基于分布式光纖測溫的結冰風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[3]。中國空氣動力研究與發(fā)展中心3 米×2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，存在供水管路結冰堵塞的風險。管路結冰會導致調節(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全局溫度。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)(DTS)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[5-6]、狀態(tài)監(jiān)測[7-13]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)，通過在噴霧耙內部布置測溫光纖，研制分布式光纖裝置，實現(xiàn)了噴霧耙內部全局測溫，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×2米結冰風洞利用噴霧系統(tǒng)噴霧耙產生結冰云霧，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個噴嘴，每層噴霧耙外側安裝有1臺水路入口調節(jié)閥和1臺水路出口調節(jié)閥，氣路共用1臺電動調節(jié)閥調壓后經(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整結冰風洞云霧場環(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層噴霧耙內部溫度，采用分布式光纖測溫系統(tǒng)對整個噴霧耙內部進行測溫，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。

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、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、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內部包含激光器、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)的技術指標如表1所示。

表1 技術指標

2.2 分布式光纖測溫技術原理[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Labview編寫上位機界面，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。噴霧耙長11 m，高8 m，每層噴霧耙內采用U型布線，考慮到線纜彎曲走線，每層噴霧耙內部所需光纖長度為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，估計噴霧耙架內部需要600 m左右。

圖4 噴霧耙內光纖布線示意圖

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

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。控制柜內部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 i7，256G SDD，2T HDD，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)測溫度場分布，界面右側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。

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，受結冰風洞長期低溫環(huán)境影響，噴霧耙內溫度溫度較低，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(光纖U型轉彎處)的溫度值，因噴霧耙外側暴露在穩(wěn)定段低溫環(huán)境內，相對于噴霧耙內測得的溫度較低。

4.2 噴霧耙溫度場分布

為了獲取噴霧耙內部的溫度場分布，將每層噴霧耙內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，噴霧耙內部溫度場分布云圖分別如圖7、圖8所示，其中橫坐標是指每層噴霧耙測溫點，縱坐標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，噴霧耙內部溫度上升至50 ℃左右，噴霧耙入口及噴霧耙另一側溫度較低，導致這一現(xiàn)象是因為噴霧耙兩側靠近穩(wěn)定段內部低溫環(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 結束語

文中詳細闡述了結冰風洞噴霧耙溫度場測量的必要性，設計了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)，實現(xiàn)了分布式光纖測溫系統(tǒng)在結冰風洞噴霧耙中應用，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部空間的占用，提高了溫度場測量效率。