Датчик теплового потока

Датчик теплового потока — это преобразователь , который генерирует электрический сигнал, пропорциональный общей тепловой мощности , приложенной к поверхности датчика . Измеренная тепловая мощность делится на площадь поверхности датчика для определения теплового потока .

Тепловой поток может иметь разное происхождение; в принципе, можно измерить конвективное , лучистое , а также кондуктивное тепло . Датчики теплового потока известны под разными названиями, например, преобразователи теплового потока, измерители теплового потока или пластины теплового потока. Некоторые приборы на самом деле являются датчиками теплового потока специального назначения, например, пиранометры для измерения солнечного излучения. Другие датчики теплового потока включают датчики Гардона ^[1] (также известные как датчики с круглой фольгой) , тонкопленочные термобатареи ^[2] и датчики Шмидта-Бёльтера ^{[3] .}

Использование

Датчики теплового потока используются для различных приложений. Обычные приложения — это исследования термического сопротивления ограждающих конструкций зданий, исследования воздействия огня и пламени или измерения мощности лазера. Более экзотические приложения включают оценку загрязнения поверхностей котлов , измерение температуры движущегося материала фольги и т. д.

Полный тепловой поток состоит из кондуктивной , конвективной и лучистой частей. В зависимости от приложения, может потребоваться измерить все три эти величины или выбрать 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 .

Примером датчика, чувствительного как к лучистому, так и к конвективному тепловому потоку, является датчик Гардона или Шмидта-Бёльтера, используемый для изучения огня и пламени. Гардон должен измерять конвекцию перпендикулярно поверхности датчика, чтобы быть точным из-за конструкции из круглой фольги, в то время как проволочная геометрия датчика Шмидта-Бёльтера может измерять как перпендикулярные, так и параллельные потоки. В этом случае датчик устанавливается на корпусе с водяным охлаждением. Такие датчики используются при испытаниях на огнестойкость, чтобы придать огню, которому подвергаются образцы, нужный уровень интенсивности.

Существуют различные примеры датчиков, которые внутри себя используют датчики теплового потока, например, измерители мощности лазера , пиранометры и т. д.

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

Применение в метеорологии и сельском хозяйстве

Тепловой поток в почве является важнейшим параметром в агрометеорологических исследованиях, поскольку он позволяет изучать количество энергии, запасенной в почве, в зависимости от времени.

Обычно два или три датчика закапываются в землю вокруг метеорологической станции на глубине около 4 см от поверхности. Проблемы, с которыми сталкиваются в почве, бывают трех видов:

Во-первых, тепловые свойства почвы постоянно меняются из-за поглощения и последующего испарения воды.

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

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

В результате качество данных по измерению теплового потока в почве не контролируется; измерение теплового потока в почве считается чрезвычайно сложным.

Приложения в строительной физике

В мире, все больше озабоченном экономией энергии, изучение тепловых свойств зданий становится все более интересной областью. Одной из отправных точек в этих исследованиях является монтаж датчиков теплового потока на стенах существующих зданий или сооружений, построенных специально для этого типа исследований. Датчики теплового потока, установленные на стенах зданий или компонентах оболочки, могут контролировать количество потери/прироста тепловой энергии через этот компонент и/или могут использоваться для измерения теплового сопротивления оболочки, R-value , или теплопередачи, U-value .

Измерение теплового потока в стенах во многих отношениях сопоставимо с измерением в почве. Однако два основных отличия заключаются в том, что тепловые свойства стены, как правило, не меняются (при условии, что ее влажность не меняется), и в том, что не всегда возможно вставить датчик теплового потока в стену, поэтому его приходится монтировать на ее внутренней или внешней поверхности. Когда датчик теплового потока должен быть установлен на поверхности стены, необходимо позаботиться о том, чтобы добавленное тепловое сопротивление не было слишком большим. Кроме того, спектральные свойства должны максимально соответствовать свойствам стены. Если датчик подвергается воздействию солнечного излучения , это особенно важно. В этом случае следует рассмотреть возможность покраски датчика в тот же цвет, что и стена. Кроме того, в стенах следует рассмотреть возможность использования самокалибрующихся датчиков теплового потока. ^[5]

Применение в медицинских исследованиях

Измерение теплообмена человека имеет важное значение для медицинских исследований, а также при проектировании одежды, гидрокостюмов и спальных мешков. ^[6]

Сложность при этом измерении заключается в том, что человеческая кожа не очень подходит для установки датчиков теплового потока. Кроме того, датчик должен быть тонким: кожа по сути является теплоотводом с постоянной температурой, поэтому следует 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 обеспечения качества измерения, можно рекомендовать использовать самокалибрующийся датчик.

Применение в промышленности

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

Применение в аэрокосмической и взрывчатой промышленности

Специальные решения для измерения теплового потока используются при высокопереходных изменениях температуры. Эти датчики, называемые термопарой MCT, позволяют измерять высокопереходные температуры поверхности. Например, они типичны для тестирования моделей аэродинамической трубы на импульсных установках, изменения температуры стенки цилиндра в течение одного цикла двигателя внутреннего сгорания, всех типов промышленных применений и научно-исследовательских работ, где важна регистрация высокопереходных температур. Доказано, что время отклика датчиков находится в диапазоне нескольких микросекунд. Выходные данные всех датчиков представляют собой зависящую от времени температуру его измерительной части, которая в этом случае может значительно отклоняться от температуры окружающей датчик нагревательной или охлаждающей среды. Например, в поршневом двигателе встроенный в стену датчик температуры регистрирует с его типичным временем отклика изменение температуры стенки цилиндра, а не изменение средней температуры газа внутри цилиндра. Измеренная зависящая от времени температура поверхности датчика и его известные тепловые свойства позволяют пересчитать зависящий от времени тепловой поток из нагревательной среды на датчик, который вызвал изменение температуры датчика. Это достигается с помощью теории теплопроводности в полубесконечное тело. Конструкция датчиков такова, что в течение типичного периода времени около 10 мс выполняются требования тела полубесконечной толщины. Направление выведенного теплового потока перпендикулярно измерительной поверхности датчика.

Характеристики

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

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

Где — выходной сигнал датчика, а — константа калибровки, характерная для данного датчика. $V_{\text{sen}}$ $E_{\text{сен}}$

Общая характеристика датчика теплового потока

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

Обычно используется ряд термопар, соединенных последовательно, называемых термобатареями. Общими преимуществами термобатарей являются их стабильность, низкое омическое значение (что подразумевает малое восприятие электромагнитных помех), хорошее отношение сигнал/шум и тот факт, что нулевой вход дает нулевой выход. Недостатком является низкая чувствительность.

Для лучшего понимания поведения датчика теплового потока его можно смоделировать как простую электрическую цепь, состоящую из сопротивления, и конденсатора, . Таким образом, можно увидеть, что можно приписать датчику тепловое сопротивление , тепловую емкость , а также время отклика . $R$ $С$ $R_{\text{сен}}$ $C_{\text{сен}}$ $\tau _{\text{сен}}$

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

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

В котором толщина датчика, плотность, удельная теплоемкость и теплопроводность . Из этой формулы можно сделать вывод , что свойства материала наполнителя и размеры определяют время отклика. Как правило, время отклика пропорционально толщине в степени два. $д$ $\ро$ $C_{p}$ $\лямбда$

Другими параметрами, определяющими свойства датчика, являются электрические характеристики термопары. Температурная зависимость термопары обуславливает 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. Есть два способа добиться этого:

В качестве первой возможности можно использовать термическую зависимость проводимости наполнителя и материала термопары для компенсации температурной зависимости напряжения, генерируемого термобатареей.

Другой возможностью минимизировать температурную зависимость датчика теплового потока является использование сети сопротивления со встроенным термистором. Температурная зависимость термистора будет уравновешивать температурную зависимость термобатареи.

Другим 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 рисунке выше, например, также будет чувствителен к тепловым потокам слева направо. Этот тип поведения не вызовет проблем, пока потоки однородны и направлены только в одном направлении.

Для обеспечения равномерности чувствительности можно использовать так называемую конструкцию сэндвича, как показано на рисунке слева. Цель пластин, которые имеют высокую проводимость, заключается в содействии переносу тепла по всей чувствительной поверхности.

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

Подводя итог: Внутренние характеристики, которые можно отнести к датчикам теплового потока, это теплопроводность, полное тепловое сопротивление, теплоемкость, время отклика, нелинейность, стабильность, температурная зависимость чувствительности, однородность чувствительности и чувствительность к боковым потокам. Для последних двух характеристик хороший метод количественной оценки неизвестен.

Калибровка тонких преобразователей теплового потока

Для проведения измерений на месте пользователю необходимо предоставить правильную калибровочную константу . Эта константа 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 надлежащим образом экранирована для ограничения внешних воздействий. $E_{сен}$

Подготовка

Для проведения калибровочных измерений необходим вольтметр или регистратор данных с разрешением ±2 мкВ или лучше. Следует избегать воздушных зазоров между слоями в тестовом стеке. Их можно заполнить заполняющими материалами, такими как зубная паста, герметик или шпатлевка. При необходимости можно использовать теплопроводящий гель для улучшения контакта между слоями. ^[7] Датчик температуры следует разместить на датчике или рядом с ним и подключить к считывающему устройству.

Измерение

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

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

где — выходной сигнал датчика, — известный тепловой поток через датчик. $V_{\text{sen}}$ $\фи _{q}$

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

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

Калибровка на месте

Хотя датчики теплового потока обычно поставляются с чувствительностью от производителя, бывают случаи и ситуации, когда требуется повторная калибровка датчика. Особенно в стенах или оболочках зданий датчики теплового потока не могут быть удалены после первоначальной установки или могут быть очень труднодоступны. Для калибровки датчика некоторые из них поставляются со встроенным нагревателем с указанными характеристиками. При подаче известного напряжения и тока через нагреватель обеспечивается контролируемый тепловой поток, который можно использовать для расчета новой чувствительности.

Источники ошибок

Интерпретация результатов измерений датчиков теплового потока часто выполняется в предположении, что изучаемое явление является квазистатическим и происходит в направлении, поперечном поверхности датчика. Динамические эффекты и боковые потоки являются возможными источниками ошибок.

Динамические эффекты

Предположение о квазистатичности условий следует связывать со временем отклика детектора.

Датчик теплового потока как детектор излучения

Случай, когда датчик теплового потока используется как детектор излучения (см. рисунок слева), послужит иллюстрацией эффекта изменения потоков. Предполагая, что холодные соединения датчика имеют постоянную температуру, а энергия течет от , отклик датчика будет следующим: $т>0$

$V_{\text{сен}}=E_{\text{сен}}\left(1-e^{-{\frac {t}{\tau _{\text{сен}}}}}\right)$

Это показывает, что следует ожидать ложного показания в течение периода, который равен нескольким временам отклика, . Как правило, датчики теплового потока довольно медленные и им требуется несколько минут, чтобы достичь 95% отклика. Вот почему предпочитают работать со значениями, которые интегрируются в течение длительного периода; в течение этого периода сигнал датчика будет увеличиваться и уменьшаться. Предполагается, что ошибки из-за длительного времени отклика будут аннулированы. Восходящий сигнал даст ошибку, нисходящий сигнал даст такую же большую ошибку с другим знаком. Это будет справедливо только в том случае, если преобладают периоды со стабильным тепловым потоком. $\tau _{\text{сен}}$

Чтобы избежать ошибок, вызванных большим временем отклика, следует использовать датчики с низким значением , поскольку это произведение определяет время отклика. Другими словами: датчики с малой массой или малой толщиной. $R_{\text{sen}}C_{\text{sen}}$

Уравнение времени отклика датчика выше справедливо до тех пор, пока холодные соединения имеют постоянную температуру. Неожиданный результат показывает, когда температура датчика изменяется.

Предполагая, что температура датчика начинает изменяться на холодных соединениях со скоростью , начиная с , — время отклика датчика, реакция на это будет выглядеть так: ${\frac {\mathrm {d} T}{\mathrm {d} t}}$ $т=0$ $\tau _{\text{сен}}$

Смотрите также

калибр Гардона
Термопара МСТ

Ссылки

^ Р.Гардон, «Прибор для прямого измерения интенсивного теплового излучения», Rev. Sci. Instrum., 24, 366-370, 1953.
^ TE Diller, Достижения в области теплопередачи, т. 23, стр. 297-298, Academic Press, 1993.
^ CT Kidd и CG Nelson, «Как на самом деле работает датчик Шмидта-Бёльтера», Proc. 41st Int. Instrum. Symp., Research Triangle Park, NC: ISA, 1995, 347-368
^ «Пример датчиков для различных применений».
^ "Примечание к применению greenTEG: строительная физика".
^ "GreenTEG | Коэффициент теплопередачи тканей |".
^ ASTM C1130-17 Стандартная практика калибровки тонких преобразователей теплового потока (1.0 ред.). ASTM International (ASTM). 2017 [2017-01-01]. Архивировано из оригинала 2017-11-23 . Получено 2018-05-30 .

Внешние ссылки

Медиа, связанные с датчиком теплового потока на Wikimedia Commons