Warmtestroomsensor of warmtefluxsensor

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 wordt de warmtestroom berekend in watt per vierkante meter.

Foto-1

Foto-2

Foto-3

1: 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

2: 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.

3: Warmtefluxsensor met siliconen omhulsel voor metingen op ruwe oppervlakken

Gebruik van de warmtestroomsensor

Warmtefluxsensoren worden voor verschillende toepassingen gebruikt. Veelvoorkomende toepassingen zijn studies van de thermische weerstand
van een gebouwschil, studies van het effect van vuur en vlammen of laservermogensmetingen. Meer exotische toepassingen zijn onder meer schatting van vervuiling op keteloppervlakken, temperatuurmeting van bewegend foliemateriaal, enz. De totale warmtestroom bestaat uit een geleidend, convectief en stralingsdeel. Afhankelijk van de toepassing wilt u misschien alle drie deze hoeveelheden meten of er één uitkiezen.

Het meten van geleidende warmteflux is een warmtefluxplaat die in een wand is ingebouwd.

Het meten van 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 de 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 stromingen kan meten. In dit geval wordt de sensor op een watergekoelde behuizing gemonteerd. Dergelijke sensoren worden gebruikt bij brandwerendheidstesten om de brand waaraan monsters worden blootgesteld op het juiste intensiteitsniveau te brengen.

Er zijn verschillende voorbeelden van sensoren die intern warmtefluxsensoren gebruiken. Voorbeelden zijn laservermogensmeters, pyranometers, enz. In wat volgt bespreken we drie grote toepassingsgebieden.

Toepassingen in meteorologie en landbouw

Bodemwarmteflux is een zeer belangrijke parameter in agro-meteorologische studies, omdat het ons in staat stelt om de hoeveelheid energie die in de bodem is opgeslagen als functie van de tijd te bestuderen.

Meestal worden twee of drie sensoren begraven in de grond rond een meteorologisch station op een diepte van ongeveer 4 cm onder het oppervlak. De problemen die zich in de bodem voordoen zijn drievoudig:

1: Het feit dat de thermische eigenschappen van de bodem voortdurend veranderen door absorptie en daaropvolgende verdamping van water.

2: Vertegenwoordigt de waterstroom door de bodem ook een energiestroom die gepaard gaat met een thermische schok, die vaak verkeerd
wordt geïnterpreteerd door conventionele sensoren.

3: Het aspect van bodem is dat door het constante proces van bevochtigen en drogen en door de dieren die op de bodem leven, de kwaliteit van
het contact tussen sensor en bodem niet bekend is

Het resultaat van dit alles is dat de kwaliteit van de gegevens in de bodemwarmtefluxmeting niet onder controle is; het meten van bodemwarmteflux wordt als buitengewoon moeilijk beschouwd.

Toepassingen in de bouw

In een wereld die steeds meer bezig is met energiebesparing, is het bestuderen van de thermische eigenschappen van gebouwen een groeiend interessegebied geworden. Een van de uitgangspunten in deze onderzoeken is de montage van warmtefluxsensoren op wanden in bestaande gebouwen of constructies die speciaal voor dit soort onderzoek zijn gebouwd. Warmtefluxsensoren die zijn gemonteerd op de muren van een gebouw of een omhullingscomponent 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 warmtetransmissie, U-waarde te meten.

De meting van warmteflux in wanden is in veel opzichten vergelijkbaar met die in bodem. Twee grote verschillen zijn echter dat de thermische eigenschappen van een wand doorgaans niet veranderen (mits het vochtgehalte niet verandert) en dat het niet altijd mogelijk is om de warmtefluxsensor in de wand te plaatsen, zodat deze gemonteerd op zijn binnen- of buitenoppervlak. Wanneer de warmtefluxsensor op het oppervlak van de muur moet worden gemonteerd, moet men ervoor zorgen 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 warmtefluxsensoren 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 de montage 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 zich kunnen verplaatsen. Het contact tussen de testpersoon en de sensor kan verloren gaan. Om deze reden, wanneer een hoge mate van kwaliteitsborging van de meting vereist is, kan het worden aanbevolen om een zelfkalibrerende sensor te gebruiken.

Toepassingen in de industrie

Warmtefluxsensoren worden ook gebruikt in industriële omgevingen, waar temperatuur en warmteflux veel hoger kunnen zijn. Voorbeelden van
deze omgevingen zijn het smelten van aluminium, zonneconcentratoren, kolengestookte ketels, hoogovens, fakkelsystemen, wervelbedden.

Foto-4

Foto-5

Foto-6

4: 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

5: 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.

6: 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.

Toepassingen in ruimtevaart en explosief onderzoek

Bij zeer voorbijgaande temperatuurveranderingen worden speciale warmtefluxoplossingen gebruikt. Deze meters, Thermokoppel MCT genaamd, maken het meten van zeer tijdelijke oppervlaktetemperaturen mogelijk. Ze zijn bijvoorbeeld typerend voor het testen van windtunnelmodellen in impulsfaciliteiten, de verandering van de cilinderwandtemperatuur tijdens één cyclus van een verbrandingsmotor, alle soorten industriële toepassingen en onderzoeksgericht werk waarbij de registratie van zeer transiënte temperaturen van groot belang is. belang. Het is bewezen dat de responstijd van de meters in het bereik van enkele microseconden ligt. De output van alle meters vertegenwoordigt de tijdsafhankelijke temperatuur van het meetgedeelte dat in dit geval aanzienlijk kan afwijken van de temperatuur van de omgevende verwarmings- of koelomgeving. In een zuigermotor registreert bijvoorbeeld een in de wand gemonteerde temperatuurmeter met zijn typische responstijd de variatie van de cilinderwandtemperatuur
en niet de variatie van de gemiddelde gastemperatuur in de cilinder.

De gemeten tijdsafhankelijke oppervlaktetemperatuur van de meter en zijn bekende thermische eigenschappen maken het mogelijk om de tijdsafhankelijke warmteflux van de verwarmingsomgeving naar de meter te herberekenen die de temperatuurverandering van de meter veroorzaakte. Dit wordt bereikt door de theorie van warmtegeleiding in een semi-oneindig lichaam. Het ontwerp van de meters is zodanig dat gedurende een typische tijdsperiode van ongeveer 10 ms wordt voldaan aan de vereisten van een lichaam met een semi-oneindige dikte.
De richting van de afgeleide warmtestroom staat loodrecht op het meetoppervlak van de meter.

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.

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:

1: 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.

2: Een andere mogelijkheid om de temperatuurafhankelijkheid van een warmtefluxsensor te minimaliseren, is het gebruik van een weerstands-
netwerk 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

Caibratie van dunne warmtefluxsensors

Om in-situ metingen te kunnen doen, moet de gebruiker de juiste kalibratieconstante Esen krijgen. Deze constante wordt ook wel gevoeligheid genoemd. De gevoeligheid wordt primair bepaald door de sensorconstructie en bedrijfstemperaturen, maar ook door de geometrie en materiaaleigenschappen van het te meten object. Daarom moet de sensor worden gekalibreerd onder omstandigheden die dicht bij de omstandigheden van de beoogde toepassing liggen. Ook de kalibratie-opstelling dient goed afgeschermd te zijn om invloeden van buitenaf te beperken.

Voorbereiding

Om een kalibratiemeting te doen heeft men een voltmeter of datalogger nodig met een resolutie van ±2μV of beter. Men moet luchtspleten tussen lagen in de teststapel vermijden. Deze kunnen gevuld worden met vulmaterialen, zoals tandpasta, kit of stopverf. Indien nodig kan thermisch geleidende gel worden gebruikt om het contact tussen de lagen te verbeteren. Een temperatuursensor moet op of bij de sensor worden geplaatst
en worden aangesloten op een uitleesapparaat.

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.

Foutbronnen

De interpretatie van meetresultaten van warmtefluxsensoren wordt vaak gedaan in de veronderstelling dat het bestudeerde fenomeen quasi-statisch is en plaatsvindt in een richting dwars op het sensoroppervlak. Dynamische effecten en laterale fluxen zijn mogelijke foutenbronnen.

Bronnen: Bronnen: Wikipedia-en

Categorieën: Meteorologische instrumenten I Weer A tot Z