Une fois gainé, la mesure de la température sera-t-elle ralentie ? Comment OFSCN® accélère-t-il le transfert de chaleur ?
D’un point de vue des principes physiques de la thermodynamique et du transfert de chaleur, la réponse est oui : par rapport à une fibre nue, la vitesse de réponse de la mesure ralentit effectivement après avoir été gainée dans un tube en acier.
Le processus par lequel un capteur perçoit les changements de température externes est essentiellement un processus de transfert de chaleur du milieu externe à travers les différentes couches de matériaux d’encapsulation jusqu’au cœur de la fibre (comme la zone de la fibre à réseau de Bragg, FBG).
Selon le modèle de transfert de chaleur thermodynamique, la constante de temps de réponse thermique d’un capteur (le temps nécessaire au capteur pour que sa température atteigne 63,2 % du changement de température extérieur, généralement notée \tau ) peut être approximée par la formule suivante :
\tau = R_t \cdot C
Où :
- R_t est la résistance thermique (Thermal Resistance), qui dépend de la conductivité thermique et de la structure géométrique des matériaux d’encapsulation.
- C est la capacité thermique (Thermal Capacity), qui dépend de la masse et de la chaleur spécifique des matériaux d’encapsulation ( C = m \cdot c ).
Lorsque la fibre est gainée dans un tube en acier sans soudure :
- Augmentation de la résistance thermique ( R_t ) : le tube en acier lui-même a une certaine épaisseur de paroi, et s’il y a un espace d’air entre la fibre et l’intérieur du tube en acier (l’air a une conductivité thermique très faible à température ambiante, d’environ 0.026\ \text{W/(m}\cdot\text{K)} ), cela crée une résistance thermique de contact extrêmement élevée.
- Augmentation de la capacité thermique ( C ) : le tube en acier introduit une masse supplémentaire m , obligeant le capteur à absorber plus de chaleur pour monter en température et atteindre l’équilibre avec le milieu extérieur.
Comment OFSCN® accélère-t-il le transfert de chaleur ?
Pour minimiser le temps de réponse thermique tout en offrant une protection mécanique suffisante, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) a mis en œuvre plusieurs optimisations techniques clés dans la conception et les processus de ses capteurs :
1. Utilisation de tubes en acier sans soudure « micro-dimensionnés » et ultra-fins
Les capteurs de température à fibre à réseau de Bragg et les capteurs à fibre distribués d’OFSCN® sont par défaut encapsulés dans des tubes fins en acier inoxydable sans soudure :
- Leur diamètre extérieur par défaut n’est que de 0.9\text{ mm} .
- Pour des scénarios de mesure spéciaux nécessitant une réponse ultra-rapide à haute fréquence, le diamètre extérieur peut être personnalisé jusqu’à 0.5\text{ mm} .
Cette conception de diamètre ultra-fin réduit considérablement le volume et la masse du tube en acier inoxydable (ce qui diminue drastiquement la capacité thermique C ), tandis que la paroi extrêmement fine (ce qui réduit considérablement la résistance thermique R_t ) permet à la chaleur de traverser la paroi à une vitesse extrêmement rapide.
2. Remplissage sans espace d’air et optimisation des matériaux à haute conductivité thermique
Pour éliminer la résistance thermique de contact élevée due aux espaces d’air à l’intérieur du tube en acier, OFSCN® utilise des procédés d’encapsulation spécifiques :
- L’intérieur des micro-tubes en acier est rempli de matériaux composites spéciaux à haute conductivité thermique, expulsant l’air du tube et créant ainsi un canal de transfert de chaleur efficace et sans interruption.
- Bien que l’acier inoxydable (tel que le \text{304} ou le \text{316L} ) ait une conductivité thermique inférieure à celle du cuivre rouge, sa résistance thermique devient négligeable lorsque l’épaisseur de la paroi est réduite à l’échelle micrométrique, tout en assurant une haute résistance à la pression, une protection contre les explosions et une résistance à la traction.
3. Utilisation d’un revêtement de fibre ultra-mince et résistant aux hautes températures
Les fibres optiques conventionnelles ont un revêtement en acrylate d’une épaisseur de 250\ \mu\text{m} , qui a de mauvaises propriétés de transfert de chaleur.
- Les capteurs d’OFSCN® utilisent largement des fibres avec un revêtement mince en polyimide (par exemple, la OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber), dont l’épaisseur du revêtement n’est que d’environ 15\ \mu\text{m} (diamètre extérieur total de la fibre 155\ \mu\text{m} ) , ce qui entraîne une résistance thermique très faible.
- Dans les environnements à ultra-haute température (niveau 700°C), il est possible de choisir la OFSCN® Gold-coated Optical Fiber (fibre plaquée or). L’or est un excellent conducteur thermique, et la résistance thermique de son revêtement est quasi nulle, réduisant encore le délai de transfert de chaleur.
Capteurs à Fibre à Réseau de Bragg (FBG) à Mesure Rapide OFSCN® Recommandés
Si vous avez des exigences strictes en matière de temps de réponse thermique, les deux capteurs de température FBG suivants, grâce aux optimisations de processus mentionnées ci-dessus, atteignent des vitesses de réponse thermique ultra-rapides de l’ordre de la milliseconde :
1. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Avantages techniques : Par défaut, utilise un encapsulage en tube d’acier inoxydable sans soudure, diamètre extérieur de 0.9\text{ mm} , prend en charge la personnalisation d’un diamètre extérieur minimum de 0.5\text{ mm} . Il réduit efficacement le délai thermique et est sensible dans les mesures sur fluides et surfaces solides.
- Présentation du produit :
2. OFSCN® 500°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
- Avantages techniques : Conçu pour les environnements à haute température, utilise un procédé d’encapsulation en tube sans soudure résistant aux hautes températures, avec une température maximale calibrée de 500^\circ\text{C} . Prend également en charge la personnalisation d’un diamètre extérieur minimum de 0.5\text{ mm} , alliant parfaitement protection mécanique à haute température et transfert de chaleur rapide.
- Présentation du produit :
