Ein Wärmeflusssensor nutzt physikalische Effekte um ein Messsignal proportional zum Wärmestrom oder der Wärmestromdichte durch seine Fläche zu generieren. Wärmeflusssensoren werden bei der Produktion kalibriert. Die Wärmestromdichte ergibt sich aus dem gemessenen Wärmestrom pro Fläche des Sensors. Alle Arten von Wärmeübertragung, wie Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung werden gemessen.
Wärmeflusssensoren sind zum Beispiel das Gardon Meter[1], Dünnschichtthermosäulen[2], das Schmidt-Boelter Meter[3], und die Atomlagethermosäulen (Atomic Layer Thermopile =ALTP) Sensoren.[4] Die SI-Einheit des Wärmestroms oder Wärmeflusses ist Watt, die der Wärmestromdichte ist Watt pro Quadratmeter.
Verschiedene Messmethoden wurden entwickelt und eine Kategorisierung nach physikalischem Messprinzip befindet sich in folgender Tabelle.
| Nr. | Kategorie | Beschreibung |
| 1 | Analogie des Stofftransports | Messmethoden, die eine Analogie zwischen Stoff- und Wärmetransport ausnutzen, z. B. Naphthalin-Sublimations-Methode. |
| 2 | Methoden mit direkter Energiezu- und -abfuhr | Die Energiedissipation durch Heizung oder Kühlung eines angeströmten Körpers unter der Annahme eines quasistationären Gleichgewichts zwischen Wärmezufuhr und -verlust liefert den direkten Zusammenhang zwischen Temperaturverlauf und Wärmestrom, z. B. mit einer CTA-Brücke (constant temperature anemometer) betriebene Oberflächenheißfilme. |
| 3 | Kalorimetrische Methoden | Aus dem zeitaufgelösten Oberflächentemperaturverlauf, z. B. gemessen durch Thermoelemente oder Dünnfilme, wird auf Basis eines analytischen Wärmeleitungsmodell (kalorimetrisches Modell mit bekannten Stoffwerten, Cook-Feldermann-Algorithmus) der Wandwärmefluss bestimmt. |
| 4 | Differenzielle Wärmeflussmethoden | Der Temperaturgradient in einem Material mit bekannten thermischen Eigenschaften wird mit Hilfe von Temperatursensoren auf der Ober- und Unterseite des Materials gemessen. Der Temperaturgradient mit den bekannten Stoffeigenschaften ist proportional zum Wandwärmestrom, z. B. Gardon, Schmidt-Boelter-, Mikro-(HFM)-Sensoren. |
| 5 | Methoden basierend auf dem Transversen Seebeck-Effekt (TSE) | Der Transverse Seebeck-Effekt eines thermisch anisotropen Materials liefert ein Messsignal, das einen linearen Zusammenhang mit dem Temperaturgradienten liefert. Der Proportionalitätsfaktor zwischen Temperaturgradient und Wandwärmefluss muss mit Hilfe einer Kalibriermethodik bestimmt werden, z. B. ALTP-Sensoren |
Anwendung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Wärmeflusssensoren werden zum Beispiel zur Qualitätsanalyse von Gebäudeisolierungen oder zur Bestimmung thermischer Eigenschaften von Textilien mit Hilfe des Wärmedurchgangskoeffizienten eingesetzt. Andere Anwendungen sind Messungen von Strömungen in Flüssigkeiten,[5] nicht invasive Körperkern-Temperaturmessung[6] und das Messen der Leistung eines Laserstrahles.[7]
Bauphysik
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Große Mengen Energie sind zum Heizen und Kühlen von Gebäuden nötig. Daher kan es hilfreich sein, mit Hilfe eines Wärmeflusssensors die Qualität der Wärmedämmung von Gebäuden und den Wärmedurchgangskoeffizienten zu bestimmen.[8]
Nach dem Gesetz der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom durch eine Oberfläche, z. B. die einer Gebäudewand, proportional zur Differenz der inneren und äußeren Oberflächentemperatur des Objektes bzw. der Umgebungstemperatur. Dieser Proportionalitätsfaktor ist der Wärmedurchgangskoeffizient oder U-Wert. Je kleiner der U-Wert, desto besser ist die thermische Isolierung.[9]
Textilien
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Der Wärmefluss ist ein wichtiger Parameter bei der Entwicklung von Textilien mit speziellen thermischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Sportbekleidung oder Brandschutzkleidung. Durch das Verwenden eines Wärmeflusssensors kann der thermische Durchgangskoeffizient bestimmt werden. Er stellt eine Verarbeitungs- und Materialeigenschaft dar[10].
Luft- und Raumfahrttechnik, Windkanäle, Triebwerke
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Bestimmung von Wärmelasten ist zentral für die Auslegung von Flugkörpern und Triebwerken. Deren Bestimmung erfolgt zum Beispiel in Windkanälen und Prüfstanden. Auf Grund der instationären Strömungsverhältnisse kommen Wärmeflusssensoren mit hoher zeitlicher Auflösung wie Dünnschicht Thermosäulen und ALTP-Wärmeflusssensoren zum Einsatz. Die ALTPs sind die schnellsten Wärmeflusssensoren und erreichen eine Zeitauflösung im Mikrosekundenbereich.[11][12]
Eigenschaften
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Ein Wärmeflusssensor misst die lokale Wärmestromdichte in eine Richtung. Das Resultat wird in [W/m2] angegeben. Die Berechnung erfolgt mit folgender Formel.
ist das Ausgangssignal des Sensors (eine elektrische Spannung) und ist die Kalibrationskonstante, diese ist sensorspezifisch.
Aufbau
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Wärmeflusssensoren haben eine flache Plattenform und messen Wärmeströme senkrecht zur Sensorfläche.
In den Wärmeflusssensoren sind Thermoelemente in Serie geschaltet (Thermosäule). Der Vorteil dieser Thermosäulen ist ihre Stabilität, ein geringer ohmscher Widerstand mit der Folge geringer elektromagnetischer Störanfälligkeit und einem guten Signal-Stör Verhältnis. Solche Sensoren erfordern keinen Nullpunktabgleich – sie liefern bei fehlendem Wärmestrom auch keine Ausgangsspannung.
Weblinks
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Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ R. Gardon: An instrument for the direct measurement of intense thermal radiation. In: Rev. Sci. Instrum. 24, 1953, S. 366–370.
- ↑ T. E. Diller: Advances in Heat Transfer. Band 23, Academic Press, 1993, S. 297–298.
- ↑ C. T. Kidd, C.G. Nelson: How the Schmidt-Boelter gage really works. In: Proc. 41st Int. Instrum. Symp. ISA, Research Triangle Park, NC 1995, S. 347–368
- ↑ Tim Rödiger: The atomic layer thermopile: a new heat transfer measurement technique in fluid mechanics and thermodynamics (= Thermodynamik). 1. Auflage. Verl. Dr. Hut, München 2010, ISBN 978-3-86853-472-6, doi:10.13140/RG.2.2.31006.45124.
- ↑ ZhengYu Hu: “Clean” heat flux sensor for ash fouling monitoring. (PDF) Abgerufen am 23. Juni 2016.
- ↑ Reto Niedermann et al.: Prediction of human core body temperature using non-invasive measurement methods. In: International Journal of Biometeorology. Band 58, Nr. 1, 13. Juni 2013, ISSN 0020-7128, S. 7–15, doi:10.1007/s00484-013-0687-2.
- ↑ High-precision thermal sensors for laser power detection and heat flux measurements. In: waldytech.com. Abgerufen am 22. Juni 2016.
- ↑ U-Value Measurement instead of U-Value Calculation. In: U-Value and Building Physics. Abgerufen am 22. Juni 2016.
- ↑ U-Value Measurements with greenTEG’s U-Value Kit. greenTEG AG Switzerland: Thermal Sensing & Energy Harvesting, 1. Dezember 2015, abgerufen am 22. Juni 2016.
- ↑ Zeinab S. Abdel-Rehim et al.: Textile Fabrics as Thermal Insulators. In: Autex Research Journal. Band 6, Nr. 3, September 2006 (autexrj.com [PDF; abgerufen am 23. Juni 2016]).
- ↑ Helmut Knauss, Tim Roediger, Dimitry A. Bountin, Boris V. Smorodsky, Anatoly A. Maslov, Julio Srulijes: Novel Sensor for Fast Heat Flux Measurements. In: Journal of Spacecraft and Rockets. Band 46, Nr. 2, März 2009, ISSN 0022-4650, S. 255–265, doi:10.2514/1.32011 (aiaa.org [abgerufen am 24. Februar 2025]).
- ↑ Nick T. Tiliakos, Jeff DeSorbo, Nick Martin, Valerio Viti, Stuart J. Laurence, Oded Rabin: A Roadmap for Obtaining and Implementing Heat Flux Measurements in the Hypersonic Environment. In: 23rd AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference (= International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conferences). American Institute of Aeronautics and Astronautics, 10. März 2020, doi:10.2514/6.2020-2448 (aiaa.org [abgerufen am 24. Februar 2025]).