Un sensor de flujo de calor es un transductor que genera una señal eléctrica proporcional a la tasa de calor total aplicada a la superficie del sensor . La tasa de calor medida se divide por el área de superficie del sensor para determinar el flujo de calor .
El flujo de calor puede tener diferentes orígenes; En principio se puede medir el calor convectivo , radiativo y conductivo . Los sensores de flujo de calor reciben diferentes nombres, como transductores de flujo de calor, medidores de flujo de calor o placas de flujo de calor. Algunos instrumentos son en realidad sensores de flujo de calor de un solo propósito, como los piranómetros para medir la radiación solar. Otros sensores de flujo de calor incluyen medidores Gardon [1] (también conocidos como medidores de lámina circular), termopilas de película delgada , [2] y medidores Schmidt-Boelter. [3]
Los sensores de flujo de calor se utilizan para una variedad de aplicaciones. Las aplicaciones comunes son estudios de resistencia térmica de la envolvente de edificios, estudios del efecto del fuego y las llamas o mediciones de potencia láser. Las aplicaciones más exóticas incluyen la estimación de incrustaciones en las superficies de las calderas , la medición de la temperatura del material de láminas en movimiento, etc.
El flujo de calor total se compone de una parte conductora , convectiva y radiativa . Dependiendo de la aplicación, es posible que desee medir las tres cantidades o seleccionar una.
Un ejemplo de medición del flujo de calor conductivo es una placa de flujo de calor incorporada en una pared.
Un ejemplo de medición de la densidad del flujo de calor radiativo es un piranómetro para medir la radiación solar .
Un ejemplo de sensor sensible tanto al flujo de calor radiativo como al convectivo es un medidor Gardon o Schmidt-Boelter, utilizado para estudios de incendios y llamas. El Gardon debe medir la convección perpendicular a la cara del sensor para ser preciso debido a la construcción de lámina circular, mientras que la geometría de alambre bobinado del medidor Schmidt-Boelter puede medir flujos tanto perpendiculares como paralelos. En este caso el sensor está montado sobre un cuerpo refrigerado por agua. Estos sensores se utilizan en pruebas de resistencia al fuego para poner el fuego al que están expuestas las muestras al nivel de intensidad adecuado.
Hay varios ejemplos de sensores que utilizan internamente sensores de flujo de calor, ejemplos son medidores de potencia láser , piranómetros , etc.
A continuación analizaremos tres grandes campos de aplicación. [4]
El flujo de calor del suelo es un parámetro muy importante en los estudios agrometeorológicos, ya que permite estudiar la cantidad de energía almacenada en el suelo en función del tiempo.
Normalmente, alrededor de una estación meteorológica se entierran dos o tres sensores en el suelo, a una profundidad de unos 4 cm bajo la superficie. Los problemas que se encuentran en el suelo son tres:
El resultado de todo esto es que la calidad de los datos de medición del flujo de calor del suelo no está bajo control; La medición del flujo de calor del suelo se considera extremadamente difícil.
En un mundo cada vez más preocupado por el ahorro de energía, el estudio de las propiedades térmicas de los edificios se ha convertido en un campo de interés creciente. Uno de los puntos de partida de estos estudios es el montaje de sensores de flujo de calor en paredes de edificios existentes o estructuras construidas especialmente para este tipo de investigación. Los sensores de flujo de calor montados en las paredes del edificio o en el componente envolvente pueden monitorear la cantidad de pérdida/ganancia de energía térmica a través de ese componente y/o pueden usarse para medir la resistencia térmica de la envolvente, valor R , o transmitancia térmica, valor U.
La medición del flujo de calor en las paredes es comparable a la del suelo en muchos aspectos. Sin embargo, dos diferencias importantes son el hecho de que las propiedades térmicas de una pared generalmente no cambian (siempre que su contenido de humedad no cambie) y que no siempre es posible insertar el sensor de flujo de calor en la pared, por lo que tiene que ser montado en su superficie interior o exterior. Cuando el sensor de flujo de calor debe montarse en la superficie de la pared, hay que tener cuidado de que la resistencia térmica añadida no sea demasiado grande. Además, las propiedades espectrales deben coincidir lo más posible con las de la pared. Esto es especialmente importante si el sensor está expuesto a la radiación solar . En este caso se debería considerar pintar el sensor del mismo color que la pared. Además, en paredes se debe considerar el uso de sensores de flujo de calor autocalibrables. [5]
La medición del intercambio de calor de los seres humanos es importante en los estudios médicos y en el diseño de ropa, trajes de inmersión y sacos de dormir. [6]
Una dificultad durante esta medición es que la piel humana no es especialmente adecuada para el montaje de sensores de flujo de calor. Además, el sensor tiene que ser delgado: la piel es esencialmente un disipador de calor a temperatura constante, por lo que debe evitarse una mayor resistencia térmica. Otro problema es que las personas de prueba podrían estar moviéndose. Se puede perder el contacto entre la persona que realiza la prueba y el sensor. Por este motivo, siempre que se requiera un alto nivel de aseguramiento de la calidad de la medición, se puede recomendar el uso de un sensor autocalibrado.
Los sensores de flujo de calor también se utilizan en entornos industriales, donde la temperatura y el flujo de calor pueden ser mucho mayores. Ejemplos de estos entornos son la fundición de aluminio , los concentradores solares , las calderas alimentadas con carbón , los altos hornos , los sistemas de antorcha , los lechos fluidizados , los coquizadores ,...
Se utilizan soluciones especiales de flujo de calor en cambios de temperatura altamente transitorios. Estos medidores, llamados Termopar MCT, permiten la medición de temperaturas superficiales altamente transitorias. Por ejemplo, son típicos para probar modelos de túnel de viento en instalaciones de impulso, el cambio de temperatura de la pared del cilindro durante un ciclo de un motor de combustión, todo tipo de aplicaciones industriales y trabajos orientados a la investigación donde el registro de temperaturas altamente transitorias es de importancia. importancia. Se ha demostrado que el tiempo de respuesta de los medidores es del orden de unos pocos microsegundos. La salida de todos los medidores representa la temperatura de su parte de medición, que depende del tiempo y que en este caso puede diferir significativamente de la temperatura del entorno de calefacción o refrigeración que rodea al medidor. Por ejemplo, en un motor de pistón, un medidor de temperatura empotrado en la pared registra con su tiempo de respuesta típico la variación de la temperatura de la pared del cilindro y no la variación de la temperatura promedio del gas dentro del cilindro. La temperatura superficial del medidor medida en función del tiempo y sus propiedades térmicas conocidas permiten recalcular el flujo de calor dependiente del tiempo desde el ambiente de calentamiento al medidor que causó el cambio de temperatura del medidor. Esto se logra mediante la teoría de la conducción de calor hacia un cuerpo semiinfinito. El diseño de los medidores es tal que durante un período de tiempo típico de aproximadamente 10 ms, se cumplen los requisitos de un cuerpo de espesor semiinfinito. La dirección del flujo de calor deducido es perpendicular a la superficie de medición del medidor.
Un sensor de flujo de calor debería medir la densidad del flujo de calor local en una dirección. El resultado se expresa en vatios por metro cuadrado. El cálculo se realiza según:
¿Dónde está la salida del sensor y la constante de calibración, específica para el sensor?
Como se muestra antes en la figura de la izquierda, los sensores de flujo de calor generalmente tienen la forma de una placa plana y una sensibilidad en la dirección perpendicular a la superficie del sensor.
Generalmente se utilizan varios termopares conectados en serie llamados termopilas. Las ventajas generales de las termopilas son su estabilidad, su bajo valor óhmico (lo que implica poca captación de perturbaciones electromagnéticas), buena relación señal-ruido y el hecho de que una entrada nula da una salida nula. La desventaja es la baja sensibilidad.
Para comprender mejor el comportamiento del sensor de flujo de calor, se puede modelar como un circuito eléctrico simple que consta de una resistencia y un condensador . De esta forma se puede observar que se puede atribuir al sensor una resistencia térmica , una capacidad térmica y también un tiempo de respuesta .
Normalmente, la resistencia térmica y la capacidad térmica de todo el sensor de flujo de calor son iguales a las del material de relleno. Ampliando aún más la analogía con el circuito eléctrico, se llega a la siguiente expresión para el tiempo de respuesta:
En el cual está el espesor del sensor, la densidad, la capacidad calorífica específica y la conductividad térmica . De esta fórmula se puede concluir que las propiedades del material de relleno y las dimensiones determinan el tiempo de respuesta. Como regla general, el tiempo de respuesta es proporcional al espesor elevado a dos.
Otros parámetros que determinan las propiedades del sensor son las características eléctricas del termopar. La dependencia de la temperatura del termopar provoca la dependencia de la temperatura y la no linealidad del sensor de flujo de calor. La no linealidad a una determinada temperatura es, de hecho, la derivada de la dependencia de la temperatura a esa temperatura.
Sin embargo, un sensor bien diseñado puede tener una menor dependencia de la temperatura y una mejor linealidad de lo esperado. Hay dos maneras de lograr esto:
Otro factor que determina el comportamiento del sensor de flujo de calor es la construcción del sensor. En particular, algunos diseños tienen una sensibilidad fuertemente no uniforme. Otros incluso muestran sensibilidad a los flujos laterales. El sensor esquemáticamente representado en la figura anterior también sería sensible, por ejemplo, a flujos de calor de izquierda a derecha. Este tipo de comportamiento no causará problemas siempre que los flujos sean uniformes y en una sola dirección.
Para promover la uniformidad de la sensibilidad, se puede utilizar la denominada construcción sándwich, como se muestra en la figura de la izquierda. La función de las placas, que tienen una alta conductividad, es favorecer el transporte de calor a través de toda la superficie sensible.
Es difícil cuantificar la falta de uniformidad y la sensibilidad a los flujos laterales. Algunos sensores están equipados con un cable eléctrico adicional que divide el sensor en dos partes. Si durante la aplicación hay un comportamiento no uniforme del sensor o del flujo, esto dará como resultado diferentes salidas de las dos partes.
Resumiendo: Las especificaciones intrínsecas que se pueden atribuir a los sensores de flujo de calor son conductividad térmica, resistencia térmica total, capacidad calorífica, tiempo de respuesta, no linealidad, estabilidad, dependencia de la sensibilidad con la temperatura, uniformidad de la sensibilidad y sensibilidad a los flujos laterales. Para las dos últimas especificaciones, no se conoce un buen método de cuantificación.
Para realizar mediciones in situ, se debe proporcionar al usuario la constante de calibración correcta . Esta constante también se llama sensibilidad . La sensibilidad está determinada principalmente por la construcción del sensor y las temperaturas de funcionamiento, pero también por la geometría y las propiedades del material del objeto medido. Por lo tanto, el sensor debe calibrarse en condiciones cercanas a las condiciones de la aplicación prevista. La configuración de calibración también debe estar debidamente protegida para limitar las influencias externas.
Para realizar una medición de calibración, se necesita un voltímetro o registrador de datos con una resolución de ±2μV o mejor. Se deben evitar espacios de aire entre las capas de la pila de prueba. Estos se pueden rellenar con materiales de empaste, como pasta de dientes, masilla o masilla. Si es necesario, se puede utilizar gel térmicamente conductor para mejorar el contacto entre capas. [7] Se debe colocar un sensor de temperatura sobre o cerca del sensor y conectarlo a un dispositivo de lectura.
La calibración se realiza aplicando un flujo de calor controlado a través del sensor. Al variar los lados frío y caliente de la chimenea y medir los voltajes del sensor de flujo de calor y del sensor de temperatura, se puede determinar la sensibilidad correcta con:
donde es la salida del sensor y es el flujo de calor conocido a través del sensor.
Si el sensor está montado sobre una superficie y está expuesto a convección y radiación durante las aplicaciones esperadas, se deben tener en cuenta las mismas condiciones durante la calibración.
Realizar mediciones a diferentes temperaturas permite determinar la sensibilidad en función de la temperatura.
Si bien el fabricante suele suministrar los sensores de flujo de calor con una sensibilidad, hay momentos y situaciones que requieren una recalibración del sensor. Especialmente en paredes o cerramientos de edificios, los sensores de flujo de calor no se pueden retirar después de la instalación inicial o pueden ser muy difíciles de alcanzar. Para calibrar el sensor, algunos vienen con un calentador integrado con características específicas. Al aplicar un voltaje conocido y una corriente a través del calentador, se proporciona un flujo de calor controlado que puede usarse para calcular la nueva sensibilidad.
La interpretación de los resultados de las mediciones de los sensores de flujo de calor a menudo se realiza asumiendo que el fenómeno que se estudia es cuasiestático y tiene lugar en una dirección transversal a la superficie del sensor. Los efectos dinámicos y los flujos laterales son posibles fuentes de error.
La suposición de que las condiciones son cuasiestáticas debe estar relacionada con el tiempo de respuesta del detector.
El caso en el que el sensor de flujo de calor se utiliza como detector de radiación (ver figura a la izquierda) servirá para ilustrar el efecto de los flujos cambiantes. Suponiendo que las juntas frías del sensor están a una temperatura constante y fluye energía desde , la respuesta del sensor es:
Esto muestra que se debe esperar una lectura falsa durante un período que equivale a varios tiempos de respuesta . Generalmente, los sensores de flujo de calor son bastante lentos y necesitarán varios minutos para alcanzar el 95% de respuesta. Ésta es la razón por la que se prefiere trabajar con valores que estén integrados durante un largo período; Durante este período la señal del sensor subirá y bajará. Se supone que los errores debidos a tiempos de respuesta prolongados se cancelarán. La señal ascendente dará un error, la señal descendente producirá un error igualmente grande con un signo diferente. Esto será válido sólo si prevalecen períodos con flujo de calor estable.
Para evitar errores causados por tiempos de respuesta prolongados, se deben utilizar sensores con un valor bajo de , ya que este producto determina el tiempo de respuesta. En otras palabras: sensores de poca masa o pequeño espesor.
La ecuación anterior del tiempo de respuesta del sensor se mantiene siempre que las juntas frías estén a una temperatura constante. Un resultado inesperado muestra cuando cambia la temperatura del sensor.
Suponiendo que la temperatura del sensor comienza a cambiar en las juntas frías, a una velocidad de , comenzando en , es el tiempo de respuesta del sensor, la reacción a esto es:
Medios relacionados con el sensor de flujo de calor en Wikimedia Commons
