Design and experimental investigation of active distributed temperature sensing probes for thermal anemometry in water

Um Geschwindigkeiten von vertikalen aufwärts gerichteten Wasserströmungen zu messen, werden iterativ Sensoren für faseroptische thermische Anemometrie (TA) entwickelt und in einem bohrlochähnlichen Prüfstand getestet. Die faseroptische Temperaturmessung in den Sensoren erfolgt mittels distributed temperature sensing (DTS). Die Quantifizierung der hydraulischen Eigenschaften von Grundwasserströmungen in der Erdkruste ist aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit über Brunnen und Bohrlöcher sowie der komplexen Zusammensetzung der Gesteins- und Sedimentschichten in der Erdkruste kompliziert und kostspielig. ... mehrDTS ist als Technologie zur Messung von verteilten Temperaturprofilen mittels Glasfasern im geowissenschaftlichen und anderen technischen Kontexten bereits etabliert. Die Umsetzung von TA mit DTS Temperaturmesstechnik basiert auf der Messung der Temperatur in einem beheizten Glasfaserkabel, welches über geschwindigkeitsabhängige erzwungene Konvektion gekühlt wird. Dieser Ansatz soll ermöglichen während Pumpversuchen Geschwindigkeitsprofile über die gesamte Länge von Bohrlöchern oder Brunnen zu messen. Durch diese verteilte Durchflussmessung soll die Komplexität und der Zeitaufwand für die Aufnahme von Flowmeter-Logs deutlich verringert werden, was auch die damit verknüpften Kosten reduzieren würde. Allerdings hat noch keine der bestehenden Machbarkeitsstudien validierte Geschwindigkeitsmessungen gezeigt. Es existieren lediglich eine nicht validierte verteilte Flowmeter-Log Messung und ein Sensitivitätsnachweis.

Die vorliegende Studie zielt daher darauf die Lücke von qualitativen zu quantitativen Messungen zu schließen. Die vorliegende Studie zeigt, dass die Messung von vertikal aufwärts gerichteten Wassergeschwindigkeiten in einem bohrlochähnlichen Prüfstand mit absoluten prozentualen Fehlern unter $35\,\%$ im Bereich von $7.1$–$47 \,\rm{mm/s}$ möglich ist. Dieses Ergebnis wird jedoch nur in deionisiertem Wasser mit dem ausgereiftesten Sensorkonzept und mit Kalibrierung der DTS Daten, welche erfordert die Temperatur von zwei Abschnitten der Glasfaser zu überwachen, erreicht.
Besonders wichtig ist, dass der identische Aufbau zu einem nicht reproduzierbaren Wärmeübergang führt, wenn der Prüfstand mit Leitungswasser befüllt wird. Denn in diesem Fall treten Temperaturabweichungen im Wärmeübergang auf, die eine Größenordnung über dem maximal zulässigen Fehlerband für TA liegen. Dies geschieht, weil der Wärmeübergang in Wasser stark von den Eigenschaften des Wassers abhängt. Insbesondere können Ausfällungen gelöster Feststoffe und die Bildung von Blasen an der für den konvektiven Wärmeübergang relevanten Oberfläche auftreten und diesen beeinflussen. Folglich muss Wasser für präzise TA Messungen gefiltert, deionisiert und entgast werden. Deshalb ist eine erfolgreiche Anwendung von TA in Bohrlöchern der Erdkruste ohne Wasseraufbereitung höchst unwahrscheinlich. Zukünftige Anwendungen für faseroptische TA in Wasser müssen den erforderlichen Reinheitsanforderungen des Wassers genügen. Nichtsdestotrotz werden in der vorliegenden Studie mehrere Innovationen von Sensorkonzepten für faseroptischen TA vorgestellt. Insbesondere wird ein Sensorkonzept, bei dem eine Glasfaser mehrfach durch dieselbe Kapillare gewickelt wird, auch in Luft getestet: Ein Windkanalversuch zeigt vielversprechende Ergebnisse zur Messung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung.

Fiber-optic distributed temperature sensing (DTS) probes for thermal anemometry (TA) are iteratively developed and tested to measure vertically upward water flow velocities in a borehole-mimicking test rig. Quantification of the hydraulic properties of groundwater flows in the Earth's crust is complicated and costly because of the limited accessibility via wells and boreholes and because of the complex composition of the rock and sediment layers in the Earth's crust. Fiber-optic DTS is an established technique for acquisition of distributed temperature profiles in the geoscientific and other technical contexts. ... mehrThe combination of DTS with a TA approach - i.e., utilizing forced-convective heat transfer of a heated glass-fiber cable for velocity determination - promises distributed velocity measurements along the full length of boreholes or wells during pumping tests. This technique would substantially reduce the complexity and time required to acquire flowmeter logs, thereby decreasing the costs for flowmeter log acquisition. However, none of the existing proof-of-concept studies has produced validated velocity measurements; as yet, only a qualitative flowmeter log and a demonstration of sensitivity exist.

The present study, therefore, aims to close the gap from qualitative to quantitative measurements and achieves the measurement of the vertically upward flow velocity in a borehole-mimicking test rig with absolute percentage errors below $35\,\%$ within the range of $7.1$–$47 \,\rm{mm/s}$. However, this encouraging result is only achieved in deionized water with the most elaborate probe design and calibration of the DTS data with two fiber sections at constant monitored temperatures. Most importantly, when the identical setup is operated with tap water, a pronounced lack of reproducibility in the heat transfer becomes evident: temperature offsets occur that exceed the acceptable uncertainty range for velocity determination by more than an order of magnitude. Furthermore, the heat transfer from the probe's surface to the water depends strongly on the water's properties. In particular, precipitation of dissolved solids and formation of bubbles may occur on the probe's surface, which in turn affects the convective heat transfer. Consequently, the water must be filtered, deionized, and deaerated for accurate TA measurements. Therefore, successful application of TA in boreholes of the Earth's crust is highly unlikely without water treatment. Any sensible future application of fiber-optic TA in water must provide the required water conditions. Nonetheless, multiple innovations in fiber-optic TA probe design are presented. Specifically, the fiber-coiled-in-capillary design is also tested in air: a wind-tunnel test reveals promising results for wind-velocity and wind-direction measurements.