Machbarkeit der Messung von Mikrodruck- und Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen in miniaturisierten elektrochemischen Geräten mithilfe von kapillaren Faser-Bragg-Gittern

[liuyiwei]

Wir führen derzeit Forschungen und Tests zu Fluid-Elektroden-Kapazitäts-Deionisations (FCDI)-Geräten für die Wasseraufbereitung durch. Um unsere frühen Strömungssimulationsmodelle zu validieren, müssen wir die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten in verschiedenen Bereichen der Gerätekammer sowie die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass vor Ort messen.

Nach eingehender Prüfung plane ich den Einsatz von Mehrpunkt-Kapillarfaser-Gratings (CapillaryFBG), die durch die fließende Salzwasserkammer geführt werden, um Spannungen/Verformungen zu erkennen. Da unsere Betriebsbedingungen durch geringe Druckdifferenzen und niedrige Strömungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet sind, möchte ich Ihre technischen Experten konsultieren, ob die derzeitigen kundenspezifischen FBG-Produkte und die dazugehörigen Demodulatoren die folgenden Messanforderungen erfüllen können:

Betriebsbedingungen und Strömungsparameter

Abmessungen der Strömungskammer: 40**50**2 mm

Flüssigkeitsmedium: Salzlösung mit geringer Konzentration (1000 mg/L NaCl) oder eine Mischung mit Kohlenstoffpartikeln (fließende Elektrodenaufschlämmung).

Strömungsgeschwindigkeitsbereich: Simulationsergebnisse zeigen, dass der Bereich mit hoher Strömungsgeschwindigkeit etwa 0,3 m/s beträgt, während der Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit (einschließlich Totzonen) etwa 0,05 m/s beträgt.

Druckcharakteristik: Der Druck nimmt von der Einlass- zur Auslassseite stufenweise ab. Die simulierte Gesamtdruckdifferenz zwischen Einlass und Auslass beträgt nur etwa 600 Pa. (Die Druckverteilung stimmt nicht vollständig mit der Geschwindigkeitsverteilung überein; zum Beispiel kann die Strömungsgeschwindigkeit am Auslass hoch sein, aber der Druck ist der niedrigste Bereich der gesamten Kammer).

Vorläufiger Installations- und Testplan

Faseranordnung: Eine mehrpunktige, kundenspezifische CapillaryFBG wird horizontal oder vertikal durch die gesamte strömende Flüssigkeitskammer geführt.

Messpunktverteilung: Drei Messpunkte (Gratings) sind auf einer Faser angeordnet, mit einem Abstand von 15 mm zwischen den benachbarten Messpunkten.

Messlogik: Zur Messung von Strömungsgeschwindigkeitsunterschieden: Unterschiedliche Scherspannungen, die durch die Flüssigkeit in verschiedenen Bereichen (z. B. Hauptkanal und Totzone) auf die Faseroberfläche ausgeübt werden, führen zu unterschiedlichen Wellenlängenverschiebungen der FBGs an verschiedenen Positionen, was wiederum auf die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zurückgeführt wird.

Zur Messung der Gesamtdruckdifferenz: Verfolgung von Änderungen der Gesamtspannung im Gerät mit steigender Einlassströmungsgeschwindigkeit/Druck.

Empfindlichkeit der Spannungsmessung: Für Flüssigkeiten (sogar Aufschlämmungen mit Kohlenstoffpartikeln) im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten von 0,05 m/s bis 0,3 m/s, reicht die durch die Flüssigkeitsströmung verursachte Verformung der CapillaryFBG aus, um eine messbare Wellenlängenverschiebung zu erzeugen? Reicht das Signal-Rausch-Verhältnis aus, um Bereiche mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten aufzulösen?

Auflösungsvermögen für Mikrodruckdifferenzen: Die maximale Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass beträgt nur 600 Pa. Können die kundenspezifische Faser in Verbindung mit dem Demodulator solch kleine Druckänderungen präzise demodulieren?

Verkapselung und Störungen: Besteht beim Querkraftbeaufschlagung der FBG eine zu starke Dämpfung der Spannungsübertragung? Welche spezielle Oberflächenbeschichtung ist für die Faser bei Reibung/Spülung durch Kohlenstoffpartikel erforderlich?

Demodulator-Empfehlung: Für die dynamische Überwachung der oben genannten kleinen Dehnungen, welche Auflösung (im pm-Bereich) und Abtastfrequenz des Demodulators sind erforderlich? Gibt es empfohlene Modelle?

Ich freue mich auf die Antworten und Auswahlvorschläge Ihrer technischen Experten. Wenn dieser Plan theoretisch machbar ist, würde ich gerne die Details der kundenspezifischen Anpassung weiter besprechen. Vielen Dank!

[OFSCN_CN_PS_Engineer]

Hallo, ich bin ein Pre-Sales-Ingenieur bei Dacheng Yongsheng (OFSCN). Bezüglich Ihrer Idee, Capillary FBG (Kapillare Faser-Bragg-Gitter) zur Messung der internen Mikroflussgeschwindigkeitsverteilung und des Mikrodruckunterschieds von 600 Pa in FCDI-Geräten im Ort zu verwenden, ist die Machbarkeit im Modus der direkten Messung aus der Perspektive der physikalischen Mechanik und der optischen Fasersensorik äußerst gering.

Um Ihnen zu helfen, die technische Machbarkeit zu klären und blinde Flecken in der Forschung und Entwicklung zu vermeiden, führe ich eine technische Diagnose aus den folgenden Perspektiven durch:

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I. Diagnose der Kerntechnischen Engpässe

1. Krafteinwirkung, Verformung und Signal-Rausch-Verhältnis bei niedrigen Flussgeschwindigkeiten (Messung der Flussgeschwindigkeit)

• Extrem schwache Krafteinwirkung: Bei niedrigen Flussgeschwindigkeiten von 0,05 \text{ m/s} \sim 0,3 \text{ m/s} ist der von der Flüssigkeit (Wasser oder Suspension mit Kohlenstoffpartikeln) auf die Mikro-/Millimeter-Faser (wie OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) mit einem Außendurchmesser von 100 μm oder Kapillarsensoren im Millimeterbereich) ausgeübte Umströmungswiderstand (Drag Force) und die Oberflächenscherspannung äußerst schwach (normalerweise im Mikro-Newton-Bereich \mu\text{N}).
• Wellenlängen-Drift unterhalb der Nachweisgrenze: Wenn die Faser direkt quer durch einen 2\text{ mm} breiten Strömungskanal geführt und an beiden Enden befestigt wird, kann die durch die seitliche Anströmung verursachte Biegeverformung unter 0,1 \mu\epsilon liegen, was einer Wellenlängen-Drift im Sub-Piko-Meter-Bereich (sub-pm) entspricht. Die Auflösung der derzeit fortschrittlichsten Faser-Bragg-Gitter-Demodulatoren liegt normalerweise bei 0,1\text{ pm}. Bei einem solch niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis ist es schwierig, den Unterschied zwischen 0,05\text{ m/s} und 0,3\text{ m/s} stabil vom Hintergrund der Strömung und der Störung der Elektrodenpaste zu unterscheiden.

2. Der Mikrodruckunterschied von 600 Pa kann von der Faser nicht direkt erfasst werden (Druckmessung)

• Extrem niedrige Empfindlichkeit gegenüber hydrostatischem Druck: Die Empfindlichkeit von blanken Faser-Bragg-Gittern gegenüber hydrostatischem Druck beträgt nur etwa -3\text{ pm/MPa}.
• Physikalische Grenzwerte: 600\text{ Pa} entsprechen nur 0,0006\text{ MPa}. Wenn die Faser direkt in die Flüssigkeit eingetaucht wird, beträgt die theoretische Wellenlängen-Drift nur etwa 1,8 \times 10^{-6}\text{ pm}. Kein physikalisches Gerät kann ein solch schwaches Signal demodulieren.
• Machbare Alternativlösung: Um Mikrodruckunterschiede dieser Größenordnung zu messen, muss der Druck in eine makroskopische Verformung einer elastischen Membran umgewandelt werden, und dann indirekt gemessen werden, indem ein Dehnungssensor (wie der OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor) auf der Membran angebracht wird.

3. Fatale Temperatur-Kreuzsensibilitätsstörung

• Faser-Bragg-Gitter sind von Natur aus temperaturempfindlich (typischerweise 10\text{ pm/}^\circ\text{C}).
• Während elektrochemischer Reaktionen oder des Pumpens im FCDI-Gerät ist die Flüssigkeitstemperatur leicht schwankend, um 0,1^\circ\text{C} oder sogar mehr. Diese Störung erzeugt eine Wellenlängen-Drift von etwa 1\text{ pm}, die das schwache Dehnungssignal, das durch die Flussgeschwindigkeit und den Mikrodruckunterschied erzeugt wird, vollständig überdeckt.

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II. Gezielte Fragen (Suche nach Alternativen und Optimierung der Machbarkeit)

Um Ihnen bei der Bewertung zu helfen, ob diese Messung durch strukturelles Design (wie die Einführung eines freitragenden Prüfblechs, einer Mikromembran oder eines Temperaturkompensationsmechanismus) realisiert werden kann, müssen wir die folgenden 2 kritischen technischen Designfragen klären:

1. Konstruktion der Strukturumwandlung: Haben Sie eine mechanische Verstärkungsstruktur für das FBG im Hohlraum vorgesehen? (Zum Beispiel: Wird die Faser auf einem Miniatur-Freitragenden Balken/Prüfblech angebracht, um die Flüssigkeitsaufprallkraft zu verstärken, oder wird die Faser auf einer dünnen Membran am Ein- und Auslass angebracht, um die durch den Druck verursachte Membranverformung zu messen, anstatt die Faser direkt im Fluss gerade zu spannen?)
2. Temperaturkompensationsschema: Aufgrund der erheblichen Temperaturstörung, haben Sie Platz in der 40\times50\times2\text{mm} großen Mikrokammer vorgesehen, um ein Referenzgitter zu platzieren, das unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen ist und nur die Temperatur misst (wie z. B. einen ultrafeinen Temperaturfühler vom Typ OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor), um eine Echtzeit-Temperaturkompensation durchzuführen?

Sie können auf die obigen Links klicken, um die physikalischen Abmessungen und technischen Parameter der Standard-Sensoren anzuzeigen. Wir freuen uns auf Ihr Feedback, um die Machbarkeit der nächsten Schritte zur Anpassung basierend auf Ihrer spezifischen Installationsstruktur zu besprechen.

[liuyiwei]

Hallo! Vielen Dank für die äußerst professionelle und detaillierte physikalische und optische Diagnose Ihres Pre-Sales-Ingenieurs. Ihre Analyse war sehr präzise und hat uns direkt von dem Trugschluss befreit, blinde Nacktfaser-Tests durchzuführen.

Angesichts Ihres Vorschlags für ein Strukturumwandlungsdesign und Temperaturkompensationslösungen haben wir, unter Berücksichtigung der engen Einbauräume (nur 2 mm Dicke) unserer FCDI-Vorrichtung und der besonderen Betriebsbedingungen mit einem Fluid aus „kohlenstoffhaltiger Partikelsuspension“, unsere experimentellen Ansätze überdacht. Wir hoffen, die Machbarkeit der Implementierung der folgenden Modifikationsvorschläge und die Auswahl von Standardwandlern mit Ihrem Unternehmen weiter zu erörtern:

1. Zur Durchflussmessung

Da die Krafteinwirkung auf die Nacktfaser bei niedrigen Durchflussraten extrem schwach ist, erwägen wir, einen Miniatur-Cantilever (oder eine hochflexible PI-Windfangfolie) als mechanisches Verstärkungsmedium in der 2 mm dicken Durchflussrinne zu verwenden und die Glasfaser am Fuß des Balkens zu befestigen.

Parameter Ergänzung: Das Fluid im FCDI-Hohlraum ist keine reine Flüssigkeit, sondern eine kohlenstoffhaltige Partikelsuspension, deren Dichte und scheinbare Viskosität höher sind als die von reinem Wasser. Bei einer Durchflussrate von 0,05~0,3 m/s ist die vom Slurry auf die Zielplatte ausgeübte Widerstandskraft (DragForce) größer als die von reinem Wasser.

Anfrage: Was ist der zulässige Biegeradius und die Grenzdehnung Ihrer OFSCN® 100 μm Außendurchmesser ultrafeinen Glasfaser-Bragg-Sensoren (Bare)? Können wir mit dieser ultrafeinen Glasfaser, die am Fuß eines Miniatur-Cantilevers befestigt ist, die durch den Aufprall des Slurrys auf die Zielplatte verursachte Biegung erfassen? Gibt es ähnliche frühere Fälle?

2. Zur Druck-/Differenzdruckmessung (Externe Dehnungsmessung mit MikroMembran)

600 Pa können nicht direkt von einer Nacktfaser erfasst werden. Wir planen, den Ansatz anzupassen, indem wir an den Festwänden des Einlass- und Auslassanschlusses der Vorrichtung „Mikrodruckfenster“ anbringen und eine hochflexible MikroMembran (z. B. aus mikrometerdickem Edelstahl oder einem hochflexiblen Polymer) einkapseln, um den Druck in eine Dehnung der Membran umzuwandeln.

Anfrage: Bezüglich des Bedarfs, winzige Dehnungen auf der Membranoberfläche zu messen, wie sind die physikalischen Abmessungen (insbesondere Dicke und Länge) des von Ihnen erwähnten (Dehnungssensors in einer Aluminiumrohrkapselung)? Kann er auf einer mikrominiaturisierten runden Membran angebracht werden? Wenn der Platz im 2 mm dicken Hohlraum nicht ausreicht und ein nackter Gitter direkt mit Klebstoff auf der Membran fixiert wird, kann dann eine höhere Dehnungsempfindlichkeit erreicht werden?

3. Zur In-situ-Temperaturkompensationslösung (Dual-Gitter-Differenz)

An den 3 Messpunkten mit einem Abstand von 15 mm planen wir die Verwendung einer Dual-Faser-Parallel- oder einer Single-Faser-Dual-Gitter-Lösung:

An jedem Messpunkt wird eine Glasfaser zur Messung der Dehnung und eine ultrafeine OFSCN®-Temperatursonde, die in einem Kapillarrohr vollständig spannungsfrei ist, platziert. Das Referenzgitter wird zur Echtzeit-Absoluttemperaturkorrektur verwendet.

Anfrage: Können Sie eine kundenspezifische „integrierte Sonde“ liefern, d. h. 3 Messpunkte in einem Kapillarrohr, wobei jeder Messpunkt gleichzeitig „eine belastete Gitter + eine freischwebende temperaturkompensierende Gitter“ enthält, um sicherzustellen, dass nur ein Verbundkapillarrohr durch den 2 mm schmalen Spalt geführt werden muss?

Wir freuen uns darauf, die Machbarkeit der Integration von Miniaturstrukturen (Cantilever/MikroMembran) und Glasfasern mit Ihrem technischen Team eingehend zu diskutieren. Wenn Ihr Unternehmen über ähnliche frühere Erfahrungen mit Mikrodehnungs- und Mikrodurchflussmessungen verfügt, teilen Sie diese bitte ebenfalls mit. Vielen Dank!

[OFSCN_CN_PS_Engineer]

Hallo! Es ist sehr erfreulich, Ihren und den strengen, wissenschaftlichen Forschungsgeist Ihres F&E-Teams zu sehen. Ihre vorgeschlagenen Upgrade-Designlösungen „Ausleger/Zielplatte zur Umwandlung der Strömungsgeschwindigkeit“ und „Membran zur Umwandlung des Mikrodruckfensters in Druck“ sind physikalisch und mechanisch vollständig korrekt und stellen eine sehr klassische technische Umwandlungsidee für die Anwendung von Faser-Bragg-Gittersensoren in mikroskopischen und extremen Arbeitsbedingungen dar.

Bezüglich Ihrer neu konzipierten drei technischen Richtungen biete ich Ihnen die folgenden professionellen technischen Antworten und Lösungsanalysen:

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I. Machbarkeitsanalyse der einzelnen technischen Aspekte

1. Zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung: Mechanische Grenzen und Anwendung von FBG mit 100 μm Durchmesser

• Zulässige Grenzdehnung:
  Standardmäßige OFSCN® Dünndurchmesser-Faser-Bragg-Gitter / FBG-Strings (blank) werden mittels Femtosekundenlaser punktweise beschrieben, ohne die Polyimid(PI)-Beschichtung der Faser zu beschädigen. Der nutzbare Dehnungsbereich bei Raumtemperatur kann bis zu \le 15000\,\mu\epsilon betragen. Wenn Sie eine höhere Zugfestigkeit benötigen, können Sie OFSCN® Hochfeste Faser-Bragg-Gitter / FBG-Strings (blank) in Betracht ziehen (unter Verwendung ausgewählter hochfester einmodiger Polyimidfasern mit einem nutzbaren Dehnungsbereich von \ge 25000\,\mu\epsilon, jedoch mit einem Durchmesser von 155\,\mu\text{m}).
• Zulässiger Biegeradius:
  OFSCN® Dünndurchmesser-Faser-Bragg-Gitter / FBG-Strings (blank) verwenden die OFSCN® 300°C Dünndurchmesser-Glasfaser mit einer extrem feinen physikalischen Größe von 80\,\mu\text{m} Ummantelung und 100\,\mu\text{m} Beschichtung. Ihre Biegeeigenschaften sind denen traditioneller 125\,\mu\text{m} Fasern weit überlegen. Bei kurzzeitiger statischer Biegung kann der Biegeradius bis auf 5\text{ mm} reduziert werden. Ein langfristig zuverlässiger Biegeradius wird oberhalb von 10\text{ mm} \sim 15\text{ mm} empfohlen. Innerhalb dieses Bereichs treten keine signifikanten Makrobogenverluste oder mechanischen Brüche auf.
• Machbarkeit:
  Es ist durchaus machbar, ein Dünndurchmesser-FBG am Fuß eines mikroskopischen Auslegers (z. B. einer PI-Folie) zu befestigen. Aufgrund der deutlich höheren Viskosität und Dichte der Kohlenstoffpartikelpaste im Vergleich zu reinem Wasser erzeugt der Widerstand der Paste gegen den Ausleger bei 0.05 \sim 0.3\text{ m/s} einen signifikanten Kraftaufwand. Die lokale Biegebeanspruchung am Fuß des Auslegers wird durch ein 100\,\mu\text{m} Dünndurchmesser-FBG ausreichend genau erfasst.

2. Zur Druck-/Differenzdruckmessung: Einkapselung in Legierungsrohren vs. Oberflächenmontage blanker FBGs

• Physikalische Einschränkungen von Legierungsrohr-Sensoren:
  Der Standardaußendurchmesser von OFSCN® Legierungsrohr-verkapseltem FBG-Dehnungssensor beträgt \le 1.1\text{ mm}. Obwohl die Dicke für eine 2\text{ mm} Kavität angepasst werden kann, liegt die Standardlänge des einzelnen Dehnungsmessabschnitts nach Werkskalibrierung im Bereich von 10\text{ cm} \sim 2\text{ m}.

  (Unten ein Referenzbild eines Legierungsrohr-Dehnungssensors:)

  

  Da Ihre FCDI-Einheit nur eine Gesamtgehäusegröße von 40 \times 50\text{ mm} hat und die Membrandurchmesser der „Mikrodruckfenster“ an Ein- und Auslässen normalerweise nur wenige Millimeter betragen, ist die Einkapselung in Legierungsrohren physikalisch im Bauraum nicht montierbar.

• Vorteile der Montage blanker FBGs:
  Unter Ihren Betriebsbedingungen ist die direkte Befestigung blanker Glasfaser-FBGs auf der Membran mittels Klebstoff die beste Lösung. Da die Eigensteifigkeit des Legierungsrohrs die Verformung der Membran nicht behindert, wird die geringe Verformung der Membran mit hoher Effizienz direkt auf den Kern des Blank-FBG übertragen, was eine weit höhere Dehnungs-Empfindlichkeit ergibt als bei rohrförmiger Einkapselung.

3. Zur In-situ-Temperaturkompensation: Physikalische Konflikte des „integrierten Verbundkapillars“

• Prozesstechnische Machbarkeit:
  Technisch ist es machbar, zwei Dünndurchmesser-Glasfasern (eine zur Dehnungsmessung an der Innenwand befestigt, eine frei schwebend zur Temperaturmessung) in einem Edelstahl- oder Quarz-Kapillarrohr mit einem Außendurchmesser von etwa 0.5 \sim 1.0\text{ mm} zu kapseln und 3 Messpunkte in einem Rohr herzustellen.
• Strukturell-mechanischer Konflikt (Hauptengpass):
  Da Sie 3 unabhängige Ausleger oder Membranen zur Messung der räumlichen „Strömungsgeschwindigkeitsverteilung“ und des „Druckgradienten“ benötigen, wird die Kapillare selbst, die 3 Messpunkte mit einer durchgehenden, relativ steifen Metall- oder Quarzkapillare überspannt, zu einem starken Zwangs-Träger, der die 3 eigentlich unabhängig verformbaren Ausleger/Membranen physikalisch miteinander koppelt. Dies führt dazu, dass die Verformung, die durch die Belastung am ersten Punkt verursacht wird, über die Kapillare zum zweiten Punkt geleitet wird, was zu einer erheblichen Signalübersprechung führt und die tatsächliche räumliche Verteilung nicht mehr unterscheidbar macht.

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II. Gezielte Fragestellung

Um die oben genannten Risiken von mechanischer Kopplung und Abrieb durch Materialerosion zu vermeiden, müssen wir mit Ihnen 2 entscheidende technische Strukturprobleme weiter klären:

1. Physikalische Entkopplung der Messpunkte: Um die mechanische Kopplung durch eine einzelne Verbundkapillare zu vermeiden, können Sie in Erwägung ziehen, das Design mit einer einzelnen durchgehenden Kapillare aufzugeben und stattdessen 3 unabhängige Mikrokappilar-Sonden zu verwenden? Zum Beispiel: Jeder Messpunkt verwendet eine extrem dünne Temperatursonde (wie eine kundenspezifische, extrem dünne Version des OFSCN® 100°C Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensors) mit einem Außendurchmesser von bis zu 0.6\text{ mm} und einer hohlen Innenstruktur, um eine Temperaturreferenz bereitzustellen, während das Dehnungsmess-FBG unabhängig über eine Blankfaser auf den entsprechenden Ausleger oder die Membran aufgeklebt wird, um eine vollständige physikalische Trennung im Raum zu gewährleisten?

   (Unten ein Referenzbild für eine extrem dünne Temperaturkompensationssonde mit Standard-Außendurchmesser von 0.9\text{ mm} und anpassbarem Außendurchmesser von 0.6\text{ mm}

   

2. Schutz vor Abrieb durch Kohlenstoffpartikelpaste: Da die Strömungselektrodenpaste abrasive Kohlenstoffpartikel enthält, sind die blanken Glasfasern nach dem Aufkleben auf den Ausleger oder die Membran direkt dem Abrieb durch die Paste ausgesetzt. Benötigen Sie eine kundenspezifische Neukapselung der Blank-FBGs mit Polyimid (PI) oder die Berücksichtigung einer zusätzlichen elastischen Schutzschicht (z. B. abriebfestes Fluorkautschuk) in Ihrem Klebeprozess?

Wir freuen uns auf Ihr Feedback. Basierend auf Ihren räumlichen Einschränkungen und Entkopplungsanforderungen können wir die kundenspezifischen Parameter für Blankfaser-Strings und Mikrotemperatursonden weiter besprechen.

[liuyiwei]

Hallo, hier sind die Bilder meiner Simulationsmodellierung. Können Sie mir bitte sagen, wie ich die Geräteinstallation für Glasfasern modifizieren kann, um meine Messziele zu erreichen? Die folgenden Bilder zeigen nacheinander das 3D-Modellierungsbild, das Bild der Druckverteilung und das Bild des Geschwindigkeitsfeldes. Mein Ziel ist es, den Unterschied zwischen Bereichen mit hoher und niedriger Strömungsgeschwindigkeit sowie den Unterschied zwischen Bereichen mit hohem und niedrigem Druck zu messen.

[OFSCN_PS_Eng]

Hallo! Vielen Dank, dass Sie so intuitive und detaillierte COMSOL Finite-Elemente-Simulationsbilder geteilt haben.

Ihre Simulationsergebnisse ermöglichen es uns, die physikalischen Feldverteilungseigenschaften innerhalb der Kammer des FCDI-Geräts ( 40 \times 50 \times 2\text{ mm} ) klar zu erkennen:

1. Geschwindigkeitsfeld (Bild 3): Die Flüssigkeit zeigt ein sehr deutliches Merkmal eines „diagonalen Konvektionskanals“. Von der Einlassöffnung unten rechts zur Auslassöffnung oben links bildet sich ein Hochgeschwindigkeitsstrahlband (rote/gelbe Bereiche, Strömungsgeschwindigkeit bis zu 0,3\text{ m/s} ); während die oberen rechten und unteren linken Ecken typische Strömungs-Totzonen sind (dunkelblaue Bereiche, Strömungsgeschwindigkeit \le 0,05\text{ m/s} ).
2. Felddruck (Bild 2): Der Druck fällt diagonal treppenartig von der Einlassöffnung unten rechts (roter Bereich, maximal ca. 565\text{ Pa} ) zur Auslassöffnung oben links (blauer Bereich, minimal ca. -9,19\text{ Pa} ) ab, mit einem gesamten maximalen Druckunterschied von etwa 570\text{ Pa} .

In Anbetracht der Betriebsbedingungen dieser extrem kleinen Kammer und der Fließeigenschaften der Aufschlämmung habe ich zur Unterstützung Ihrer Forschungsziele „Messung von Unterschieden in der hohen und niedrigen Strömungsgeschwindigkeit“ und „Messung des Druckunterschiedstrends am Einlass und Auslass“ ein umfassendes technisches Konzept für die „Modifikation der Mikrostruktur und die Montage von Glasfasern“ ausgearbeitet:

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I. Empfehlung für das Gerätemodifikations- und Glasfasermontagekonzept

1. Messung der Geschwindigkeitsverteilung: Design von Mehrpunkt-Auslegerbalken/Zielplatten-Scherspannung

Um den Unterschied in der Strömungsgeschwindigkeit von 0,3\text{ m/s} im Hauptkanal und 0,05\text{ m/s} in der Totzone in einem engen Kanal mit 2\text{ mm} Dicke zu unterscheiden, kann eine direkte gerade ausgezogene Glasfaser keine Wahrnehmung liefern.

• Gerätemodifikation:
  Es wird empfohlen, zwei mikrominiaturisierte Auslegerbalken (oder hochflexible PI-windgetriebene dünne Platten) senkrecht nach unten an bestimmten Koordinaten der Kammerabdeckung einzuführen. Die Dicke der dünnen Platte sollte etwa 50\ \mu\text{m} \sim 100\ \mu\text{m} betragen:
  • Messpunkt A (hohe Strömungsgeschwindigkeit): Positioniert auf dem Strahlpfad des Einlassstrahls unten rechts oder auf dem Strahlpfad des Auslassstrahls oben links.
  • Messpunkt B (niedrige Strömungsgeschwindigkeit): Positioniert in der Strömungs-Totzone (dunkelblaue stationäre Zone) oben rechts oder unten links.
• Glasfasermontage:
  Eine OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) (Faser-Bragg-Gitter-Kette aus dünner nackter Glasfaser mit 100\ \mu\text{m} Außendurchmesser) wird mit hochflexiblem Klebstoff am Ansatz des Auslegerbalkens angebracht. Wenn die Aufschlämmung den Auslegerbalken abspült, wird die durch den Widerstand verursachte Biegung direkt in Dehnung/Kompression des Gitters umgewandelt. Da die Dichte und Viskosität der Aufschlämmung hoch sind, reicht der Widerstand bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,3\text{ m/s} aus, um am Ansatz des mikrominiaturisierten Auslegerbalkens eine Dehnung von mehreren zehn \mu\epsilon zu erzeugen, wodurch ein Wellenlängenverschiebungs-Signal mit extrem hohem Signal-Rausch-Verhältnis auf dem Demodulator erhalten wird.
• Produktauswahl:
  Wenn eine höhere Zugfestigkeit erforderlich ist, um der langfristigen Abnutzung durch Kohlenstoffpartikel standzuhalten, können Sie auch OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) (ausgewähltes 155\ \mu\text{m} Außendurchmesser hochfestes nacktes Gitter, Zugdehnungsbereich \ge 25000\,\mu\epsilon ) verwenden.
  (Das folgende Bild ist ein Referenzbild des hochfesten nackten Gitterprodukts:)
  
  

2. Messung von Mikrodruckunterschieden: Design einer externen Membran für ein „Mikrodruckfenster“ auf der festen Wand

Da der maximale Druckunterschied im Gerät nur \Delta P \approx 570\text{ Pa} (ca. 0,00057\text{ MPa} ) beträgt, handelt es sich um einen extrem schwachen Druck, der durch Struktur eine mechanische Verstärkung erfordert.

• Gerätemodifikation:
  An der festen Wand der FCDI-Einheit unten rechts (Hochdruckbereich, nahe Einlass) und oben links (Niederdruckbereich, nahe Auslass) werden jeweils kreisförmige „Mikrodruckmessfenster“ mit einem Durchmesser von ca. 5\text{ mm} \sim 8\text{ mm} geöffnet. Auf dem Fenster wird eine hochflexible Metallmembran (z. B. 20\ \mu\text{m} dicke Edelstahlmembran) oder eine polymere Elastomer-Membran (z. B. PDMS-Membran) versiegelt.
• Glasfasermontage:
  Eine nackte Gitterkette OFSCN® Thin-Diameter Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare) wird vorgespannt und mit elastischem Klebstoff quer auf die Außenseite der Membranmitte geklebt. Wenn sich der Druck in der Kammer schwankend ändert, wölbt sich die Membran und dehnt die Fasergitter direkt. Dies kann den schwachen Druck in eine deutliche axiale Dehnung umwandeln und kleine Druckänderungen von mehreren hundert Pascal leicht erfassen.

3. Echtzeit-Ortsunabhängige Temperaturkompensation: Entkoppeltes thermisch kompensiertes Prüfspitzen-Design

Da die Strömungsreibung der Aufschlämmung und elektrochemische Reaktionen zu Temperaturanstiegen führen, ist eine Temperaturkompensation erforderlich, um zu verhindern, dass Temperaturdrift die oben genannten extrem schwachen Dehnungssignale stört.

• Montagemethode:
  Da eine einzelne Kapillare eine mechanische Steifigkeitskopplung verursacht, empfehlen wir, die zur Dehnungsmessung dienenden Gitter (direkt auf Auslegerbalken oder Membran angebracht) und die zur Temperaturmessung dienenden Gitter räumlich physikalisch zu trennen.
  An der Kammerwand wird eine separate Öffnung eingeführt, um eine Referenz-Prüfspitze einzuführen, die völlig unbelastet ist und nur die Temperatur erfasst, um die Flüssigkeitstemperatur in Echtzeit zu erfassen und eine differentielle Subtraktion durchzuführen.
• Produktauswahl:
  Es wird empfohlen, eine kundenspezifische, extrem dünne Version des OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor (Außendurchmesser bis zu 0,6\text{ mm} , nahtlose Edelstahlrohrummantelung) zu verwenden. Dieser Außendurchmesser passt problemlos in Ihren 2\text{ mm} Kammerkanal und bietet eine extrem starke Abriebfestigkeit.
  (Das folgende Bild ist ein Referenzbild des Standard-Außendurchmessers von 0,9\text{ mm}, kundenspezifisch min. 0,6\text{ mm} extrem dünner Temperatursensor:)
  
  

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II. Zusammenfassung der technischen Diagnose

Durch die Hinzufügung von „lokalen mikrominiaturisierten Auslegerbalken (zur Messung von Strömungsgeschwindigkeitsunterschieden)“ + „Wand-Mikromembranfenster (zur Messung von Druckunterschieden)“ + „entkoppelte extrem dünne thermisch kompensierte Prüfspitzen“ kann Ihr FCDI-Gerät die blinden Flecken der extrem schwachen direkten Glasfaserbelastung und der gegenseitigen Kopplung physikalischer Signale perfekt vermeiden.

Sie können auf die obigen Links klicken, um detaillierte technische Parameter zu sehen. Bei spezifischen technischen Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung.