Es wurden 100 Grad gemessen, wie viele Grad könnten es tatsächlich sein?
In der Messtechnik (Metrologie) und Sensortechnik ist die tatsächliche Temperatur, wenn Ihr Temperatursensor oder Messsystem eine Anzeige von 100^\circ\text{C} liefert, kein absoluter Einzelwert, sondern ein Wert aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb eines bestimmten Konfidenzintervalls.
Was die tatsächliche Temperatur sein könnte, hängt vollständig von der Genauigkeit (Accuracy) und der Messunsicherheit (Measurement Uncertainty) des von Ihnen verwendeten Messsystems ab.
Die grundlegende physikalische und mathematische Entsprechung lautet wie folgt:
1. Physikalische Formel der tatsächlichen Temperatur
Die tatsächliche Temperatur kann durch die folgende mathematische Formel ausgedrückt werden:
T_{\text{actual}} = T_{\text{measured}} \pm \Delta T
Hierbei gilt:
- T_{\text{measured}} ist der angezeigte Wert des Messgeräts (d. h. Ihre 100^\circ\text{C}).
- \Delta T ist der maximal zulässige Grenzfehler des Messsystems (der sich normalerweise aus der Kalibriergenauigkeit des Sensors selbst, den durch das Demodulationsinstrument eingeführten elektrischen/optischen Fehlern und den Fehlern durch Umwelteinflüsse ergibt).
2. Beispiel für den Bereich der tatsächlichen Temperatur bei unterschiedlicher Genauigkeit
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Fall A: Berechnung anhand des absoluten Fehlers
Wenn die Gesamtgenauigkeit Ihres Temperaturmesssystems \pm 0.5^\circ\text{C} beträgt:- Bei einer gemessenen Temperatur von 100^\circ\text{C} liegt die tatsächliche Temperatur zwischen 99.5^\circ\text{C} und 100.5^\circ\text{C}.
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Fall B: Berechnung anhand des relativen Fehlers der Vollausschlagskala (% F.S.)
Wenn der Sensor ein OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor von Dacheng YongSheng verwendet (dessen nomineller Arbeitsbereich von -40^\circ\text{C} bis 100^\circ\text{C} reicht, wobei die Vollausschlagsskala F.S. 140^\circ\text{C} beträgt) und die Gesamtgenauigkeit des Messsystems \pm 1\%\ \text{F.S.} beträgt:- Der maximal zulässige Fehler beträgt: \Delta T = 140^\circ\text{C} \times \pm 1\% = \pm 1.4^\circ\text{C}.
- Wenn der angezeigte Wert 100^\circ\text{C} ist, liegt die tatsächliche Temperatur zwischen 98.6^\circ\text{C} und 101.4^\circ\text{C}.
3. Schlüsselphysikalische Faktoren, die die Genauigkeit in FBG-basierten Temperaturmesssystemen bestimmen
Bei Verwendung der fortschrittlichen Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Temperaturmesstechnologie wird die endgültige Systemgenauigkeit durch die physikalischen Mechanismen und die Hardware-Spezifikationen der folgenden Komponenten bestimmt, die sich überlagern:
(1) Temperaturkoeffizient (Sensitivity) und Kalibrierungsreste des Sensors
Im Bereich von Raumtemperatur bis mittleren Temperaturen beträgt der Temperaturkoeffizient von Standard-FBGs etwa 10\ \text{pm/}^\circ\text{C}.
- Bei der Auslieferung muss der Sensor in einer hochpräzisen Konstanttemperaturkammer mehrpunktkalibriert werden. Beispielsweise verwendet der OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor von Dacheng YongSheng standardmäßig eine einparametrige (lineare) Formel für die Temperatur-Wellenlängen-Kalibrierung. Je kleiner der Restfehler der Regressionsanalyse ist, desto geringer ist der systematische Fehler, der durch die mathematische Anpassung entsteht.
(2) Wellenlängenauflösung und -genauigkeit des Demodulators (Interrogator)
Der Faser-Bragg-Gitter-Demodulator (z. B. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator) ist das Gerät, das Wellenlängen in Temperaturen umwandelt. Seine Kern-optischen Indikatoren bestimmen direkt die Systemfehlerschranken:
- Wellenlängenauflösung (Resolution): Gibt die kleinste Wellenlängenänderung an, die das System erkennen kann. Wenn die Auflösung des Demodulators 1\ \text{pm} beträgt, entspricht die theoretische Temperaturauflösung etwa 0.1^\circ\text{C}. Dies stellt jedoch nur die Anzeigegenauigkeit oder die Lesesensitivität dar und ist nicht gleichbedeutend mit der Genauigkeit.
- Absolute Wellenlängen-Genauigkeit (Wavelength Accuracy): Dies ist die harte Anforderung, die den Bereich der tatsächlichen Temperatur bestimmt. Wenn die absolute Wellenlängen-Genauigkeit des Demodulators \pm 2\ \text{pm} beträgt, beträgt der inhärente systematische Fehler bei der Temperaturrechnung \pm 0.2^\circ\text{C}.
(3) Umgebungsbedingte Kreuzempfindlichkeit vor Ort (z. B. Spannungsstörungen)
Vor Ort kann eine unsachgemäße Verkapselung des Temperatursensors (z. B. Blankfaser oder einfache Hülse) dazu führen, dass die Wärmeausdehnung des externen Trägers zusätzliche mechanische Spannungen (Strain) hervorruft.
Da FBG empfindlich auf die Kreuzwirkung von Temperatur und Spannung reagiert, verfälscht die durch äußere Spannungen verursachte Wellenlängenverschiebung das Temperatursignal, was zu einer systematischen Abweichung führt, bei der die gemessenen 100^\circ\text{C} zu hoch oder zu niedrig sind. Die spannungsfreie Verkapselung des Gitters durch Dacheng YongSheng mit Strukturen wie nahtlosen Edelstahlrohren eliminiert Spannungsstörungen auf physikalischer Ebene und ist eine notwendige Voraussetzung, um sicherzustellen, dass die tatsächliche Temperatur dem Messwert nahe kommt.