Einführung
Die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit und Flächeneinheit von oder zu einer Oberfläche übertragen wird, wird als Wärmestrom bezeichnet. Wärmestromdichte, Wärmestromrate und die SI-Einheit Watt pro Quadratmeter (W/m²) werden ebenfalls als Wärmestrom bezeichnet. Er besitzt sowohl Betrag als auch Richtung und ist somit eine Vektorgröße. Gemessen wird der Wärmestrom über die Temperaturänderung, die durch die Wirkung der Wärme hervorgerufen wird. Wärmeflusssensor. Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung:
- Leitung.
- Konvektion.
- Strahlung.
Wärmeleitung und Konvektion benötigen ein Medium zur Wärmeübertragung, während Strahlung kein Medium benötigt. Hochintensive Strahlung kann mit empfindlichen Thermosäulen und Bolometern nicht direkt gemessen werden, da diese Instrumente durchbrennen könnten. Wärmestromsensoren von Gardon Gauge können hohe thermische Strahlungsintensitäten messen.
Gardon-Messgerätsensor
Aufbau und Funktionsweise
Wärmestromsensor für hochintensive Strahlungsmessungen. Die Wärme wird in einer dünnen, kreisförmigen Metallfolie absorbiert, die als konstanter Temperaturspeicher fungiert. Diese Wärme wird dann radial (parallel zur Absorptionsfläche) an einen um die Folie geschweißten Kupferkühlkörper abgegeben. Die Temperaturverteilung in der Folienmitte ist aufgrund der Wärmeableitung an den Kühlkörper maximal und am Umfang minimal. Ein einzelnes Differenzialthermoelement zwischen Folienmitte und Folienrand erzeugt die Ausgangsspannung.
Theoretische Analyse der Leistung
Eine dünne, kreisförmige Folie mit der Dicke und dem Radius R ist um ihren Umfang an einen großen Kühlkörper gelötet, der auf konstanter Temperatur gehalten wird. Diese Folie absorbiert Wärmestrahlung der Intensität q. Um die einfallende Strahlung genau zu messen, wird eine stationäre Analyse durchgeführt. Im stationären Zustand entspricht die von der Folie absorbierte Wärme der durch Wärmeleitung abgegebenen Wärme.
Unter stationären Bedingungen: -
Um die Reaktionsgeschwindigkeit des Sensors, d. h. die Zeitkonstante, zu bestimmen, müssen wir den instationären Zustand analysieren. Im instationären Zustand entspricht die auf die Folie einfallende Wärme der von der Folie im Zeitintervall t aufgenommenen Wärme. Im instationären Zustand:
Abbildung 1: Schematische Darstellung des Gardon-Folienmessgeräts.
In den obigen Herleitungen wird die Wärmeleitfähigkeit der Konstantanfolie als konstant angenommen. In der Praxis ist die Wärmeleitfähigkeit jedoch nicht konstant, was zu einem nichtlinearen Verhältnis zwischen Temperaturgradient und Intensität führt. Darüber hinaus ist auch die Temperatur-EMK-Beziehung in Konstantan und Kupfer nichtlinear. Dies ist in diesem Fall ein günstiger Zufall, da sich diese beiden nichtlinearen Effekte gegenseitig aufheben und in Kupfer-Konstantan-Radiometern eine lineare Temperatur-EMK-Beziehung entsteht.
Abbildung 2: Gekühlter und ungekühlter Wärmeflusssensor, entwickelt von Tempsens Instruments Pvt. Ltd.
Die Empfindlichkeit oder Responsivität ist das Verhältnis der Ausgangsspannung zum gemessenen Wärmestrom. Bei einem bestimmten Radiometer ist die Responsivität konstant.
Empfindlichkeit = Ausgangsspannung / Wärmestrom
Design und Kalibrierung
Wir haben unsere Wärmestromsensoren entsprechend der theoretischen Analyse mit geeigneter Foliendicke und -durchmesser entworfen. Um den Wärmestromsensor zu kalibrieren, wird ein Versuchsaufbau vorbereitet. Die Versuchsvorrichtung besteht aus einem Wärmestromsensor, einer Datenerfassungseinheit und einem PC. Die Kalibrierung des Messgeräts hängt vom abgestrahlten Fluss und der Messausgabe bzw. -reaktion des Sensors ab. Der Sensor basiert auf der Reaktion und Ausgabe des Thermoelements, die mit einem präzisen Voltmeter (Messeinheit) gemessen wird. Die Kalibrierungskonstante des Messgeräts bei einem gegebenen Fluss ist einfach ein Verhältnis von Fluss zu Reaktion. In diesem Prozess messen wir den Wärmestrom von einer sehr stabilen Wärmequelle, die auf den Wärmestromsensor strahlt. Zuerst wird unsere Wärmequelle, d. h. ein Schwarzkörperofen, erhitzt, wodurch Strahlung von einem Hohlraumgraphitstreifen bei sehr hoher Temperatur erzeugt wird. Platzieren Sie dann den Test- und den Standard-Wärmestromsensor in ungefähr gleichen Abständen vom Graphitstreifen. Regeln Sie dann manuell die Spannung des Ofens, indem Sie sie erhöhen oder verringern, bis Sie eine Ausgabe von 10 Millivolt im Standard-Wärmestromsensor erhalten Geben Sie die Ausgangswerte des Testsensors in Millivolt an und führen Sie anschließend eine lineare Regressionsanalyse für den Wärmestrom und den Sensorausgang durch. Die Steigung der linearen Regression ergibt die Empfindlichkeit des Sensors in mV = (W = cm²). Abschließend werden die Kalibrierungsdaten aufgezeichnet, um die Genauigkeit des Testmessgeräts zu überprüfen. Als Wärmequelle dient ein Schwarzkörperofen. Der entwickelte Wärmestromsensor wird anschließend am Ofen platziert und die Spannung gemessen.
Abbildung 3: Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus.
Diese Spannungswerte werden mit der Empfindlichkeit des Master-Messgeräts multipliziert. Anschließend wird der ermittelte Wärmestrom des Prüfgeräts mit der entsprechenden Spannung aufgetragen. Anschließend werden die Datenpunkte im Diagramm des Prüfgeräts linear angepasst. Die Steigung der linear angepassten Kurve gibt die tatsächliche Empfindlichkeit des Prüfgeräts an. Die Genauigkeit des Prüfgeräts wird anhand des Master-Messgeräts berechnet.
Abbildung 4: Kalibrierung des Wärmeflusssensors mithilfe eines Schwarzkörperofens bei Tempsens.
Ein Test-Wärmestromsensor mit 30 Watt/cm2 wird mit dem oben erläuterten Versuchsaufbau kalibriert. Die erhaltene Empfindlichkeit des Testsensors beträgt 0,315. Die Genauigkeit liegt somit innerhalb von 5%.
Abbildung 5: Kalibrierung des Wärmeflusssensors mit Standardmessgerät.
Merkmale :
- Misst die Intensität direkt.
- Messen Sie es kalorimetrisch, d. h. ohne Bezug auf die spektrale Größe.
- Geringere Zeitkonstante.
- Mechanisch robust.
- Geben Sie Signale ab, die ohne Verstärkung aufgezeichnet werden können
