DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-105-114
УДК 681.586.5
Виктория Александровна Клишина1*, Сергей Владимирович Варжель2, Варвара Александровна Куликова3
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия
1novivial@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-5254-2133
2vsv187@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-3120-8109
3kulikova.varya2809@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-0457-4517
Аннотация
Предмет исследования. Данная работа посвящена исследованию и разработке волоконнооптического метода идентификации вещества по его тепловым характеристикам и определения фазы вещества в потоке газожидкостной смеси. Цель работы. Целью данной работы является разработка волоконно-оптического чувствительного элемента для идентификации вещества по его тепловым характеристикам с использованием стандартных телекоммуникационных волокон, имеющего единую компактную конструкцию и с осуществлением возможности проведения удалённых измерений. Также в работе требуется выполнение исследований динамических систем при сменяющихся фазах вещества с применением полностью волоконно-оптических технологий. Метод или методология проведения работы. Область нагрева была выполнена путём формирования структуры тейпера в оптическом волокне, а для измерений записывалась волоконная брэгговская решётка, выполняющая функцию датчика температуры. Основные результаты. В ходе исследований разработано новое научно-техническое решение по созданию волоконно-оптического чувствительного элемента для идентификации вещества по его тепловым характеристикам. Эксперименты были проведены для шести образцов с диапазоном удельной теплоёмкости 1,0–4,2 кДж/(кг К), по полученным результатам построены зависимости спектрального сдвига резонанса волоконной брэгговской решётки от значений удельных теплоёмкостей веществ, максимальное среднеквадратическое отклонение составило 0,0088 нм. Также представлены результаты по идентификации фазы газожидкостной смеси в движущихся потоках. Практическая значимость. Результаты работы представляют научный интерес для исследователей в областях, требующих анализа образцов с различными тепловыми характеристиками, определения смены состояния фазы в движущихся потоках, фиксации наличия примесей в потоках известных веществ, измерений уровня жидкостей и пр.
Ключевые слова: волоконная брэгговская решётка, метод горячей проволоки, волоконно-оптические датчики, идентификация различных веществ, измерение тепловых характеристик, измерение удельной теплоёмкости
Благодарность: работа выполнена при финансовой поддержке программы «Приоритет 2030».
Ссылка для цитирования: Клишина В.А., Варжель С.В., Куликова В.А. Волоконно-оптический метод идентификации различных веществ по их тепловым характеристикам // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 4. С. 105–114. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-105-114
Коды OCIS: 060.3735, 060.2370, 120.0280, 120.6810.
Fiber-optic method for identification of various substances by their thermal characteristics
Victoria Klishina1*, Sergey Varzhel2, Varvara Kulikova3
ITMO University, Saint-Petersburg, Russia
1novivial@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-5254-2133
2vsv187@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-3120-8109
3kulikova.varya2809@gmail.com https://orcid.org/0000-0002-0457-4517
Abstract
Subject of study. This work is devoted to the research and development of a fiber-optic method for identifying a substance by its thermal characteristics and determining the phase of a substance in a gas-liquid mixture flow. Aim of study. The purpose of this work is to develop a fiber-optic sensing element with a single compact design and the possibility of remote measurements for identifying a substance by its thermal characteristics using standard telecommunication fibers. The work also requires studies of dynamic systems with the changing phases of matter using fully fiber-optic technologies. Method. The hot wire method with implementation of fiber optics elements is used in the work. The creation of the heating area was realized by forming the structure of the taper in the optical fiber, and for measurements, a fiber Bragg grating was formed, which acts as a temperature sensor. Main results. In the course of the work, a new scientific and technical solution was developed to create a fiber-optic sensitive element for identifying a substance by its thermal characteristics. The experiments were carried out for six samples with a specific heat capacity range of 1.0–4.2 kJ/(kg K), according to the results obtained, the dependences of the spectral shift of the resonance of the fiber Bragg grating on the values of the specific heat capacities of substances were plotted, the maximum standard deviation was 0.0088 nm. The results of identifying the phase of a gas-liquid mixture in moving flows are also presented. Practical significance. The results of the work are of scientific interest to researchers in areas requiring the analysis of samples with different thermal characteristics, determining the phase change in moving flows, detecting the presence of impurities in the flows of known substances, measuring the level of liquids, etc.
Keywords: fiber Bragg grating, hot wire method, fiber optic sensors, definition of various substances, measurement of thermal characteristics, specific heat capacity measurement
Acknowledgment: the work was carried out with the financial support of the Priority 2030 program.
For citation: Klishina V.A., Varzhel S.V., Kulikova V.A. Fiber-optic method for identification of various substances by their thermal characteristics // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 105–114. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-105-114
OCIS сodes: 060.3735, 060.2370, 120.0280, 120.6810.
Список источников
1. Carmo J.P., Ribeiro J.E. Optical fibers on medical instrumentation: A review // International Journal of Biomedical and Clinical Engineering. 2013. V. 2. № 2. P. 23–26. https://doi.org/10.4018/ijbce.2013070103
2. Leung C.K.Y., Wan K.T., Inaudi D., Bao X., Habel W., Zhou Z., Ou J., Ghandehari M., Wu H.C., Imai M. Review: Optical fiber sensors for civil engineering applications // Materials and Structures. 2013. V. 48. P. 871–906. https://doi.org/10.1617/s11527-013-0201-7
3. Garg A., Linda R.I., Chowdhury T. Application of fiber optics in aircraft control system & its development // 2014 International Conference on Electronics and Communication Systems. 2014. Coimbatore, India. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ECS.2014.6892703
4. Edouard M.N., Okere C.J., Dong P., Ejike C.E., Emmanuel N.N., Muchiri N.D. Application of fiber optics in oil and gas field development — a review // Arabian Journal of Geosciences. 2022. V. 15. № 3. Article 539. https://doi.org/10.1007/s12517-022-09659-2
5. Islam A., Yuan M., Biwei W., Frode H., Bukhamsin A.Y., Ng T.K., Ooi B.S. A review of distributed fiber-optic sensing in the oil and gas industry // Journal of Lightwave Technology. 2022. V. 40. № 5. P. 1407–1431. https://doi.org/10.1109/JLT.2021.3135653
6. Chen W., Wang J., Wan F., Wang P. Review of optical fibre sensors for electrical equipment characteristic state parameters detection // High Voltage. 2019. V. 4. № 4. P. 271–281. https://doi.org/10.1049/hve.2019.0157
7. Elsherif M., Salih A., Muñoz M., Alam F., Alqattan B., Parkavan D., Zaki M., Yetisen A., Park S., Wilkinson T., Butt H. Optical fiber sensors: Working principle // Applications, and Limitations, Advanced Photonics Research. 2022. V. 3. № 2100371. P. 1–23. https://doi.org/10.1002/adpr.202100371
8. Yüksel N. The review of some commonly used methods and techniques to measure the thermal conductivity of insulation materials // Insulation Materials in Context of Sustainabilit. 2016. № 8. https://doi.org/10.5772/64157
9. Park H.K., Grigoropoulos C.P., Tam A.C. Optical measurements of thermal diffusivity of a material // International Journal of Thermophysics. 1995. V. 16. P. 973–995. https://doi.org/10.1007/BF02093477
10. Phillips S.R. Fiber optic thermal anemometer // Patent US4621929A. 1986.
11. White B.J., Davis J.P., Bobb L.C., Larson D.C. An optical fiber thermal conductivity sensor // Optical Fiber Sensors. 1988. V. 2. Paper FFF5. https://doi.org/10.1364/OFS.1988.FFF5
12. Pevec S., Donlagic D. Multiparameter fiber-optic sensor for simultaneous measurement of thermal conductivity, pressure, refractive index, and temperature // IEEE Photonics Journal. 2017. V. 9. № 1. P. 1–14. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2017.2651978
13. Matjasec Z., Donlagic D. All-optical, all-fiber, thermal conductivity sensor for identification and characterization of fluids // Sensors and Actuators B: Chemica. 2017. V. 242. P. 577–585. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.11.084
14. Lazaro R., Frizera-Neto A., Marques C., Castellani C.E.S., Leal-Junior A. FBG-based sensor for the assessment of heat transfer rate of liquids in a forced convective environment // Sensors. 2021. V. 21. № 20. P. 1–13. https://doi.org/10.3390/s21206922
15. Lazaro R.C., Marques C., Castellani C.E.S., Leal-Junior A. FBG-based measurement systems for density, specific heat capacity and thermal conductivity assessment for liquids // IEEE Sensors Journal. 2021. V. 21. № 6. P. 7657–7664. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3049574
16. Silva G.E., Caldas P., Santos J.L., Santos J.C. All-fiber sensor based on a metallic coated hybrid LPG-FBG structure for thermal characterization of materials // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9157. № 6. Paper 91571R. https://doi.org/10.1117/12.2059655
17. Silva G.E., Caldas P., Santos J.L., Santos J.C. Measurement thermal conductivity of water using a all-fiber sensor based on a metallic coated hybrid LPG-FBG structure // 26th International Conference on Optical Fiber Sensors. OSA Technical Digest. 24–28 September. 2018. Lausanna. Switzerland. Paper WF38. https://doi.org/10.1364/OFS.2018.WF38
18. Stam A.M., Idrisov R.F., Gribaev A.I., Varzhel S.V., Konnov K.A., Slozhenikina Yu.I. Fiber Bragg gratings inscription using Talbot interferometer and KrF excimer laser system // Journal of Instrument Engineering. 2017. V. 60. № 5. P. 466–473. https://doi.org/10.17586/0021-3454-2017-60-5-466-473
19. Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription ased on Talbot interferometer // Opt Quant Electron. 2016. V. 48. P. 1–7. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3
20. Klishina V.A., Varzhel S.V., Loseva E.A. Method for simultaneous measurement of velocity and direction of fluid flow using fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology. 2023. V. 75. № 1. 103215. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2022.103215
