Introducción
La cantidad de transferencia de calor desde o hacia una superficie por unidad de tiempo y por unidad de área se denomina flujo de calor. El flujo de calor también se conoce como densidad de flujo de calor o caudal de calor, y su unidad en el SI es el vatio por metro cuadrado (W/m²). Tiene magnitud y dirección. Por lo tanto, el flujo de calor es una magnitud vectorial. Este flujo de calor se mide por el cambio de temperatura provocado por el efecto de... sensor de flujo de calor. Hay tres modos de transferencia de calor:
- Conducción.
- Convección.
- Radiación.
La conducción y la convección requieren un medio para la transferencia de calor, mientras que la radiación, por otro lado, no requiere ningún medio. Las radiaciones de alta intensidad no pueden medirse directamente con termopilas y bolómetros frágiles, ya que estos instrumentos podrían quemarse. Los sensores de flujo térmico de un medidor de flujo de calor Gardon pueden medir las altas intensidades de radiación térmica.
Sensor de calibre Gardon
Construcción y principio de funcionamiento
Sensor de flujo térmico diseñado para mediciones de radiación de alta intensidad. El calor se absorbe en una fina lámina metálica circular, que actúa como depósito de temperatura constante. Este calor se transfiere radialmente (paralelo a la superficie absorbente) a un disipador de calor de cobre soldado alrededor de la lámina. La distribución de temperatura en el centro de la lámina es máxima y en la circunferencia mínima debido a la disipación de calor hacia el disipador. Un termopar diferencial, situado entre las temperaturas del centro y el borde de la lámina, genera la salida de voltaje.
Análisis teórico del rendimiento
Una lámina circular delgada de espesor y radio R está soldada en su circunferencia a un disipador de calor de gran tamaño que se mantiene a temperatura constante. Esta lámina absorbe radiación térmica de intensidad q. Para medir con precisión la radiación incidente, se realiza un análisis de estado estacionario. En estado estacionario, el calor absorbido por la lámina es igual al calor disipado por conducción.
En condiciones de estado estacionario:
Para determinar la velocidad de respuesta del sensor, es decir, la constante de tiempo, es necesario analizar la condición de estado inestable. En estado inestable, el calor incidente sobre la lámina es igual al calor absorbido por esta en el intervalo de tiempo t. En estado inestable:
Figura 1: Diagrama esquemático del calibre de lámina Gardon.
En las derivaciones anteriores, se asume que la conductividad térmica es constante para la lámina de constantán. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, la conductividad térmica no es constante, lo que genera una relación no lineal entre el gradiente de temperatura y la intensidad. Además, la relación entre la temperatura y la fem en el constantán y el cobre también es no lineal. Esto coincide favorablemente en este caso, ya que estos dos efectos no lineales se cancelan mutuamente para producir una relación lineal entre la temperatura y la fem en los radiómetros de constantán de cobre.
Figura 2: Sensor de flujo de calor enfriado y no enfriado desarrollado por Tempsens instruments pvt. ltd.
La sensibilidad o capacidad de respuesta es la relación entre la salida de voltaje y el flujo de calor medido. Para un radiómetro en particular, la capacidad de respuesta es constante.
Sensibilidad = Voltaje de salida / Flujo de calor
Diseño y calibración
Hemos diseñado nuestros sensores de flujo térmico según el análisis teórico, con láminas de espesor y diámetro adecuados. Para calibrarlos, se preparó un montaje experimental. El aparato consta de un sensor de flujo térmico, una unidad de adquisición de datos y un PC. La calibración del medidor depende del flujo radiado y de la salida o respuesta de medición del sensor. El sensor se basa en la respuesta y salida del termopar, medidas con un voltímetro de precisión (unidad de medida). La constante de calibración del medidor para un flujo dado es simplemente la relación flujo/respuesta. En este proceso, medimos el flujo térmico de una fuente de calor altamente estable que irradia sobre el sensor. Primero, se calienta la fuente de calor (un horno de cuerpo negro), lo que genera radiación desde la tira de grafito de la cavidad a muy alta temperatura. A continuación, se colocan los sensores de flujo térmico de prueba y estándar a distancias iguales de la tira de grafito. A continuación, se controla manualmente el voltaje del horno, aumentándolo o disminuyéndolo hasta obtener una salida de 10 milivoltios en el sensor de flujo térmico estándar, garantizando una radiación de entrada de 10 vatios/cm². Exprese los valores de salida del sensor de prueba en milivoltios y realice el análisis de regresión lineal para el flujo de calor y la salida del sensor. La pendiente de la regresión lineal proporciona la capacidad de respuesta/sensibilidad del sensor en mV = (W = cm²). Finalmente, grafique los datos de calibración para comprobar la precisión del medidor de prueba. Utilizamos un horno de cuerpo negro como fuente de calor. El sensor de flujo de calor diseñado se coloca contra el horno y se mide el voltaje.
Figura 3: Representación esquemática de la configuración experimental.
Estos valores de voltaje se multiplican por la sensibilidad del medidor maestro. A continuación, se grafica el flujo de calor obtenido del medidor de prueba con su voltaje correspondiente. Los puntos de datos en el gráfico del medidor de prueba se ajustan linealmente. La pendiente de la curva ajustada linealmente indica la sensibilidad real del medidor de prueba. La precisión del medidor de prueba se calcula tomando como referencia el medidor maestro.
Figura 4: Calibración del sensor de flujo de calor utilizando un horno de cuerpo negro en Tempsens.
Se calibra un sensor de flujo térmico de prueba de 30 vatios/cm² utilizando la configuración experimental descrita anteriormente. La sensibilidad obtenida del sensor de prueba es de 0,315. Por lo tanto, la precisión es de 5%.
Figura 5: Calibración del sensor de flujo de calor con calibre estándar.
Características :
- Mide la intensidad directamente.
- Medirlo calorimétricamente, es decir, sin referencia a la cantidad espectral.
- Menos constante de tiempo.
- Mecánicamente robusto.
- Proporcionar señales que puedan ser grabadas sin amplificación.
