Датчик теплового потока

Типовая пластина теплового потока, HFP01. Этот датчик обычно используется для измерения теплового сопротивления и теплового потока ограждающих конструкций зданий (стен, крыш). Также датчик этого типа можно врыть в землю для измерения теплового потока почвы. Диаметр 80 мм

Датчик теплового потока установлен на окне. Датчики теплового потока могут использоваться таким образом для определения R-value или U-value материалов ограждающих конструкций здания, пока они еще установлены в зданиях.

Датчик теплового потока представляет собой датчик , который генерирует электрический сигнал, пропорциональный суммарной тепловой мощности , приложенной к поверхности датчика. Измеренная тепловая мощность делится на площадь поверхности датчика для определения теплового потока .

Датчик теплового потока в кремниевом корпусе для измерений на неровных поверхностях

Тепловой поток может иметь различное происхождение; в принципе можно измерить конвективное, излучательное и кондуктивное тепло. Датчики теплового потока известны под разными названиями, например, преобразователи теплового потока, датчики теплового потока, пластины теплового потока. Некоторые инструменты на самом деле являются одноцелевыми датчиками теплового потока, например пиранометрами для измерения солнечного излучения. Другие датчики теплового потока включают в себя Gardon датчики ^[1] (также известный как датчик круговой фольги), тонкопленочные термобатареи , ^[2] и датчики Шмидт-Boelter. ^[3] В единицах СИ тепловая мощность измеряется в ваттах , а тепловой поток рассчитывается в ваттах. на квадратный метр.

Использование [ править ]

Датчики теплового потока используются для множества приложений. Обычными приложениями являются исследования теплового сопротивления ограждающих конструкций зданий, исследования воздействия огня и пламени или измерения мощности лазера. Более экзотические применения включают оценку загрязнения поверхностей котла , измерение температуры движущегося фольги и т. Д.

Общий тепловой поток состоит из проводящей , конвективной и излучающей частей. В зависимости от приложения может потребоваться измерить все три из этих величин или выделить одну.

Примером измерения кондуктивного теплового потока является пластина теплового потока, встроенная в стену.

Примером измерения плотности лучистого теплового потока является пиранометр для измерения солнечной радиации .

Пример датчика , чувствительного к радиационному, а также конвективный поток тепла является Gardon или Шмидт-Boelter датчик, используемый для изучения огня и пламени. Gardon должен измерять конвекцию перпендикулярно к поверхности датчика , чтобы быть точными из - за строительства на круговую фольге, в то время как геометрия проволочного датчика Шмидт-Boelter может измерять как перпендикулярны и параллельно потоки. В этом случае датчик устанавливается на корпусе с водяным охлаждением. Такие датчики используются при испытании на огнестойкость, чтобы поставить огонь, которому подвергаются образцы, с нужным уровнем интенсивности.

Существуют различные примеры датчиков, которые используют внутренние датчики теплового потока, например, измерители мощности лазера , пиранометры и т. Д.

Далее мы обсудим три большие области применения. ^[4]

Приложения в метеорологии и сельском хозяйстве [ править ]

Поток тепла в почве является наиболее важным параметром в агрометеорологических исследованиях, поскольку он позволяет изучать количество энергии, запасенной в почве, как функцию времени.

Обычно два или три датчика закапываются в землю вокруг метеорологической станции на глубине около 4 см от поверхности. В почве встречаются три проблемы:

Во-первых, термические свойства почвы постоянно меняются за счет поглощения и последующего испарения воды.

Во-вторых, поток воды через почву также представляет собой поток энергии, идущий вместе с тепловым ударом , который часто неверно интерпретируется обычными датчиками.

Третий аспект почвы заключается в том, что из-за постоянного процесса увлажнения и высыхания, а также животными, живущими на почве, качество контакта между датчиком и почвой неизвестно.

Результатом всего этого является неконтролируемое качество данных при измерении теплового потока почвы; Считается, что измерение теплового потока почвы крайне затруднительно.

Приложения в строительной физике [ править ]

В мире, который все больше заботится об экономии энергии, изучение тепловых свойств зданий становится все более актуальной областью интереса. Одной из отправных точек в этих исследованиях является установка датчиков теплового потока на стенах в существующих зданиях или сооружениях, построенных специально для этого типа исследований. Тепловой поток датчики установлены на стенах зданий или конверт компонента может контролировать количество потерь тепловой энергии / усиления через этот компонент и / или могут быть использованы для измерения огибающей теплового сопротивления, R-значение , или коэффициент теплопередачи, U-значение .

Измерение теплового потока в стенах во многом сравнимо с измерением в грунте. Однако два основных отличия заключаются в том, что тепловые свойства стены обычно не меняются (при условии, что содержание влаги в ней не меняется) и что не всегда можно вставить датчик теплового потока в стену, поэтому он должен быть устанавливается на его внутренней или внешней поверхности. Когда датчик теплового потока должен быть установлен на поверхности стены, следует позаботиться о том, чтобы добавленное тепловое сопротивление не было слишком большим. Кроме того, спектральные свойства должны как можно точнее соответствовать характеристикам стены. Если датчик подвергается воздействию солнечного излучения, это особенно важно. В этом случае следует рассмотреть возможность окраски датчика в цвет стены. Также в стенах следует рассмотреть возможность использования самокалибрующихся датчиков теплового потока. ^{[5] [6]}

Приложения в медицинских исследованиях [ править ]

Измерение теплообмена человека имеет важное значение для медицинских исследований, а также при разработке одежды, гидрокостюмов и спальных мешков.

Сложность при проведении этого измерения заключается в том, что кожа человека не особенно подходит для установки датчиков теплового потока. Кроме того, датчик должен быть тонким: кожа по существу представляет собой теплоотвод с постоянной температурой, поэтому необходимо избегать дополнительного теплового сопротивления. Другая проблема заключается в том, что испытуемые могут двигаться. Контакт между испытуемым и датчиком может быть потерян. По этой причине, когда требуется высокий уровень гарантии качества измерения, можно рекомендовать использовать самокалибрующийся датчик.

Применение в промышленности [ править ]

Датчики теплового потока также используются в промышленных условиях, где температура и тепловой поток могут быть намного выше. Примерами таких сред являются плавка алюминия , солнечные концентраторы , угольные котлы , доменные печи , факельные системы , псевдоожиженный слой , коксовые установки , ...

Свойства [ править ]

Датчик теплового потока должен измерять локальную плотность теплового потока в одном направлении. Результат выражается в ваттах на квадратный метр. Расчет производится по:

${\ displaystyle \ phi _ {q} = {\ frac {V _ {\ mathrm {sen}}} {E _ {\ mathrm {sen}}}}}$

Где - выходной сигнал датчика, а - калибровочная константа, специфичная для датчика.${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {сен}}}$${\ displaystyle E _ {\ mathrm {sen}}}$

Как показано на рисунке слева, датчики теплового потока обычно имеют форму плоской пластины и чувствительность в направлении, перпендикулярном поверхности датчика.

Обычно используется несколько последовательно соединенных термопар, называемых термобатареями. Основными преимуществами термобатареи являются их стабильность, низкое значение омического сопротивления (что подразумевает небольшое поглощение электромагнитных помех), хорошее соотношение сигнал-шум и тот факт, что нулевой вход дает нулевой выход. Недостатком является низкая чувствительность.

Для лучшего понимания поведения датчика теплового потока, он может быть смоделирована как простой электрической цепи , состоящей из сопротивления, и конденсатора, . Таким образом, можно увидеть, что датчику можно приписать тепловое сопротивление , теплоемкость, а также время отклика .${\ displaystyle R}$${\ displaystyle C}$${\ Displaystyle R _ {\ mathrm {сен}}}$${\displaystyle C_{\mathrm {sen} }}$${\displaystyle \tau _{\mathrm {sen} }}$

Обычно тепловое сопротивление и теплоемкость всего датчика теплового потока равны таковым у заполняющего материала. Продолжая аналогию с электрической схемой, мы приходим к следующему выражению для времени отклика:

${\displaystyle \tau _{\mathrm {sen} }=R_{\mathrm {sen} }C_{\mathrm {sen} }={\frac {d^{2}\rho C_{p}}{\lambda }}}$

В котором толщина датчика, плотность, емкость и удельная теплоемкость теплопроводность . Из этой формулы можно сделать вывод, что свойства материала наполнителя и его размеры определяют время отклика. Как показывает практика, время отклика пропорционально толщине в степени двойки.${\displaystyle d}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle C_{p}}$${\displaystyle \lambda }$

Другими параметрами, определяющими свойства датчика, являются электрические характеристики термопары. Температурная зависимость термопары вызывает температурную зависимость и нелинейность датчика теплового потока. Нелинейность при определенной температуре фактически является производной температурной зависимости при этой температуре.

Однако хорошо спроектированный датчик может иметь более низкую температурную зависимость и лучшую линейность, чем ожидалось. Этого можно добиться двумя способами:

В качестве первой возможности можно использовать тепловую зависимость проводимости материала наполнителя и материала термопары для уравновешивания температурной зависимости напряжения, создаваемого термобатареей.

Другая возможность минимизировать температурную зависимость датчика теплового потока - использовать резистивную цепь со встроенным термистором. Температурная зависимость термистора уравновесит температурную зависимость термобатареи.

Еще одним фактором, определяющим поведение датчика теплового потока, является конструкция датчика. В частности, некоторые конструкции имеют сильно неоднородную чувствительность. Другие даже проявляют чувствительность к боковым потокам. Датчик, схематически представленный на приведенном выше рисунке, например, также будет чувствителен к тепловым потокам слева направо. Такое поведение не вызовет проблем, пока потоки однородны и только в одном направлении.

Для обеспечения однородности чувствительности можно использовать так называемую многослойную конструкцию, как показано на рисунке слева. Назначение пластин, обладающих высокой проводимостью, - способствовать передаче тепла по всей чувствительной поверхности.

Трудно количественно оценить неоднородность и чувствительность к боковым потокам. Некоторые датчики оснащены дополнительным электрическим проводом, разделяющим датчик на две части. Если во время нанесения наблюдается неоднородное поведение датчика или потока, это приведет к разным выходным сигналам двух частей.

Подводя итог: К внутренним характеристикам, которые можно отнести к датчикам теплового потока, относятся теплопроводность, общее тепловое сопротивление, теплоемкость, время отклика, нелинейность, стабильность, температурная зависимость чувствительности, однородность чувствительности и чувствительность к боковым потокам. Для последних двух спецификаций хороший метод количественной оценки неизвестен.

Калибровка тонких преобразователей теплового потока [ править ]

Для проведения измерений на месте пользователю должна быть предоставлена ​​правильная калибровочная константа . Эта постоянная также называется чувствительностью . Чувствительность в первую очередь определяется конструкцией датчика и рабочими температурами, а также геометрией и свойствами материала измеряемого объекта. Поэтому датчик следует калибровать в условиях, близких к условиям предполагаемого применения. Калибровочная установка также должна быть должным образом экранирована для ограничения внешних воздействий.${\displaystyle E_{sen}}$

Подготовка [ править ]

Для калибровочного измерения необходим вольтметр или регистратор данных с разрешением ± 2 мкВ или лучше. Следует избегать образования воздушных зазоров между слоями в тестовой стопке. Они могут быть заполнены пломбировочными материалами, такими как зубная паста, герметик или замазка. При необходимости можно использовать теплопроводящий гель для улучшения контакта между слоями. ^[7] Датчик температуры должен быть размещен на датчике или рядом с ним и подключен к считывающему устройству.

Измерение [ править ]

Калибровка выполняется путем подачи контролируемого теплового потока через датчик. Изменяя горячую и холодную стороны батареи и измеряя напряжения датчика теплового потока и датчика температуры, правильную чувствительность можно определить с помощью:

${\displaystyle E_{sen}={\frac {V_{sen}}{\phi _{q}}}}$

где - выходной сигнал датчика, а - известный тепловой поток через датчик.${\displaystyle V_{sen}}$${\displaystyle \phi _{q}}$

Если датчик установлен на поверхности и подвергается воздействию конвекции и излучения во время ожидаемых применений, те же условия следует учитывать при калибровке.

Выполнение измерений при различных температурах позволяет определить чувствительность в зависимости от температуры.

Калибровка на месте [ править ]

Хотя датчики теплового потока обычно поставляются производителем с чувствительностью, бывают случаи и ситуации, когда требуется повторная калибровка датчика. Датчики теплового потока не могут быть удалены после первоначальной установки или могут быть очень труднодоступными, особенно в стенах или ограждающих конструкциях зданий. Для калибровки датчика некоторые поставляются со встроенным нагревателем с заданными характеристиками. Путем приложения известного напряжения и тока через нагреватель обеспечивается контролируемый тепловой поток, который можно использовать для расчета новой чувствительности.

Источники ошибок [ править ]

Интерпретация результатов измерений датчиков теплового потока часто выполняется в предположении, что изучаемое явление является квазистатическим и имеет место в направлении, поперечном к поверхности датчика. Возможными источниками ошибок являются динамические эффекты и боковые потоки.

Динамические эффекты [ править ]

Предположение, что условия являются квазистатическими, должно быть связано со временем отклика детектора.

Случай, когда датчик теплового потока используется в качестве детектора излучения (см. Рисунок слева), будет служить для иллюстрации эффекта изменения потоков. Если предположить, что холодные соединения датчика имеют постоянную температуру и от них течет энергия , реакция датчика будет следующей:${\displaystyle t>0}$${\displaystyle V_{\mathrm {sen} }=E_{\mathrm {sen} }\left(1-e^{-{\frac {t}{\tau _{\mathrm {sen} }}}}\right)}$

Это показывает , что следует ожидать ложные показания в течение периода , который равен несколько раз отклика, . Обычно датчики теплового потока работают довольно медленно, и для достижения 95% отклика потребуется несколько минут. Это причина, по которой люди предпочитают работать с ценностями, которые интегрированы в течение длительного периода; в это время сигнал датчика будет повышаться и понижаться. Предполагается, что ошибки из-за длительного времени отклика будут отменены. Восходящий сигнал выдаст ошибку, нисходящий сигнал выдаст такую ​​же большую ошибку с другим знаком. Это будет справедливо только в том случае, если преобладают периоды стабильного теплового потока.${\displaystyle \tau _{\mathrm {sen} }}$

Чтобы избежать ошибок, вызванных большим временем отклика, следует использовать датчики с низким значением , так как этот продукт определяет время отклика. Другими словами: датчики с малой массой или небольшой толщиной.${\displaystyle R_{\mathrm {sen} }C_{\mathrm {sen} }}$

Вышеприведенное уравнение времени отклика датчика остается в силе, пока холодные соединения имеют постоянную температуру. Неожиданный результат проявляется при изменении температуры датчика.

Предполагая, что температура датчика начинает изменяться в холодных стыках, со скоростью , начиная с , является временем отклика датчика, реакция на это будет следующей:${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} T}{\mathrm {d} t}}}$${\displaystyle t=0}$${\displaystyle \tau _{\mathrm {sen} }}$

См. Также [ править ]

• Датчик Гардона

Ссылки [ править ]