Wärmeflusssensor

Dieser Artikel wurde in die Qualitätssicherung der Redaktion Physik eingetragen. Wenn du dich mit dem Thema auskennst, bist du herzlich eingeladen, dich an der Prüfung und möglichen Verbesserung des Artikels zu beteiligen. Der Meinungsaustausch darüber findet derzeit nicht auf der Artikeldiskussionsseite, sondern auf der Qualitätssicherungs-Seite der Physik statt.

Typische Wärmeflussplatte, HFP01. Dieser Sensor wird typischerweise bei der Messung des Wärmewiderstandes von Wärme- und Wärmefluss auf Gebäudehüllen (Wände, Dächer) und Meteorologie verwendet. Auch dieser Sensortyp kann eingegraben werden, um den Bodenwärmefluss zu messen. Durchmesser 80 mm

Sensor für kombinierte Wärmefluss- und Temperaturmessung. Dieser Sensor wird hauptsächlich für Anwendungen in der Gebäudephysik verwendet.

Ein Wärmeflusssensor nutzt den Seebeck-Effekt um ein elektrisches Signal proportional zum Wärmestrom durch seine Fläche zu generieren. Um diese Messungen ohne Wissen der thermischen Leitfähigkeit / des thermischen Widerstandes durchführen zu können, müssen die Wärmeflusssensoren nach der Produktion kalibriert werden. Die Wärmestromdichte ergibt sich aus dem gemessenen Wärmestrom pro Fläche des Sensors. Verschiedene Arten von Wärmeübertragung, wie Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung können so gemessen werden. Andere mögliche Wärmeflusssensoren sind Gardon Meter,^[1] Dünnschicht Thermosäulen,^[2] und Schmidt-Boelter Meter.^[3] Die SI-Einheit des Wärmestroms oder Wärmeflusses ist Watt, die der Wärmestromdichte ist Watt pro Quadratmeter.

Anwendung

Wärmeflusssensoren können für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Vielversprechende Bereiche sind Qualitätsanalysen von Gebäudeisolierungen oder die Bestimmung thermischer Eigenschaften von Textilien mit Hilfe des Wärmedurchgangskoeffizienten. Andere mögliche Anwendungen umfassen Messungen von Strömungen in Flüssigkeiten,^[4] Temperaturmessung anhand nicht invasiven Methoden^[5] und das Messen der Laserleistung.^[6]

Anwendung in der Bauphysik

Jeden Tag werden große Mengen Energie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden verbraucht, von denen viele thermisch ungenügend isoliert sind und nicht den modernen Standards entsprechen. In dieser Hinsicht ist es wichtig, mit Hilfe eines Wärmeflusssensors, die Qualität der Wärmedämmung von Gebäuden und den Wärmedurchgangskoeffizienten zu bestimmen.^[7]

Nach dem Gesetz der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom durch eine Oberfläche, z. B. die einer Gebäudewand, direkt proportional zur Differenz der inneren und äußeren Oberflächentemperatur des Objektes (oder auch Umgebungstemperatur). Dieser Proportionalitätsfaktor wird Wärmedurchgangskoeffizient oder U-Wert genannt. Je kleiner der U-Wert desto besser ist die thermische Isolierung.^[8]

Anwendung in der Textilindustrie

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^[9].

Eigenschaften

Ein Wärmeflusssensor misst die lokale Wärmestromdichte in eine Richtung. Das Resultat wird in [W/m²] angegeben. Die Berechnung wird mit nachfolgender Formel getätigt.

(c) Hukseflux in der Wikipedia auf Englisch, CC BY 3.0

Abbildung 1: Allgemeines Funktionsprinzip eines Wärmeflusssensors

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

${\displaystyle V_{\mathrm {sen} }}$ ist das Output Signal des Sensors und ${\displaystyle E_{\mathrm {sen} }}$ ist die Kalibrationskonstante, diese ist sensorspezifisch.

Wie Abbildung 1 zeigt, haben Wärmeflusssensoren meist eine flache Plattenform und können Wärmeströme normal zur Sensorfläche messen.

In den Wärmeflusssensoren werden Thermocouples in Serie geschaltet und als Thermosäulen benutzt. Der Vorteil dieser Thermosäulen ist ihre Stabilität, ein tiefer ohmscher Wert (geringe elektromagnetische Störungsanfälligkeit), gutes Signal-Stör Verhältniss und der Fakt, dass kein Input auch keinen Output generiert.

Einzelnachweise

1. ↑ R. Gardon: An instrument for the direct measurement of intense thermal radiation. In: Rev. Sci. Instrum. 24, 1953, S. 366–370.
2. ↑ T. E. Diller: Advances in Heat Transfer. Band 23, Academic Press, 1993, S. 297–298.
3. ↑ 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
4. ↑ ZhengYu Hu: “Clean” heat flux sensor for ash fouling monitoring. (PDF) Abgerufen am 23. Juni 2016. 
5. ↑ 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. 
6. ↑ High-precision thermal sensors for laser power detection and heat flux measurements. In: waldytech.com. Abgerufen am 22. Juni 2016. 
7. ↑ U-Value Measurement instead of U-Value Calculation. In: U-Value and Building Physics. Abgerufen am 22. Juni 2016. 
8. ↑ U-Value Measurements with greenTEG’s U-Value Kit. greenTEG AG Switzerland: Thermal Sensing & Energy Harvesting, 1. Dezember 2015, abgerufen am 22. Juni 2016. 
9. ↑ 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]).