Dirks, Malte

Grohmann, S.

KITopen

www.kit.eduKIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-GemeinschaftEinsatz von faseroptischen Sensoren in der KältetechnikBestimmung von Temperaturverteilungen in Luftströmungen M. Dirks, S. Grohmann / DKV-Tagung Magdeburg / 17.11.2022M. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikTL,aus, pL,aus, 𝜑L,ausTL,ein, pL,ein, 𝜑L,einGanzheitliche energetische Bewertung von Lamellenwärmeübertragern erfordert genaue Kenntnis der luft- und kältemittelseitigen ZustandsgrößenHerausforderung insbesondere die Bestimmung der über den Strömungsquerschnitt gemittelten Temperaturen auf der LuftseiteEinsatz von Faser-Bragg-Gitter(FBG)-Sensoren17. November 20222MotivationTK,ein, pK,einሶmKTK,aus, pK,ausሶmLM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikFBG-Sensoren zählen zu den faseroptischen SensorenDreischichtiger Aufbau:Kern dient zur Übertragung des LichtsMantel reduziert ÜbertragungsverlustSchutzschicht zu Abschirmung nach außenVorteile von FBG-Sensoren:Hohe Messstellenanzahl auf einem Sensor realisierbarGeringer VerdrahtungsaufwandGeringer Wärmeeintrag Sensorlänge quasi unbeschränkt17. November 20223Aufbau und Vorteile von FBG-SensorenMantelKernSchutzschichtM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und Kryotechnik17. November 20224Funktionsprinzip von FBG-Sensoren𝜆B = 2𝑛ΛBraggmeterM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikGemessen wird Änderung der Braggwellenlänge➢ Für Temperaturmessung muss mechanische Dehnung verhindert werdenÄnderung des Brechungsindexes überwiegtGeeignete Beschichtungen können die thermische Dehnung erhöhen [1]17. November 20225Temperaturmessung mittels FBG-Sensoren𝜆B = 2𝑛ΛΔ𝜆B𝜆B,0= 𝛼Λ − 𝛼𝑛 𝑇Änderung der BraggwellenlängeThermische EffekteMechanische DehnungWärmeausdehnungskoeffizient Thermooptischer KoeffizientM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und Kryotechnik17. November 20226Messkette FBG-SensorenKonfiguration der verwendeten FBG-Sensoren:Messrechner mitz.B. LabVIEW®Braggmeter [2] FBG-SensorenKalibrierung erforderlich um λB= f (T) zu erhaltenM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und Kryotechnik17. November 20227KalibriereinrichtungKalibriereinrichtung bestehend aus zwei Kupferblöcken, die spiegelverkehrt aufgebaut sindGleichzeitige Kalibrierung von bis zu vier FBG-Sensoren Temperierung über Umwälzthermostat im Temperaturbereich zwischen -30 und 60°C möglichTemperierfluid fließt in den beiden Blöcken in entgegengesetzte Richtungen zur Optimierung der Temperaturhomogenität15 Pt100-Widerstandsthermometer Klasse AA [3] als Temperaturreferenz Verteiler TemperierfluidNuten für FBG-SensorenM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und Kryotechnik17. November 20228Aufbau KalibriereinrichtungGehäuse mit 64 mm Armaflex®WärmedämmungVerteiler TemperierfluidFBG-SensorPt100-ReferenzsensorenEingelötete RohreTemperierungM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikMesssystem einsatzbereitAnpassung der Kalibrierfunktion für jedes FBG• Verwendung eines Polynoms 5ter Ordnung17. November 20229Ablauf KalibrierungAufzeichnung der Messwerte• Pro Temperatur 100 Messwerte mit einer Messrate von 5 sEinstellung der gewünschten Temperatur• Stationäre Messpunkte im Abstand von 5 KWiederholung bis gewünschter Temperaturbereich abgedeckt istM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikDurchschnittliche Sensitivität liegt im kalibrierten Temperaturbereich bei 9,1 pm/K➢ Unsicherheit der FBG-Sensoren: ±0,33 K(Konfidenzintervall 95 % gemäß GUM[4])Unsicherheit der EinzelmessstelleAufgrund hoher Messstellenanzahl wirkt sich diese bei Bestimmung von Temperaturmittel-werten nur gering aus17. November 202210Ergebnis der KalibrierungUnsicherheitsbeiträgeBraggmeter ±0,25 KT-Referenz Kalibrierblock ±0,1 KM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikAus der Literatur insbesondere für polymer-beschichtete Sensoren Hysterese von mehreren Kelvin bekannt [5]Zur Überprüfung wurde die Kalibrierung mit absteigender Temperatur wiederholt➢ Maximale Abweichung von 0,03 K zur Kalibrierfunktion im Bereich der Unsicherheit der FBG-Sensoren➢ Messwerte streuen zufällig um KalibrierfunktionMit vorgestellter Kalibriermethodik keine Hysterese zu beobachten17. November 202211Untersuchung von HystereseeffektenM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikKältekreislauf17. November 202212Messaufbau WindkanalWÜTLuftströmungFBG-MessebenenAnordnung der Messstellen:M. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikT  Eintritt / °C4 8 12 16 20 24 28 32 361 26,24 26,18 26,10 26,02 26,05 25,92 26,06 26,26 26,202 26,24 26,17 26,28 26,15 26,13 26,19 26,01 26,13 26,143 26,13 26,05 26,07 26,01 25,95 26,04 25,99 26,07 26,044 26,26 26,36 26,25 26,24 26,20 26,22 26,21 26,21 26,15T  Austritt / °C1 25,96 26,02 26,01 26,02 26,05 26,14 26,18 26,21 26,192 26,10 26,10 26,08 26,11 26,15 26,18 26,21 26,20 26,173 26,20 26,23 26,21 26,15 26,12 26,13 26,09 26,10 26,054 26,24 26,26 26,33 26,36 26,23 26,27 26,27 26,22 26,1625 27FarbskalaTemperaturen / °C17. November 202213Temperaturfelder Messung bei TUTM = 26,14°CTM = 26,16°CValidierung der FBG-Messtechnik im Windkanal erfolgreich Randbedingungen: TU = 26,19°C vL = 0,66 m/sM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikT  Eintritt / °C4 8 12 16 20 24 28 32 361 -20,81 -21,38 -21,57 -19,46 -19,56 -20,45 -21,28 -21,44 -17,662 -22,22 -21,42 -21,52 -21,14 -21,33 -21,45 -21,77 -22,24 -18,993 -21,83 -21,41 -21,79 -21,36 -21,84 -21,85 -21,72 -22,44 -21,214 -21,62 -21,35 -21,56 -21,72 -21,75 -22,08 -21,70 -22,55 -22,09T  Austritt / °C1 -24,47 -24,99 -24,86 -24,80 -24,68 -24,60 -24,87 -25,20 -24,082 -24,19 -24,99 -24,80 -24,63 -24,49 -24,51 -24,74 -25,07 -23,963 -23,72 -24,57 -24,38 -24,29 -24,38 -24,51 -24,71 -25,04 -24,164 -23,56 -24,06 -23,78 -23,52 -23,74 -23,87 -24,14 -24,48 -23,62-17 -26FarbskalaTemperaturen / °C17. November 202214Temperaturfelder mit Betrieb WÜTTM = -21,32°CTM = -24,40°CTemperaturfelder zeigen deutliche Temperaturgradienten über den StrömungsquerschnittRandbedingungen: TU = 19,97°C vL = 0,66 m/sM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und Kryotechnik17. November 202215Auswirkungen der OrtsauflösungGedankenexperiment: Vergleich der FBG-Messung mit drei theor. Pt100-TemperatursensorenM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikT  Eintritt / °C4 8 12 16 20 24 28 32 361 -20,81 -21,38 -21,57 -19,46 -19,56 -20,45 -21,28 -21,44 -17,662 -22,22 -21,42 -21,52 -21,14 -21,33 -21,45 -21,77 -22,24 -18,993 -21,83 -21,41 -21,79 -21,36 -21,84 -21,85 -21,72 -22,44 -21,214 -21,62 -21,35 -21,56 -21,72 -21,75 -22,08 -21,70 -22,55 -22,09T  Austritt / °C1 -24,47 -24,99 -24,86 -24,80 -24,68 -24,60 -24,87 -25,20 -24,082 -24,19 -24,99 -24,80 -24,63 -24,49 -24,51 -24,74 -25,07 -23,963 -23,72 -24,57 -24,38 -24,29 -24,38 -24,51 -24,71 -25,04 -24,164 -23,56 -24,06 -23,78 -23,52 -23,74 -23,87 -24,14 -24,48 -23,62-17 -26FarbskalaTemperaturen / °C17. November 202216Temperaturfelder mit Betrieb WÜTTM = -21,32°CTM = -24,40°CTemperaturfelder zeigen deutliche Temperaturgradienten über den StrömungsquerschnittRandbedingungen: TU = 19,97°C vL = 0,66 m/sM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikGedankenexperiment: Vergleich der FBG-Messung mit drei theor. Pt100-Temperatursensoren➢ Zu geringe Ortsauflösung der Temperaturmessung führt zu systematischen Messfehlern ➢ Wirken sich direkt auf Bestimmung des Wärmstroms ausFBG-Sensoren ermöglichen Temperaturmessung in Luftströmungen mit ausreichender OrtsauflösungBerücksichtigte SensorenTm,ein°CTm,aus°C∆TKAlle FBGs -21,32 -24,40 3,08Rot umrandete FBGs -21,77 -24,75 2,9817. November 202217Auswirkungen der OrtsauflösungDifferenz von 0,1 KUnterschätzung des luftseitigen Wärmestroms von 3%M. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und KryotechnikFBG-Sensoren ermöglichen Messung von Temperaturfeldern in Luftströmungen mit:➢ hoher Ortsauflösung ➢ geringem Verdrahtungsaufwand➢ geringem Wärmeeintrag durch das MesssystemVorgestellte Kalibriereinrichtung ermöglicht Kalibrierung der FBG-Sensoren im gewünschten Temperaturbereich zwischen -30 und 60°CErste Messungen in einem Windkanal zeigen, dass eine hohe Ortsauflösung erforderlich ist, um Temperaturgradienten in der Strömung aufzulösen und so die zielgerichtete energetische Optimierung von Wärmeübertragern zu ermöglichen17. November 202218ZusammenfassungEigenschaften von FBG-Sensoren bieten signifikante Vorteile für den Einsatz in der Kälte- und KryotechnikM. Dirks et al., DKV-Tagung 2022, AA II 1.04 OE Kälte- und Kryotechnik17. November 202219Quellen[1] Bhaskar, C. V. N., Pal, S., Pattnaik, P. K., Recent advancements in fiber Bragg gratings based temperature and strain measurement, Results in Optics 5 (2021), 100130[2] HBM, https://www.hbm.com/de/4604/fs22-industrial-braggmeter-optischer-interrogator/?product_type_no= FS22: %20Industrial%20BraggMETER, Zuletzt geprüft am 15. November 2022[3] DIN EN 60751:2009-05, Industrielle Platin-Widerstandsthermometer und Platin-Temperatursensoren (IEC_60751:2008), Deutsche Fassung EN_60751:2008, Beuth Verlag, Berlin, 2009[4] ISO/IEC Guide 98-3, Guide to the expression of uncertainty in measurement: JCGM 100:2008 (GUM 1995 with minor corrections – Evaluation of measurement data), Joint Committee for Guides in Metrology, 2008[5] de Lima Filho, E. S., Baiad, M. D., Gagné, M., Kashyap, R., Fiber Bragg gratings for low-temperature measurement, Optics express 22 (2014), 22, 27681-27694

Einsatz von faseroptischen Sensoren in der Kältetechnik, Bestimmung von Temperaturverteilungen in Luftströmungen

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Einsatz von faseroptischen Sensoren in der Kältetechnik, Bestimmung von Temperaturverteilungen in Luftströmungen

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