基于分布式光纖測(cè)溫的結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量

1、基于分布式光纖測(cè)溫的結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量摘要：為了實(shí)時(shí)獲取結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，需要采用溫度傳感器采集溫度信號(hào)，傳統(tǒng)的熱電阻式溫度傳感器需要連接大 量長(zhǎng)距離線(xiàn)纜，占用大量噴霧耙內(nèi)部空間；為提高溫度場(chǎng)測(cè)量的質(zhì)量效率，對(duì)基于分布式光纖測(cè)溫的結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量技 術(shù)進(jìn)行了研究；首先，分析了噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量概況，研究了分布式光纖測(cè)溫方法；其次，設(shè)計(jì)了 u型光纖布線(xiàn)方法，建立基于分 布式光纖測(cè)溫的結(jié)冰風(fēng)洞噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)；最后，實(shí)現(xiàn)了 層噴霧耙溫度場(chǎng)全局測(cè)量，并對(duì)噴霧耙溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了詳細(xì)分 析；經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)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(chǎng)測(cè)

2、量效率關(guān)鍵詞：結(jié)冰風(fēng)洞；噴霧耙；溫度場(chǎng)；分布式光纖測(cè)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(guò)冷水滴，飛行器遭遇過(guò)冷水滴時(shí)會(huì) 出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，影響飛行性能，嚴(yán)重時(shí)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(kāi)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 用中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心3米X2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(dòng)力系統(tǒng)等多個(gè)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(guò)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(jié) 冰堵塞的風(fēng)險(xiǎn)管路結(jié)冰會(huì)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(yùn)行為了防止供水管路結(jié)冰堵塞，采用電加熱系統(tǒng)對(duì)噴 霧耙供水管路進(jìn)行加熱，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(xiàn)制420 mA 輸出的熱電阻式溫度傳感器，通過(guò)長(zhǎng)距離線(xiàn)纜與洞外采集 模塊連接，實(shí)現(xiàn)噴霧耙內(nèi)溫度信號(hào)采集與存儲(chǔ)長(zhǎng)距離的 大量線(xiàn)纜鋪設(shè)占用大量空間，且長(zhǎng)時(shí)間處于低溫潮濕環(huán)境易導(dǎo)致部分線(xiàn)纜老化$此外，由于噴霧耙內(nèi)部空間有限， 無(wú)法布置足夠多的熱電阻式溫度傳感器，導(dǎo)致無(wú)法獲取噴 霧耙內(nèi)全局

9、溫度$近些年來(lái)，隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展， 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)（D8S）因其具有安裝簡(jiǎn)便、高靈敏 度、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于溫度場(chǎng)測(cè)量0曰、狀態(tài)監(jiān) 測(cè)等領(lǐng)域$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(duì)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(cè)溫的噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)， 通過(guò)在噴霧耙內(nèi)部布置測(cè)溫光纖，研制分布式光纖裝置， 實(shí)現(xiàn)了噴霧耙內(nèi)部全局測(cè)溫，對(duì)于噴霧耙溫度場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量概況3米X2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(gè)噴嘴，共計(jì)1 000個(gè)

10、噴嘴，每層噴霧耙外側(cè)安裝有$臺(tái) 水路入口調(diào)節(jié)閥和$臺(tái)水路出口調(diào)節(jié)閥，氣路共用$臺(tái)電動(dòng) 調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后經(jīng)電動(dòng)截止閥分成20路進(jìn)入噴霧耙，通過(guò)控 制水壓與氣壓來(lái)調(diào)整結(jié)冰風(fēng)洞云霧場(chǎng)環(huán)境，噴霧耙架示意 圖如圖$所示!噴霧耙架長(zhǎng)$m,高8m$噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量需要獲取20層噴霧耙內(nèi)部溫度，采 用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)整個(gè)噴霧耙內(nèi)部進(jìn)行測(cè)溫，實(shí)時(shí) 顯示所有測(cè)溫點(diǎn)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(cè)溫系統(tǒng)C 1 系統(tǒng)組成分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、連續(xù)性好、可 靠性?xún)?yōu)的溫度測(cè)量系統(tǒng)，集光纖通信、傳感、信號(hào)解調(diào)、 報(bào)警控制等功能于一體，具有測(cè)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(diǎn)，分布式光纖測(cè)溫主機(jī) 內(nèi)部包含激光器、耦合器、微弱信號(hào)檢測(cè)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(mǎn)足噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)溫需求，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng) 的技術(shù)指標(biāo)如表$所示$2. 2分布式光纖測(cè)溫技術(shù)原理!1F分布式光纖測(cè)溫原理是基于光時(shí)域反射原理和背向拉 曼散射效應(yīng)對(duì)溫度的敏感從而實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。激光器發(fā)出的表$技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)參數(shù)測(cè)溫距離2. 5 4m/通道測(cè)溫范圍40 i$20 i測(cè)量通道數(shù)4測(cè)溫精度士$ i定位精度0.5 m測(cè)量時(shí)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(zhì)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(duì)光纖所在環(huán)境溫度變化極 較為敏感，斯托克斯光對(duì)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(lái)計(jì)算溫度值圖2系統(tǒng)組成首先利用高速數(shù)據(jù)采集測(cè)量散射信號(hào)的回波時(shí)間對(duì)散 射位置定位，測(cè)量入射光與反射光的時(shí)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(guān)系：1式中，1為反斯托克斯光，為斯托克斯光，/為溫度相 關(guān)系數(shù)，兒為普朗克系數(shù)，3= 6.626 h$034 Jgs,戲?yàn)槔揭屏?，單位m$，左為玻爾茲曼常數(shù)， = $. 380 X$023JgKT，%為絕對(duì)溫度值$

13、由式（2）可知測(cè)溫點(diǎn)的絕對(duì)溫度值為:% =in / 一 In (1/1S)由公式（$）和公式（3）可以得到分布式光纖各測(cè)溫 點(diǎn)的位置及溫度值3噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)主要由工控計(jì)算機(jī)、PLC控制 柜，測(cè)溫主機(jī)、測(cè)溫光纜及光纜接頭等組成$噴霧耙測(cè)溫 系統(tǒng)框架示意圖如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)介入結(jié)冰風(fēng)洞工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，測(cè)溫主機(jī)測(cè)溫主機(jī)通過(guò)測(cè) 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(guò)Profinet接入風(fēng)洞以太環(huán)網(wǎng), 遠(yuǎn)程主機(jī)通過(guò)風(fēng)洞以太環(huán)網(wǎng)讀取所有溫度信息，采用Lab- view編寫(xiě)上位機(jī)界

14、面，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧耙溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、 顯示與存儲(chǔ)$圖3噴霧耙測(cè)溫系統(tǒng)框架示意圖3. 2測(cè)溫系統(tǒng)硬件搭建噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)硬件搭建主要包含光纖線(xiàn)纜布 線(xiàn)與測(cè)控系統(tǒng)集成$3. 2. 1光纖線(xiàn)纜布線(xiàn)方法測(cè)溫光纖選用65/125多模光纖,考慮到噴霧耙內(nèi)低溫潮濕以及空間狹小的環(huán)境，光纖線(xiàn)纜要有足夠的彎曲 韌性，因此光纖線(xiàn)纜采用鎧裝護(hù)套，對(duì)光纖具有較好保護(hù) 作用。光纖線(xiàn)纜在噴霧耙內(nèi)部采用U型布置，布線(xiàn)示意圖如 圖4所示，光纖線(xiàn)纜從噴霧耙一側(cè)進(jìn)入成U型繞回，耙架 內(nèi)部布置1根光纖線(xiàn)纜，耙與耙之間通過(guò)穿孔將1根光纖線(xiàn) 纜布置在20層噴霧耙內(nèi)$噴霧耙長(zhǎng)11m,高8 m,每層噴 霧耙內(nèi)采用U型布線(xiàn)，考慮到線(xiàn)纜彎曲

15、走線(xiàn)，每層噴霧耙 內(nèi)部所需光纖長(zhǎng)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(zhǎng)度以及噴霧耙架至測(cè)溫主機(jī)之 間的長(zhǎng)度,估計(jì)噴霧耙架內(nèi)部需要600 m左右$圖4噴霧耙內(nèi)光纖布線(xiàn)示意圖通過(guò)實(shí)際鋪設(shè)，在每層噴霧耙入口處及出口處做好標(biāo) 記，噴霧耙內(nèi)光纖的入口及出口米標(biāo)如表2所示$可知, 噴霧耙架共用光纖593m,每層噴霧耙內(nèi)部光纖平均長(zhǎng)度為 23 m左右，數(shù)據(jù)與施工前預(yù)估值近似。通過(guò)每個(gè)噴霧耙中 的入口及出口米標(biāo)，就可以得到單個(gè)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(chǎng)分布$表2噴霧耙入口及出口光纖米標(biāo)層號(hào)入口米標(biāo)/ m出口米標(biāo)//p>

16、310913241351595162186618921372162408242267926929410297322113253481235037313376401144044291543245616458483174865101851353819540565205675933.2.2 測(cè)控系統(tǒng)集成3.測(cè)控系統(tǒng)集成主要包含光纖測(cè)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$分布式光纖測(cè)溫主機(jī)采用DC 24 V供電，主機(jī)對(duì)光電 原始信號(hào)進(jìn)行處理后，得到測(cè)溫光纖各位置的溫度信息， 測(cè)溫主機(jī)具備485通信接口用于數(shù)據(jù)傳輸$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$控制

17、柜內(nèi)部PLC采用西門(mén)子S7-300 PLC,考慮到分布式光纖測(cè)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(mén)子TIA博途軟件, 將593個(gè)測(cè)溫點(diǎn)變量分為多個(gè)子塊，采用輪詢(xún)方法，實(shí)現(xiàn) 對(duì)所有測(cè)溫點(diǎn)溫度的通信讀取$為實(shí)現(xiàn)測(cè)控間計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，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(mén)子網(wǎng)絡(luò)交換機(jī) SCALANCE X204 - 2,該交換機(jī)具備 2 個(gè) 10/100Mbit/s RJ45端口和2個(gè)100Mbit/s多模BFOC接口 $將PLC通過(guò) 網(wǎng)線(xiàn)連接至交換機(jī)網(wǎng)口上，即可實(shí)現(xiàn)接入環(huán)網(wǎng)$3.3上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī),配置CPU 77, 2

18、56GSDD, 2THDD, 24英寸LCD,具備以太網(wǎng)接口 $上位機(jī) 軟件采用Labview設(shè)計(jì),通過(guò)NI OPC服務(wù)器讀取PLC變量!實(shí)現(xiàn)溫度信息的獲取，該軟件還可實(shí)現(xiàn)噴霧耙溫度場(chǎng) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為Excel格式文件，用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析$為清晰顯示噴霧耙內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況，編寫(xiě)噴霧耙 溫度場(chǎng)色譜顯示軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析! 噴霧耙溫度場(chǎng)界面如圖5所示$每層噴霧耙長(zhǎng)11m,共11 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，為提高溫度數(shù)據(jù)的可靠性，取測(cè)溫點(diǎn)5 s的溫度 數(shù)據(jù)平均值作為該點(diǎn)溫度值，每個(gè)噴霧耙內(nèi)部溫度分布通 過(guò)色譜方式顯示在上位機(jī)軟件上，從左到右分別代表各測(cè) 溫點(diǎn)的溫度分布，從軟件界面中可以實(shí)時(shí)清晰監(jiān)測(cè)溫度

19、場(chǎng) 分布,界面右側(cè)分別代表每層噴霧耙的平均溫度$噴霧耙平均溫度可用于噴霧耙電加熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制, 以噴霧耙平均溫度作為反饋，控制噴霧耙電加熱系統(tǒng)各回 路的通斷$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(kāi)$圖5 噴霧耙溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)界面噴霧耙溫度分布 平均溫度4噴霧耙溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與分析圖5 噴霧耙溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)界面噴霧耙溫度分布 平均溫度F 1光纖溫度分布為測(cè)試光纖測(cè)溫系統(tǒng)在噴霧耙內(nèi)的應(yīng)用效果，在結(jié)冰 風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，分別獲取光纖測(cè)溫系統(tǒng)在噴霧耙電加熱 系統(tǒng)未加熱與加熱時(shí)光纖溫度分布曲線(xiàn)，如圖6所示，其 中橫坐標(biāo)為光纖在20層噴霧耙內(nèi)分布的米標(biāo)，縱坐標(biāo)為測(cè) 溫點(diǎn)溫度值，米標(biāo)57 m之前的光纖為噴霧耙架外側(cè)至測(cè)溫 主機(jī)之間的部分，左下角兩個(gè)溫度驟降位置為光纖熔接處。如圖6中虛線(xiàn)部分所示，在噴霧耙電加熱系統(tǒng)不開(kāi)啟 的時(shí)候，受結(jié)冰風(fēng)洞長(zhǎng)期低溫環(huán)境影響，噴霧耙內(nèi)溫度溫 度較低，且分布均勻$如圖6中實(shí)線(xiàn)曲線(xiàn)所示，噴霧耙電 加熱系統(tǒng)開(kāi)啟后，噴霧耙內(nèi)部溫度呈大幅度上升趨勢(shì)，曲 線(xiàn)呈現(xiàn)M型分布，共20個(gè)M型曲線(xiàn)，分