Датчик теплового потока

Датчик теплового потока представляет собой преобразователь , который генерирует электрический сигнал, пропорциональный общей скорости нагрева, приложенной к поверхности датчика . Измеренная скорость нагрева делится на площадь поверхности датчика для определения теплового потока .

Тепловой поток может иметь различное происхождение; В принципе, конвективное , радиационное, а также кондуктивное тепло можно измерить . Датчики теплового потока известны под разными названиями, например, датчики теплового потока, измерители теплового потока или пластины теплового потока. Некоторые приборы на самом деле представляют собой одноцелевые датчики теплового потока, например пиранометры для измерения солнечного излучения. Другие датчики теплового потока включают датчики Гардона. ^[1] (также известный как калибр из круглой фольги), тонкопленочные термобатареи , ^[2] и манометры Шмидта-Бельтера. ^[3]

Использование

Датчики теплового потока используются для различных применений. Обычными применениями являются исследования термического сопротивления ограждающих конструкций, исследования воздействия огня и пламени или измерения мощности лазера. Более экзотические применения включают оценку загрязнения поверхностей котла , измерение температуры движущегося материала фольги и т. д.

Общий тепловой поток состоит из кондуктивной , конвективной и радиационной частей. В зависимости от применения можно измерить все три этих величины или выделить одну.

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

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

Примером датчика, чувствительного как к радиационному, так и к конвективному тепловому потоку, является датчик Гардона или Шмидта-Бельтера, используемый для исследования огня и пламени. Гардон . должен измерять конвекцию перпендикулярно лицевой стороне датчика, чтобы быть точным из-за конструкции круглой фольги, в то время как геометрия датчика Шмидта-Бельтера с проволочной обмоткой может измерять как перпендикулярные, так и параллельные потоки В этом случае датчик монтируется на корпусе с водяным охлаждением. Такие датчики используются при испытаниях на огнестойкость, чтобы довести огонь, которому подвергаются образцы, до нужного уровня интенсивности.

Существуют различные примеры датчиков, внутри которых используются 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

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

Обычно два или три датчика закапывают в землю вокруг метеостанции на глубине около 4 см от поверхности. Проблемы, с которыми сталкиваются в почве, трояки:

Во-первых, это тот факт, что термические свойства почвы постоянно изменяются за счет 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 в почве, качество контакта между датчиком и почвой неизвестно.

Результатом всего этого является то, что качество данных измерения теплового потока почвы не находится под контролем; измерение теплового потока почвы считается чрезвычайно сложной задачей.

Приложения в строительной физике

В мире, который все больше озабочен вопросами экономии энергии, изучение тепловых свойств зданий становится все более растущей областью интереса. Одним из отправных пунктов в этих исследованиях является монтаж датчиков теплового потока на стенах существующих зданий или сооружений, построенных специально для такого рода исследований. Датчики теплового потока, установленные на стенах здания или компоненте оболочки, могут контролировать величину потерь/прибылей тепловой энергии через этот компонент и/или могут использоваться для измерения теплового сопротивления оболочки, R , или коэффициента теплопередачи, значения U. значения

Измерение теплового потока в стенах во многом сравнимо с измерением теплового потока в почве. Однако двумя основными отличиями являются тот факт, что тепловые свойства стены обычно не изменяются (при условии, что ее влажность не меняется) и что не всегда возможно вставить датчик теплового потока в стену, поэтому его необходимо крепится на его внутренней или внешней поверхности.Если датчик теплового потока необходимо установить на поверхности стены, необходимо позаботиться о том, чтобы добавленное тепловое сопротивление не было слишком большим. Кроме того, спектральные свойства должны максимально соответствовать характеристикам стены. Если датчик подвергается солнечному излучению , это особенно важно. В этом случае следует рассмотреть возможность покраски датчика в цвет стены. Кроме того, в стенах следует рассмотреть возможность использования самокалибровающихся 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 состоит в том, что кожа человека не особенно 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 самокалибровающийся датчик.

Применение в промышленности

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 , кипящие слои , печи коксования ,...

Применение в аэрокосмических и взрывных исследованиях.

Специальные решения для теплового потока используются при резких переходных изменениях температуры. Эти датчики, называемые термопарами MCT, позволяют измерять кратковременные температуры поверхности. Например, они характерны для испытаний моделей аэродинамических труб в импульсных установках, изменения температуры стенки цилиндра в течение одного цикла двигателя внутреннего сгорания, всех видов промышленного применения, а также научно-исследовательских работ, где регистрация сильнопереходных температур имеет важное значение. важность. Доказано, что время отклика датчиков находится в диапазоне нескольких микросекунд.Выходной сигнал всех датчиков представляет собой зависящую от времени температуру его измерительной части, которая в этом случае может значительно отклоняться от температуры нагревающей или охлаждающей среды, окружающей датчик. Например, в поршневом двигателе датчик температуры, установленный заподлицо на стене, с типичным временем срабатывания регистрирует изменение температуры стенки цилиндра, а не изменение средней температуры газа внутри цилиндра. Измеренная зависящая от времени температура поверхности датчика и ее известные тепловые свойства позволяют пересчитать зависящий от времени тепловой поток из нагревающейся среды на датчик, вызвавший изменение температуры датчика. Это достигается теорией теплопроводности в полубесконечное тело. Конструкция датчиков такова, что в течение типичного периода времени около 10 мс выполняются требования к телу 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:

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

Где $V_{\text{sen}}$ выходной сигнал датчика и $E_{\text{sen}}$ — калибровочная константа, специфичная для датчика.

Общие характеристики датчика теплового потока

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

несколько последовательно соединенных термопар Обычно используется , называемых термобатареями. Общими преимуществами термобатарей являются их стабильность, низкое сопротивление (что предполагает незначительное воздействие электромагнитных помех), хорошее соотношение сигнал-шум и тот факт, что нулевой входной сигнал дает нулевой выходной сигнал. Недостатком является низкая чувствительность.

Для лучшего понимания поведения датчика теплового потока его можно смоделировать как простую электрическую цепь, состоящую из сопротивления, $R$ и конденсатор, $C$ . Таким образом, можно видеть, что можно приписать термическое сопротивление $R_{\text{sen}}$ , теплоемкость $C_{\text{sen}}$ а также время ответа $\tau _{\text{sen}}$ к датчику.

Обычно термическое сопротивление и теплоемкость всего датчика теплового потока равны характеристикам наполнителя. Продолжая аналогию с электрической цепью, можно прийти к следующему выражению для времени срабатывания:

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

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

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 меньшую температурную зависимость и лучшую линейность, чем ожидалось. Есть два способа добиться этого:

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

Другая возможность минимизировать температурную зависимость датчика теплового потока — использовать резистивную сеть 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 неравномерную чувствительность. Другие даже проявляют чувствительность к боковым потокам. Датчик, схематически представленный на рисунке выше, например, также будет чувствителен к тепловым потокам слева направо. Такое поведение не вызовет проблем, если потоки однородны и направлены только в одном направлении.

Для обеспечения единообразия чувствительности можно использовать так называемую сэндвич-конструкцию, как показано на рисунке слева. Целью пластин, обладающих высокой проводимостью, является содействие переносу тепла по всей чувствительной поверхности.

Трудно количественно оценить неравномерность и чувствительность к боковым потокам. Некоторые датчики оснащены дополнительным электрическим проводом, 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: К внутренним характеристикам, которые можно отнести к датчикам теплового потока, относятся теплопроводность, общее термическое сопротивление, теплоемкость, время отклика, нелинейность, стабильность, температурная зависимость чувствительности, однородность чувствительности и чувствительность к боковым потокам. Для двух последних спецификаций хороший метод количественного определения неизвестен.

Калибровка тонких преобразователей теплового потока

Для проведения измерений на месте пользователю должна быть предоставлена правильная калибровочная константа. $E_{sen}$ . Эту константу еще называют чувствительностью . Чувствительность в первую очередь определяется конструкцией датчика и рабочей температурой, 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.

Подготовка

Для проведения калибровочных измерений необходим вольтметр или регистратор данных с разрешением ±2 мкВ или выше. Следует избегать воздушных зазоров между слоями в тестовом пакете. Их можно заполнить наполнителями, такими как зубная паста, герметик или замазка. При необходимости для улучшения контакта между слоями можно использовать теплопроводящий гель. ^[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 батареи и измеряя напряжения датчика теплового потока и датчика температуры, правильную чувствительность можно определить с помощью:

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

где $V_{\text{sen}}$ выходной сигнал датчика и $\phi _{q}$ – известный тепловой поток через датчик.

Если датчик установлен на поверхности и во время предполагаемого применения подвергается воздействию конвекции и радиации, 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 имеют чувствительность, указанную производителем, бывают случаи и ситуации, когда требуется повторная калибровка датчика. Датчики теплового потока невозможно снять после первоначальной установки, особенно в стенах или ограждающих конструкциях зданий, или к ним может быть очень трудно добраться. Для калибровки датчика некоторые модели оснащены встроенным нагревателем с заданными характеристиками. Подавая известное напряжение и ток через нагреватель, обеспечивается контролируемый тепловой поток, который можно использовать для расчета новой чувствительности.

Источники ошибок

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

Динамические эффекты

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

Датчик теплового потока в качестве детектора радиации

Случай, когда датчик теплового потока используется в качестве детектора излучения (см. рисунок слева), будет служить иллюстрацией эффекта изменения потоков. Предполагая, что холодные соединения датчика имеют постоянную температуру и энергия течет от $t>0$ , реакция датчика:

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

Это показывает, что следует ожидать ложных показаний в течение периода, равного нескольким временам отклика. $\tau _{\text{sen}}$ . Как правило, датчики теплового потока работают довольно медленно, и для достижения 95% срабатывания потребуется несколько минут. Именно по этой причине предпочитают работать с ценностями, которые интегрированы в течение длительного периода; в течение этого периода сигнал датчика будет то повышаться, то понижаться. Предполагается, что ошибки, вызванные длительным временем отклика, будут отменены. Восходящий сигнал даст ошибку, нисходящий сигнал даст такую же большую ошибку, но с другим знаком. Это будет справедливо только в том случае, если преобладают периоды со стабильным тепловым потоком.

Чтобы избежать ошибок, вызванных большим временем отклика, следует использовать датчики с низким значением $R_{\text{sen}}C_{\text{sen}}$ , поскольку этот продукт определяет время отклика. Другими словами: датчики малой массы или небольшой толщины.

Приведенное выше уравнение времени отклика датчика справедливо до тех пор, пока холодные соединения имеют постоянную температуру. Неожиданный результат показывает при изменении температуры датчика.

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

См. также

Ссылки

^ Р.Гардон, «Прибор для прямого измерения интенсивного теплового излучения», Rev. Sci. Инструмент., 24, 366–370, 1953.
^ Т.Э. Диллер, Достижения в области теплопередачи, Vol. 23, с.297-298, Академик Пресс, 1993.
^ К. Т. Кидд и К. Г. Нельсон, «Как на самом деле работает датчик Шмидта-Бельтера», Proc. 41-й международный Инструмент. Symp., Research Triangle Park, Северная Каролина: ISA, 1995, 347–368.
^ «Пример датчиков для разных применений» .
^ «Примечания по применению greenTEG: строительная физика» .
^ «GreenTEG | Коэффициент теплопередачи тканей |» .
^ ASTM C1130-17 Стандартная практика калибровки тонких датчиков теплового потока (1.0-ред.). ASTM International (ASTM). 2017 [2017-01-01]. Архивировано из оригинала 23 ноября 2017 г. Проверено 30 мая 2018 г.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с датчиком теплового потока, на Викискладе?

[1] Р.Гардон, «Прибор для прямого измерения интенсивного теплового излучения», Rev. Sci. Инструмент., 24, 366–370, 1953.

[2] Т.Э. Диллер, Достижения в области теплопередачи, Vol. 23, с.297-298, Академик Пресс, 1993.

[3] К. Т. Кидд и К. Г. Нельсон, «Как на самом деле работает датчик Шмидта-Бельтера», Proc. 41-й международный Инструмент. Symp., Research Triangle Park, Северная Каролина: ISA, 1995, 347–368.

[Hukseflux_Applications_and_Specifications-4] «Пример датчиков для разных применений» .

[greenTEG_application_note-5] «Примечания по применению greenTEG: строительная физика» .

[6] «GreenTEG | Коэффициент теплопередачи тканей |» .

[ASTM_C_1130-7] ASTM C1130-17 Стандартная практика калибровки тонких датчиков теплового потока (1.0-ред.). ASTM International (ASTM). 2017 [2017-01-01]. Архивировано из оригинала 23 ноября 2017 г. Проверено 30 мая 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]