Sıcaklık telafisi nedir?

OFSCN Global Teknik Merkezi OFSCN Teknik Bilgi Bankası
1

Nahoş sıcaklık parazitini algoritma veya yapıyla nasıl ortadan kaldırabilirim?

2

Fiber Bragg Grating (FBG) algılama teknolojisinde, fiberin silika malzemesinin termal optik etkileri ve termal genleşme etkileri nedeniyle, FBG’nin yansıma merkezi dalga boyu aynı anda hem sıcaklığa hem de gerilime yanıt verir. Bu olguya Sıcaklık Çapraz Hassasiyeti (Temperature Cross-sensitivity) denir.

Bu can sıkıcı sıcaklık parazitini ortadan kaldırmak için optik mühendisliği alanında genellikle algoritma (aktif/harici sıcaklık telafisi) ve yapı (pasif mekanik telafi veya entegre çift gratik) olmak üzere iki ana boyuttan çözüm aranır.

Bir. Algoritma ve Harici Sensör Telafi Yöntemi (Yüksek Hassasiyet, Mühendislik Tercihi)

Bu, şu anda endüstri ve araştırma alanlarında en yaygın ve en hassas kullanılan çözümdür. Temel mantığı şudur: Gerinim (kuvvet/basınç) ölçüm noktasının yanına, sadece sıcaklıktan etkilenen, herhangi bir mekanik dış kuvvete maruz kalmayan bir FBG sıcaklık sensörü dahil edilir.

1. Telafi Algoritması Matematiksel Modeli

Gerinim sensörünün (mekanik gerinim ve sıcaklık değişimine aynı anda maruz kalan) dalga boyu kayma miktarı \Delta \lambda_{\text{strain}} , harici sıcaklık sensörünün (sadece sıcaklık değişimini algılayan) dalga boyu kayma miktarı ise \Delta \lambda_{\text{temp}} olsun:

\Delta \lambda_{\text{strain}} = K_{\epsilon} \cdot \epsilon + K_{T,\text{strain}} \cdot \Delta T
\Delta \lambda_{\text{temp}} = K_{T,\text{temp}} \cdot \Delta T

Burada, K_{\epsilon} gerinim hassasiyet katsayısıdır, K_{T,\text{strain}} ve K_{T,\text{temp}} sırasıyla gerinim sensörü ve sıcaklık sensörünün sıcaklık hassasiyet katsayılarıdır. Algoritma ile \Delta T sıcaklık terimi elenerek, sıcaklık parazitinden tamamen arındırılmış gerçek fiziksel gerinim değeri \epsilon çözümlenir:

\epsilon = \frac{1}{K_{\epsilon}} \left( \Delta \lambda_{\text{strain}} - \frac{K_{T,\text{strain}}}{K_{T,\text{temp}}} \cdot \Delta \lambda_{\text{temp}} \right)

DaChengYongSheng (大成永盛) tarafından üretilen sıcaklık sensörleri, sıcaklık dalga boyu için yüksek hassasiyetli polinom kalibrasyonu yapıldığından, çözücü tarafından hesaplanan gerçek sıcaklık değeri T 'yi doğrudan gerinim sensörünün sıcaklık düzeltme denklemine reel olarak dahil edebilirsiniz.

2. İlgili Donanım Yerleşimi

Bu yüksek hassasiyetli algoritma telafisini gerçekleştirmek için, ölçüm noktasında aşağıdaki yüksek güvenilirlikli FBG sensörlerinin kullanılması önerilir:

İki. Yapısal Kendi Kendine Telafi Yöntemi (Pasif Adaptif)

Çözücü terminalinde veya algoritma yazılımında karmaşık kanal içi veri füzyonunu tercih etmiyorsanız, sensörün içindeki fiziksel yapı tasarımıyla donanım düzeyinde sıcaklık kayması telafi edilebilir.

1. Termal Genleşme Katsayısı Farkı Telafi Yapısı (Pasif Mekanik Telafi)

Bu çözüm, farklı katı malzemelerin termal genleşme katsayıları ( \alpha ) arasındaki farktan yararlanır.

  • Yapısal Tasarım: Fiber gratik, farklı termal genleşme katsayılarına sahip iki metalin (örneğin: yüksek genleşme katsayılı alüminyum alaşımlı tüp ve çok düşük genleşme katsayılı Invar alaşımlı/özel çelik tüp) birleşiminden oluşan bir kılıf yapısının içine serbestçe sabitlenir.
  • Telafi Mekanizması: Ortam sıcaklığı yükseldiğinde, fiberin termal optik etkisi orijinal olarak yansıma dalga boyunu kızılötesine doğru kaydıracaktır (kırmızıya kayma); ancak bu durumda, genleşme katsayıları arasındaki farkı büyük olan birleşik kılıf, termal genleşme ve büzülme nedeniyle fibere eksenel olarak küçük bir “küçülme (basınç gerinimi)” etkisi uygular. Malzeme boyutlarının hassas hesaplanması ve tasarlanmasıyla, kılıfın ürettiği negatif dalga boyu kayması miktarının, fiberin kendi termal optik dalga boyu kayma miktarıyla tam olarak eşit ve zıt yönde olması sağlanarak (yani K_{\epsilon} \cdot \epsilon_{\text{thermal}} = - K_T \cdot \Delta T ), çıktı dalga boyunun sıcaklığa karşı “pasif kendi kendine telafi” edilmesi gerçekleştirilir.

2. Tek Tüp Çift Gratik / Entegre Yapı

  • Yapısal Tasarım: Tek bir sensör koruma tüpünün içine, bitişik iki farklı dalga boyunda FBG çipi kapsüllenir.
  • Telafi Mekanizması: Bu gratiklerden biri sensörün mekanik yapısına veya tabanına sıkıca yapıştırılır (hem kuvvete hem de sıcaklığa maruz kalır), diğer gratik ise bir ucu serbest, kuvvete temas etmeyen asılı durumda bırakılır (sadece sıcaklığa maruz kalır). İki gratik birbirine çok yakın olduğu ve mikroskobik olarak aynı sıcaklık alanında bulunduğu için, tek tüp çift kanal tasarımıyla sıcaklık bileşeni doğrudan diferansiyel algoritmalarla elenebilir.
  • Uygulama Özelleştirme: Örneğin, DaChengYongSheng, özelleştirilmiş sıcaklık telafili OFSCN® Fiber Bragg Grating 3D Kuvvet Sensörü veya özel alaşımlı tüp kapsüllü gerinim sensörleri ile bu tür entegre yapıları gerçekleştirebilir.

Özet

  • Yüksek ölçüm doğruluğu ve geniş sıcaklık aralığı adaptasyonu (örneğin, -200\ ^\circ\text{C} ile 500\ ^\circ\text{C} arasında şiddetli dalgalanmalar) arıyorsanız, algoritma + harici FBG sıcaklık sensörü kullanılması önerilir.
  • Montaj alanı sınırlıysa ve çözücü kanalları yetersiz olup bağımsız bir sıcaklık kanalı eklenemiyorsa, yapısal kendi kendine telafi/çift gratik entegre sensörler daha uygun olacaktır.