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 se conocen con 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 la medición de la radiación solar. Otros sensores de flujo de calor incluyen los medidores Gardon [1] (también conocidos como medidores de lámina circular) , las termopilas de película delgada [2] y los medidores Schmidt-Boelter [3] .
Los sensores de flujo de calor se utilizan para una variedad de aplicaciones. Las aplicaciones más comunes son los estudios de la resistencia térmica de la envolvente de los edificios, los estudios del efecto del fuego y las llamas o las mediciones de potencia láser. Las aplicaciones más exóticas incluyen la estimación de la suciedad en las superficies de las calderas , la medición de la temperatura de las láminas en movimiento, etc.
El flujo de calor total se compone de una parte conductiva , una convectiva y una radiactiva . Según la aplicación, es posible que se desee medir las tres cantidades o solo 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 de flujo de calor radiativo es un piranómetro para medir la radiación solar .
Un ejemplo de sensor sensible al flujo de calor radiativo y convectivo es un medidor Gardon o Schmidt-Boelter, que se utiliza para estudios de fuego 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 enrollado del medidor Schmidt-Boelter puede medir flujos tanto perpendiculares como paralelos. En este caso, el sensor está montado en un cuerpo refrigerado por agua. Estos sensores se utilizan en pruebas de resistencia al fuego para poner el fuego al que se exponen las muestras al nivel de intensidad adecuado.
Existen 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, se entierran dos o tres sensores en el suelo alrededor de una estación meteorológica a una profundidad de unos 4 cm por debajo de la superficie. Los problemas que se presentan 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 creciente interés. Uno de los puntos de partida de estos estudios es el montaje de sensores de flujo de calor en las paredes de los edificios existentes o de las estructuras construidas especialmente para este tipo de investigación. Los sensores de flujo de calor montados en las paredes del edificio o en los componentes de la envolvente pueden controlar la cantidad de pérdida/ganancia de energía térmica a través de ese componente y/o pueden utilizarse para medir la resistencia térmica de la envolvente, valor R , o la 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 no cambie su contenido de humedad) y que no siempre es posible insertar el sensor de flujo de calor en la pared, por lo que debe montarse 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. Si el sensor está expuesto a la radiación solar , esto es especialmente importante. En este caso, se debe considerar pintar el sensor del mismo color que la pared. Además, en las paredes se debe considerar el uso de sensores de flujo de calor autocalibrados. [5]
La medición del intercambio de calor de los seres humanos es importante para 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 térmico. Además, el sensor tiene que ser fino: la piel es esencialmente un disipador de calor de temperatura constante, por lo que se debe evitar la resistencia térmica añadida. Otro problema es que las personas que realizan la prueba pueden estar en movimiento. El contacto entre la persona de prueba y el sensor puede perderse. Por este motivo, siempre que se requiera un alto nivel de garantía de 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 más altos. Ejemplos de estos entornos son la fundición de aluminio , los concentradores solares , las calderas de carbón , los altos hornos , los sistemas de antorcha , los lechos fluidizados , los coquizadores , etc.
En caso de cambios de temperatura muy transitorios, se utilizan soluciones especiales de medición de flujo de calor. Estos medidores, llamados termopar MCT, permiten medir temperaturas superficiales muy 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 en los que es importante el registro de temperaturas muy transitorias. Se ha demostrado que el tiempo de respuesta de los medidores está en el rango de unos pocos microsegundos. La salida de todos los medidores representa la temperatura dependiente del tiempo de su parte de medición, 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 montado 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 media del gas dentro del cilindro. La temperatura de superficie dependiente del tiempo medida del medidor y sus propiedades térmicas conocidas permiten recalcular el flujo de calor dependiente del tiempo desde el entorno de calefacción hacia el medidor que causó el cambio de temperatura del medidor. Esto se logra mediante la teoría de la conducción de calor en 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 debe medir la densidad de flujo de calor local en una dirección. El resultado se expresa en vatios por metro cuadrado. El cálculo se realiza de acuerdo con:
¿Dónde está la salida del sensor y es la constante de calibración, específica para el sensor?
Como se muestra anteriormente 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 una pequeña captación de perturbaciones electromagnéticas), su buena relación señal-ruido y el hecho de que la entrada cero da como resultado una salida cero. La desventaja es su 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 manera, se puede ver que se puede atribuir una resistencia térmica , una capacidad térmica y también un tiempo de respuesta al sensor.
Por lo general, la resistencia térmica y la capacidad térmica de todo el sensor de flujo de calor son iguales a las del material de relleno. Si ampliamos aún más la analogía con el circuito eléctrico, se llega a la siguiente expresión para el tiempo de respuesta:
En la que se encuentra 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 dependencia de la temperatura menor y una linealidad mejor de lo esperado. Hay dos formas de lograrlo:
Otro factor que determina el comportamiento del sensor de flujo de calor es la construcción del sensor. En particular, algunos diseños tienen una sensibilidad muy no uniforme. Otros incluso presentan sensibilidad a los flujos laterales. El sensor que se muestra esquemáticamente en la figura anterior, por ejemplo, también sería sensible a los 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 lograr una sensibilidad uniforme, se puede utilizar una construcción denominada sándwich, como se muestra en la figura de la izquierda. El objetivo de las placas, que tienen una alta conductividad, es promover 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 se produce un comportamiento no uniforme del sensor o del flujo, esto dará como resultado salidas diferentes de las dos partes.
En resumen: las especificaciones intrínsecas que se pueden atribuir a los sensores de flujo de calor son la conductividad térmica, la resistencia térmica total, la capacidad térmica, el tiempo de respuesta, la no linealidad, la estabilidad, la dependencia de la sensibilidad con respecto a la temperatura, la uniformidad de la sensibilidad y la sensibilidad a los flujos laterales. No se conoce un buen método de cuantificación para las dos últimas especificaciones.
Para realizar mediciones in situ, el usuario debe disponer de la constante de calibración correcta . Esta constante también se denomina 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 que se mide. Por lo tanto, el sensor debe calibrarse en condiciones cercanas a las condiciones de la aplicación prevista. El equipo de calibración también debe estar adecuadamente protegido para limitar las influencias externas.
Para realizar una medición de calibración, se necesita un voltímetro o un registrador de datos con una resolución de ±2 μV o mejor. Se deben evitar los espacios de aire entre las capas de la pila de prueba. Estos se pueden rellenar con materiales de relleno, como pasta de dientes, masilla o masilla. Si es necesario, se puede utilizar un gel conductor térmico para mejorar el contacto entre las capas. [7] Se debe colocar un sensor de temperatura sobre el sensor o cerca de él 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 previstas, 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 los sensores de flujo de calor suelen incluir una sensibilidad determinada por el fabricante, existen ocasiones y situaciones que requieren una recalibración del sensor. Especialmente en las paredes o envolventes de los edificios, los sensores de flujo de calor no se pueden quitar 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 se puede utilizar para calcular la nueva sensibilidad.
La interpretación de los resultados de las mediciones de los sensores de flujo térmico se realiza a menudo asumiendo que el fenómeno que se estudia es cuasiestático y que 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 que fluye una energía desde , la respuesta del sensor es:
Esto demuestra que se debe esperar una lectura falsa durante un período que equivale a varios tiempos de respuesta. En general, los sensores de flujo de calor son bastante lentos y necesitarán varios minutos para alcanzar el 95 % de respuesta. Esta es la razón por la que se prefiere trabajar con valores que se integran durante un período largo; durante este período, la señal del sensor subirá y bajará. Se supone que los errores debidos a tiempos de respuesta largos se cancelarán. La señal ascendente dará un error, la señal descendente producirá un error igualmente grande con un signo diferente. Esto será válido solo si prevalecen períodos con flujo de calor estable.
Para evitar errores causados por tiempos de respuesta largos, se deben utilizar sensores con un valor bajo de , ya que este producto determina el tiempo de respuesta. En otras palabras: sensores con poca masa o poco espesor.
La ecuación del tiempo de respuesta del sensor anterior se cumple siempre que las juntas frías estén a una temperatura constante. Cuando cambia la temperatura del sensor, se produce un resultado inesperado.
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 Sensor de flujo de calor en Wikimedia Commons
