Волоконно-оптический метод идентификации различных веществ по их тепловым характеристикам

Варжель С.В., Клишина В.А., Куликова В.А.

Полный текст на elibrary.ru

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

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

Ссылка на англоязычную версию:

test

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.

Благодарность: работа выполнена при финансовой поддержке программы «Приоритет 2030».

Ключевые слова:

волоконная брэгговская решётка, метод горячей проволоки, волоконно-оптические датчики, идентификация различных веществ, измерение тепловых характеристик, измерение удельной теплоёмкости

Коды OCIS: 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