Benötigt das Raster eine Sekunde oder Mikrosekunden, um Temperaturänderungen zu erkennen?
Die Reaktionszeit von Faser-Bragg-Gittern (FBG) auf Temperaturänderungen kann nicht pauschalisiert werden. Wir müssen sie in die intrinsische thermische Reaktionszeit des nackten Faser-Gitters und die thermische Reaktionszeit des Temperaturfühlers nach der Verkapselung im realen technischen Einsatz unterteilen.
Im Allgemeinen: Die Reaktionszeit des nackten Gitters selbst liegt im Millisekundenbereich (ms) und kann in bestimmten idealen Wärmeübertragungsmedien bis in den Mikrosekundenbereich ( \mu\text{s} ) annähern; die Reaktionszeit des Gitter-Temperaturfühlers nach der technischen Verkapselung liegt normalerweise zwischen Hunderten von Millisekunden und mehreren Sekunden (s).
Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Analyse der physikalischen Mechanismen und der Wärmeübertragung:
I. Intrinsische thermische Reaktionszeit des nackten Gitters (Millisekundenbereich)
Ein nacktes Faser-Bragg-Gitter besteht aus Siliziumdioxid (Quarzglas) mit einer periodischen Brechungsindexmodulation, die in seinem Kern eingraviert ist. Der Außendurchmesser einer nackten Standard-Singlemode-Faser beträgt nur etwa 125\ \mu\text{m} (mit Beschichtungen wie Polyimid normalerweise 155\ \mu\text{m} ).
Nach der Konzentrationparameter-Methode der Wärmeleitung lautet die Formel für die thermische Zeitkonstante der Faser (die Zeit, die benötigt wird, bis die Temperaturänderung 63,2\% der externen Temperaturdifferenz erreicht):
\tau = \frac{\rho \cdot V \cdot c}{h \cdot A}
Da die Faser eine zylindrische Struktur ist, beträgt das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche:
\frac{V}{A} = \frac{d}{4}
Eingesetzt ergibt sich:
\tau = \frac{\rho \cdot c \cdot d}{4h}
Worin:
- \rho die Dichte von Quarzglas ist (ca. 2,2 \times 10^3\ \text{kg/m}^3 );
- c die spezifische Wärmekapazität von Quarz ist (ca. 700\ \text{J/(kg}\cdot\text{K)} );
- d der Außendurchmesser der Faser ist (Beispiel: 155\ \mu\text{m} , also 1,55 \times 10^{-4}\ \text{m} );
- h der Konvektionswärmeübergangskoeffizient zwischen der Faseroberfläche und dem äußeren Medium ist.
Da der Durchmesser d der Faser extrem klein ist, ist ihre eigene Wärmekapazität ( \rho \cdot V \cdot c ) sehr gering. In Medien mit guter Wärmeleitung (z. B. Flüssigkeiten mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, bei denen der Konvektionswärmeübergangskoeffizient h sehr groß ist):
- Die thermische Zeitkonstante \tau des nackten Gitters beträgt normalerweise nur wenige Millisekunden bis über zehn Millisekunden.
- In extremen transienten Umgebungen mit Stoßwellen oder kurzzeitiger Laserheizung kann die Reaktionszeit durch die Wärmeleitung durch das dünne Glasmedium zum Kern sogar in Richtung von hunderten von Mikrosekunden ( \mu\text{s} ) gehen.
- In Luft jedoch, da der Konvektionswärmeübergangskoeffizient h von Luft extrem klein ist, verlängert sich die thermische Reaktionszeit selbst bei einem nackten Gitter auf Hunderte von Millisekunden oder sogar mehr als eine Sekunde.
II. Einfluss der Verkapselung auf die thermische Reaktionszeit (Hunderte von Millisekunden bis Sekunden)
In industriellen und technischen Anwendungen sind nackte Gitter zu empfindlich, um sie direkt zu verwenden. Um die Faser vor Bruch, Feuchtigkeit oder Korrosion zu schützen, muss sie verkapselt werden.
Sobald eine Verkapselungsschicht eingeführt wird, entstehen zusätzliche thermische Widerstände (die die Wärmeübertragung ins Innere behindern) und Wärmekapazitäten (Temperaturverzögerung durch Wärmeaufnahme von Metallrohren, Füllmaterialien und Klebstoffen). Daher wird die Reaktionszeit von verkapselten Gitter-Temperaturfühlern normalerweise langsamer:
- Einfluss des Mediums: Bei Messungen in Wasser liegt die Reaktionszeit des Sensors normalerweise im Bereich von hunderten von Millisekunden; bei Messungen in ruhender Luft kann es einige Sekunden bis über zehn Sekunden dauern, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist.
- Einfluss der Größe: Je dicker der Außendurchmesser des Sensors ist, desto stärker ist die thermische Hysterese.
III. Relevante OFSCN® Schnell-Temperaturmessprodukte
Um die schnelle thermische Reaktionsfähigkeit von Faser-Gittern zu maximieren und gleichzeitig den mechanischen Schutz zu gewährleisten, hat Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) die folgenden Produkte durch Verringerung der Verkapselungsgröße und Optimierung des Wärmeübertragungsdesigns eingeführt:
1. Ultimative Reaktionsgeschwindigkeit (Nackte Gitter-Kette)
Wenn Ihre Experimentier- oder Testumgebung das direkte Anbringen oder eine verkapselungsfreie Montage erlaubt und Sie Millisekunden-Reaktionsgeschwindigkeiten anstreben, können Sie nackte Gitter verwenden:
- OFSCN® High-Strength Fiber Bragg Gratings / FBG Strings (Bare)
- Technische Merkmale: Verwendet Femtosekunden-Laser-Punkt-für-Punkt-Schreibtechnologie, ohne die Faserbeschichtung zu entfernen, wodurch eine extrem hohe mechanische Festigkeit bei einem Außendurchmesser von nur 155\ \mu\text{m} beibehalten wird. Der Betriebstemperaturbereich ist breit von -200^\circ\text{C} bis 300^\circ\text{C} , was eine extrem kurze thermische Zeitkonstante (im Millisekundenbereich) bietet.
2. Verkapselte Sensoren mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit (extrem dünner Außendurchmesser)
Für Temperaturmessungen, die eine Edelstahl-Panzerschutz benötigen, um die Reaktionszeit innerhalb von Hunderten von Millisekunden zu halten, wird die Verwendung von verkapselten Temperaturfühlern mit extrem dünnem Außendurchmesser aus nahtlosen Stahlrohren empfohlen:
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Technische Merkmale: Standardmäßig mit nahtlosen einwandigen Stahlrohren verkapselt, mit einem Standardaußendurchmesser von 0,9\ \text{mm} , kann auf einen extremen minimalen Außendurchmesser von ** 0,5\ \text{mm} ** angepasst werden. Der extrem dünne Außendurchmesser minimiert den thermischen Widerstand und die Wärmekapazität des Sensors, was ihm eine ausgezeichnete transiente Temperaturverfolgung in Flüssigkeiten mit einer Reaktionszeit von nur hunderten von Millisekunden verleiht.
- Betriebstemperatur: -200^\circ\text{C} bis 300^\circ\text{C} .
- OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Technische Merkmale: Standardaußendurchmesser 0,9\ \text{mm} , kann auf einen minimalen Außendurchmesser von 0,6\ \text{mm} angepasst werden und bietet ebenfalls eine ausgezeichnete Reaktionsgeschwindigkeit.
Zusammenfassung
Die Temperaturerfassung durch Gitter ist im nackten Faserzustand im Millisekundenbereich; in extremen wissenschaftlichen Experimenten wie mikro- und nanosekundenweiser Laser-Transient-Erwärmung kann sie eine Mikrosekundenreaktion zeigen. Unter industrieller Edelstahlverkapselung liegt die Reaktionszeit typischerweise bei hunderten von Millisekunden bis Sekunden. Um die schnellste Temperaturmessung zu erzielen, sollten Sie möglichst Sensoren mit dünnerem Außendurchmesser wählen (z. B. die kundenspezifische 0,5\ \text{mm} -Version von OFSCN®) und die Wärmeübertragungseffizienz zwischen dem Sensor und dem gemessenen Medium erhöhen.