具備 2 個 10/100Mbit/s RJ45端口和2個100Mbit/s多模BFOC接口 $將PLC通過 網(wǎng)線連接至交換機網(wǎng)口上，即可實現(xiàn)接入環(huán)網(wǎng)$3.3上位機軟件設計與應用上位機采用工業(yè)控制計算機,配置CPU 77, 2

18、56GSDD, 2THDD, 24英寸LCD,具備以太網(wǎng)接口 $上位機 軟件采用Labview設計,通過NI OPC服務器讀取PLC變量!實現(xiàn)溫度信息的獲取，該軟件還可實現(xiàn)噴霧耙溫度場 數(shù)據(jù)存儲為Excel格式文件，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析$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11m,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

19、場 分布,界面右側分別代表每層噴霧耙的平均溫度$噴霧耙平均溫度可用于噴霧耙電加熱系統(tǒng)的自動控制, 以噴霧耙平均溫度作為反饋，控制噴霧耙電加熱系統(tǒng)各回 路的通斷$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$圖5 噴霧耙溫度場監(jiān)測界面噴霧耙溫度分布 平均溫度4噴霧耙溫度場測量結果與分析圖5 噴霧耙溫度場監(jiān)測界面噴霧耙溫度分布 平均溫度F 1光纖溫度分布為測試光纖測溫系統(tǒng)在噴霧耙內(nèi)的應用效果，在結冰 風洞試驗過程中，分別獲取光纖測溫系統(tǒng)在噴霧耙電加熱 系統(tǒng)未加熱與加熱時光纖溫度分布曲線，如圖6所示，其 中橫坐標為光纖在20層噴霧耙內(nèi)分布的米標，縱坐標為測 溫點溫度值，米標57 m之前的光纖為噴霧耙架外側至測溫 主機之間的部分，左下角兩個溫度驟降位置為光纖熔接處。如圖6中虛線部分所示，在噴霧耙電加熱系統(tǒng)不開啟 的時候，受結冰風洞長期低溫環(huán)境影響，噴霧耙內(nèi)溫度溫 度較低，且分布均勻$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