Warmtestroomsensor
Een warmtefluxsensor is een transducer die een elektrisch signaal genereert dat evenredig is met de totale warmtesnelheid die op het oppervlak van de sensor wordt toegepast. De gemeten warmtesnelheid wordt gedeeld door het oppervlak van de sensor om de warmtestroom te bepalen. Met siliconen omhulde warmtefluxsensor voor metingen op ruwe oppervlakken

De warmtestroom kan verschillende oorsprong hebben; in principe kan zowel convectieve, stralings- als geleidende warmte worden gemeten. Warmtefluxsensoren zijn bekend onder verschillende namen, zoals warmtefluxopnemers, warmtefluxmeters, warmtefluxplaten. Sommige instrumenten zijn eigenlijk warmtestroomsensoren voor één doel, zoals pyranometers voor het meten van zonnestraling. Andere warmtefluxsensoren zijn onder meer Gardon-meters (ook bekend als een cirkelvormige foliemeter), dunne-film thermozuilen, en Schmidt-Boelter-meters.
In SI-eenheden wordt de warmtesnelheid gemeten in watt en de warmtestroom wordt berekend in watt per vierkante meter.
 
Warmtefluxplaat HFP01. Deze sensor wordt gebruikt bij het meten van de thermische weerstand van en muren, daken. Ook kan deze worden ingegraven om de warmteflux van de bodem te meten. Doorsnede 80 mm
 
Warmtefluxsensor gemonteerd op een raam. Zo kunnen deze worden gebruikt om de R-waarde of U-waarde van bouwschilmaterialen te bepalen terwijl ze nog in gebouwen
zijn geïnstalleerd.
 
Warmtefluxsensor met siliconen omhulsel voor
metingen op ruwe oppervlakken
 
Gebruik van wartestroomsensoren 
 
Warmtestroomsensoren worden gebruikt voor verschillende toepassingen. Veel voorkomende toepassingen zijn onderzoeken naar de thermische weerstand van de bouwschil, onderzoeken
naar het effect van vuur en vlammen of metingen van laservermogen. Meer exotische toepassingen zijn onder meer het schatten van vervuiling op keteloppervlakken, temperatuurmeting van bewegend foliemateriaal, enz. De totale warmteflux is samengesteld uit een geleidend, convectie- en stralingsgedeelte. Afhankelijk van de toepassing kan het zijn dat je alle drie deze hoeveelheden wilt meten of er een uit wilt halen.
 
Een voorbeeld van het meten van geleidende warmteflux is een warmtefluxplaat die in een muur is verwerkt.
Een voorbeeld van het meten van de stralingswarmtefluxdichtheid is een pyranometer voor het meten van zonnestraling.
 
Een voorbeeld van een sensor die gevoelig is voor zowel stralings- als convectieve warmteflux is een Gardon- of Schmidt-Boelter-meter, die wordt gebruikt voor onderzoek naar vuur en vlammen. De Gardon moet convectie loodrecht op het oppervlak van de sensor meten om nauwkeurig te zijn vanwege de cirkelvormige folieconstructie, terwijl de draadgewonden geometrie van de
Schmidt-Boelter-meter zowel loodrechte als parallelle stromen kan meten. In dit geval is de sensor gemonteerd op een watergekoeld lichaam. Dergelijke sensoren worden gebruikt bij brandwerendheidstesten om het vuur waaraan monsters worden blootgesteld op het juiste intensiteitsniveau te brengen.
 
Toepassingen in meteorologie en landbouw
Bodemwarmteflux is een zeer belangrijke parameter in agrometeorologische studies, aangezien men hiermee de hoeveelheid energie die in de bodem is opgeslagen als functie van tijd kan bestuderen. Meestal worden twee of drie sensoren in de grond begraven rond een meteorologisch station op een diepte van ongeveer 4 cm onder het oppervlak. De problemen die men
tegenkomt in de bodem zijn drieledig:
Bodemwarmteflux is een zeer belangrijke parameter in agrometeorologische studies, aangezien men hiermee de hoeveelheid energie die in de bodem is opgeslagen als functie van tijd kan bestuderen. Meestal worden twee of drie sensoren in de grond begraven rond een meteorologisch station op een diepte van ongeveer 4 cm onder het oppervlak. De problemen die men
tegenkomt in de bodem zijn drieledig:
 
- Ten eerste is het feit dat de thermische eigenschappen van de bodem voortdurend veranderen door opname en daaropvolgende verdamping van water.
- Ten tweede vertegenwoordigt de waterstroom door de bodem ook een energiestroom die gepaard gaat met een thermische schok, die vaak verkeerd wordt geïnterpreteerd door
  conventionele sensoren
- Het derde aspect van bodem is dat door het constante proces van natmaken en drogen en door de op de bodem levende dieren de kwaliteit van het contact tussen sensor en bodem
  niet bekend is.
 
Het resultaat van dit alles is dToepassingen in de bouw
In een wereld die steeds meer bezig is met energiebesparing, is het bestuderen van de thermische eigenschappen van gebouwen een groeiend aandachtsgebied geworden. Een van de uitgangspunten bij deze onderzoeken is het monteren van warmtefluxsensoren op muren in bestaande gebouwen of speciaal voor dit soort onderzoek gebouwde constructies. Warmtefluxsensoren die zijn gemonteerd op bouwmuren of omhullingscomponenten kunnen de hoeveelheid warmte-energieverlies / -winst door die component bewaken en / of kunnen worden gebruikt om de thermische weerstand van de omhulling, R-waarde of thermische transmissie, U-waarde te meten.

De meting van de warmteflux in muren is in veel opzichten vergelijkbaar met die in de bodem. Twee grote verschillen zijn echter het feit dat de thermische eigenschappen van een muur over
het algemeen niet veranderen (mits het vochtgehalte niet verandert) en dat het niet altijd mogelijk is om de warmtefluxsensor in de muur te plaatsen, zodat deze gemonteerd op zijn binnen- of buitenoppervlak. Wanneer de warmtefluxsensor op het oppervlak van de muur gemonteerd moet worden, moet er op gelet worden dat de toegevoegde thermische weerstand niet te groot is.
Ook moeten de spectrale eigenschappen zo goed mogelijk overeenkomen met die van de muur. Als de sensor wordt blootgesteld aan zonnestraling, is dit vooral belangrijk. In dit geval zou
men moeten overwegen om de sensor in dezelfde kleur als de muur te schilderen. Ook in muren moet het gebruik van zelfkalibrerende warmtestroomsensoren worden overwogen.
 
Toepassingen in medische studies
Het meten van de warmte-uitwisseling van mensen is van belang voor medische studies, en bij het ontwerpen van kleding, overlevingspakken en slaapzakken. Een moeilijkheid bij deze meting
is dat de menselijke huid niet bijzonder geschikt is voor het monteren van warmtefluxsensoren. Ook moet de sensor dun zijn: de huid is in wezen een koellichaam met constante temperatuur, dus extra thermische weerstand moet worden vermeden. Een ander probleem is dat testpersonen mogelijk in beweging zijn. Het contact tussen de testpersoon en de sensor kan verloren gaan. Om deze reden kan het worden aanbevolen om een zelfkalibrerende sensor te gebruiken wanneer een hoog niveau van kwaliteitsborging van de meting vereist is.  
 
Toepassingen in de industrie
Warmtefluxsensoren worden ook gebruikt in industriële omgevingen, waar de temperatuur en warmteflux veel hoger kunnen zijn. Voorbeelden van deze omgevingen zijn het smelten van aluminium, zonneconcentratoren, kolengestookte ketels, hoogovens, fakkelsystemen, wervelbedden, waterkokers, ...  
 
Warmtefluxsensor met een goudgecoate en een zwartgecoate warmtefluxsensor op een metalen koellichaam. De gouden sensor meet alleen de convectieve warmteflux, de zwarte sensor meet zowel de stralingswarmteflux als de convectieve warmteflux. Een kleine luchttemperatuursensor is toegevoegd om de lokale warmteoverdrachtscoëfficiënten te meten
 
Gardon- of Schmidt Boelter-meter met de belangrijkste componenten van het instrument: metalen behuizing, zwarte sensor, waterkoelingspijp in en uit, montageflens en kabel. Afmetingen: diameter behuizing is 25 mm.
 
Een dunne, zelfkalibrerende warmtefluxsensor. Sensoren die in de constructie zijn ingebed, kunnen soms erg lastig zijn om te verwijderen als ze opnieuw moeten worden gekalibreerd Sommige sensoren bevatten verwarmingselementen om de sensor op zijn plaats te kunnen laten tijdens het opnieuw kalibreren.
 
Werking warmtestroomsensor
 
 Een warmtefluxsensor moet de lokale warmtefluxdichtheid in één richting meten. Het resultaat wordt uitgedrukt in watt per vierkante meter.  Zoals eerder getoond in de figuur links, hebben warmtefluxsensoren over het algemeen de vorm van een vlakke plaat en een gevoeligheid in de richting loodrecht op het sensoroppervlak.

Gewoonlijk wordt een aantal thermokoppels gebruikt die in serie zijn geschakeld, de zogenaamde thermozuilen. Algemene voordelen van thermozuilen zijn hun stabiliteit, lage ohmse waarde (wat weinig opname van elektromagnetische storingen impliceert), goede signaal-ruisverhouding en het feit dat nul input nul output oplevert. Nadeel is de lage gevoeligheid.
Meestal zijn de thermische weerstand en de thermische capaciteit van de gehele warmtefluxsensor gelijk aan die van het vulmateriaal. Door de analogie met het elektrische circuit verder uit te rekken, komt men tot de volgende uitdrukking voor de reactietijd.
 
Algemene kenmerken van een warmtefluxsensor
 
Sandwich constructie
 
Warmtefluxsensor als stralingsdetector
 
Andere parameters die de sensoreigenschappen bepalen, zijn de elektrische eigenschappen van het thermokoppel. De temperatuurafhankelijkheid van het thermokoppel veroorzaakt de temperatuurafhankelijkheid en de niet-lineariteit van de warmtefluxsensor. De niet-lineariteit bij een bepaalde temperatuur is in feite de afgeleide van de temperatuurafhankelijkheid bij die temperatuur. Een goed ontworpen sensor kan echter een lagere temperatuurafhankelijkheid en een betere lineariteit hebben dan verwacht. Er zijn twee manieren om dit te bereiken:
 
- Als eerste mogelijkheid kan de thermische afhankelijkheid van geleidbaarheid van het vulmateriaal en van het thermokoppelmateriaal worden gebruikt om de temperatuurafhankelijkheid
  van de spanning die wordt opgewekt door de thermozuil te compenseren.
- Een andere mogelijkheid om de temperatuurafhankelijkheid van een warmtefluxsensor te minimaliseren, is het gebruik van een weerstandsnetwerk met een ingebouwde thermistor.
  De temperatuurafhankelijkheid van de thermistor zal de temperatuurafhankelijkheid van de thermozuil in evenwicht brengen.
 
Een andere factor die het gedrag van de warmtefluxsensor bepaalt, is de constructie van de sensor. In het bijzonder hebben sommige ontwerpen een sterk ongelijkmatige gevoeligheid.
Anderen vertonen zelfs een gevoeligheid voor laterale fluxen. De sensor schematisch weergegeven in de bovenstaande figuur zou bijvoorbeeld ook gevoelig zijn voor warmtestromen van links
naar rechts. Dit soort gedrag zal geen problemen veroorzaken zolang de fluxen uniform zijn en slechts in één richting.
 
Om de gelijkmatigheid van de gevoeligheid te bevorderen, kan een zogenaamde sandwichconstructie worden gebruikt zoals weergegeven in de figuur hiernaast. Het doel van de platen,
die een hoge geleidbaarheid hebben, is om het transport van warmte over het hele gevoelige oppervlak te bevorderen.

Het is moeilijk om niet-uniformiteit en gevoeligheid voor laterale fluxen te kwantificeren. Sommige sensoren zijn uitgerust met een extra elektrische kabel, waardoor de sensor in twee delen
wordt gesplitst. Als er tijdens het aanbrengen een niet-uniform gedrag is van de sensor of de flux, zal dit resulteren in verschillende outputs van de twee delen.

Samenvattend: De intrinsieke specificaties die kunnen worden toegeschreven aan warmtefluxsensoren zijn thermische geleidbaarheid, totale thermische weerstand, warmtecapaciteit,
reactietijd, niet-lineariteit, stabiliteit, temperatuurafhankelijkheid van gevoeligheid, uniformiteit van gevoeligheid en gevoeligheid voor laterale fluxen. Voor de laatste twee specificaties is een
goede kwantificatiemethode niet bekend
 
Calibratie 
 
Om in-situ metingen te kunnen doen, moet de gebruiker de juiste kalibratieconstante hebben Esen. Deze constante wordt ook wel gevoeligheid genoemd. De gevoeligheid wordt voornamelijk bepaald door de sensorconstructie en bedrijfstemperaturen, maar ook door de geometrie en materiaaleigenschappen van het object dat wordt gemeten. Daarom moet de sensor worden gekalibreerd onder omstandigheden die dicht bij de omstandigheden van de beoogde toepassing liggen. De kalibratieopstelling moet ook goed worden afgeschermd om externe invloeden te beperken.  

De kalibratie wordt gedaan door een gecontroleerde warmteflux door de sensor toe te passen. Door de warme en koude zijde van de stapel te variëren en de spanningen van de
warmtefluxsensor en temperatuursensor te meten, kan de juiste gevoeligheid worden bepaald. Als de sensor op een oppervlak wordt gemonteerd en tijdens de verwachte toepassingen wordt blootgesteld aan convectie en straling, moet bij de kalibratie met dezelfde omstandigheden rekening worden gehouden.

Hoewel warmtefluxsensoren doorgaans door de fabrikant met een gevoeligheid worden geleverd, zijn er tijden en situaties die een herijking van de sensor vereisen. Vooral bij het bouwen van muren of omhullingen kunnen de warmtefluxsensoren na de eerste installatie niet worden verwijderd of kunnen ze erg moeilijk bereikbaar zijn. Om de sensor te kalibreren, worden sommige geleverd met een geïntegreerde verwarming met gespecificeerde kenmerken. Door een bekende spanning op en stroom door de verwarmer aan te leggen, wordt een gecontroleerde warmteflux geleverd die kan worden gebruikt om de nieuwe gevoeligheid te berekenen.
 
Bronnen: toepassingen wordt blootgesteld aan convectie en straling, moet bij de kalibratie met dezelfde omstandigheden rekening worden gehouden.

Hoewel warmtefluxsensoren doorgaans door de fabrikant met een gevoeligheid worden geleverd, zijn er tijden en situaties die een herijking van de sensor vereisen. Vooral bij het bouwen van muren of omhullingen kunnen de warmtefluxsensoren na de eerste installatie niet worden verwijderd of kunnen ze erg moeilijk bereikbaar zijn. Om de sensor te kalibreren, worden sommige geleverd met een geïntegreerde verwarming met gespecificeerde kenmerken. Door een bekende spanning op en stroom door de verwarmer aan te leggen, wordt een gecontroleerde warmteflux geleverd die kan worden gebruikt om de nieuwe gevoeligheid te berekenen.
 
Bronnen: Wikipedia-en 
   
 
web design florida