حسگر شار گرمایی
حسگر شار گرمایی (انگلیسی: Heat flux sensor) نوعی مبدل است که سیگنال الکتریکی متناسب با نرخ کل گرمای وارد بر سطح حسگر تولید می‌کند. نرخ گرمای اندازه‌گیری‌شده بر مساحت سطح حسگر تقسیم می‌شود تا شار گرمایی به دست آید.
شار گرمایی می‌تواند خاستگاه‌های گوناگونی داشته باشد؛ در اصل، گرمای همرفتی، تابشی و رسانشی هر سه قابل اندازه‌گیری‌اند. حسگرهای شار گرمایی با نام‌های گوناگونی مانند مبدل شار گرمایی، سنجندهٔ شار گرمایی یا صفحهٔ شار گرمایی شناخته می‌شوند. برخی ابزارها در واقع حسگرهای شار گرمایی تک‌منظوره‌اند، مانند آفتاب‌سنج برای سنجش تابش خورشیدی. از دیگر انواع می‌توان به سنجندهٔ گاردون (یا سنجندهٔ ورقهٔ دایره‌ای)،[۱] ترموپایل‌های لایه‌نازک،[۲] و سنجندهٔ اشمیت-بولتر[۳] اشاره کرد.
کاربردها
حسگرهای شار گرمایی کاربردهای گوناگونی دارند. کاربردهای رایج شامل مطالعهٔ مقاومت گرمایی پوستهٔ ساختمان، بررسی اثر آتش و شعله، یا اندازه‌گیری توان لیزر است. کاربردهای غیرمتعارف‌تر شامل برآورد رسوب‌گذاری روی سطوح دیگ بخار و اندازه‌گیری دمای مواد ورقه‌ای متحرک است.
خاک: شار گرمایی خاک پارامتری مهم در مطالعات کشاورزی-هواشناسی است، زیرا امکان بررسی مقدار انرژی ذخیره‌شده در خاک را در طول زمان فراهم می‌کند. معمولاً دو یا سه حسگر در عمق حدود ۴ سانتی‌متری زیر سطح، در اطراف یک ایستگاه هواشناسی دفن می‌شوند. اندازه‌گیری در خاک با سه مشکل روبه‌روست: تغییر پیوستهٔ ویژگی‌های گرمایی خاک بر اثر جذب و تبخیر آب، انتقال انرژی همراه با جریان آب در خاک که اغلب توسط حسگرهای متعارف اشتباه تفسیر می‌شود، و نامشخص بودن کیفیت تماس میان حسگر و خاک به دلیل فرایند مداوم خیس و خشک شدن و حضور جانوران. در نتیجه، اندازه‌گیری شار گرمایی خاک بسیار دشوار در نظر گرفته می‌شود.
ساختمان‌ها: با افزایش توجه به صرفه‌جویی انرژی، مطالعهٔ ویژگی‌های گرمایی ساختمان‌ها به حوزه‌ای رو به رشد تبدیل شده است. یکی از نقاط آغازین این مطالعات، نصب حسگرهای شار گرمایی روی دیوارهای ساختمان‌های موجود یا سازه‌های ساخته‌شده ویژهٔ این نوع پژوهش است. این حسگرها می‌توانند میزان اتلاف یا دریافت انرژی گرمایی از یک جزء ساختمان را پایش کنند یا برای اندازه‌گیری مقاومت گرمایی پوسته (مقدار R) یا ضریب انتقال گرما (مقدار U) استفاده شوند. هنگامی که حسگر باید روی سطح دیوار نصب شود، باید مراقب بود که مقاومت گرمایی افزوده‌شده زیاد نباشد و ویژگی‌های طیفی حسگر تا حد امکان با دیوار هم‌خوانی داشته باشد؛ در صورت قرارگیری در معرض تابش خورشیدی، رنگ‌آمیزی حسگر هم‌رنگ دیوار توصیه می‌شود.
بدن انسان: اندازه‌گیری تبادل گرمایی بدن انسان برای مطالعات پزشکی و طراحی پوشاک، لباس‌های غواصی و کیسه‌خواب اهمیت دارد. دشواری این اندازه‌گیری آن است که پوست انسان چندان مناسب نصب حسگر نیست و حسگر باید نازک باشد، زیرا پوست اساساً یک گرماگیر با دمای ثابت است. جابه‌جایی فرد آزمایش‌شونده نیز می‌تواند تماس میان فرد و حسگر را قطع کند؛ از این رو در مواردی که سطح بالایی از تضمین کیفیت لازم است، استفاده از حسگرهای خودکالیبره توصیه می‌شود.
محیط‌های صنعتی: حسگرهای شار گرمایی در محیط‌های صنعتی نیز به کار می‌روند، جایی که دما و شار گرمایی می‌توانند بسیار بالاتر باشند؛ نمونه‌هایی از این محیط‌ها عبارت‌اند از ذوب آلومینیوم، متمرکزکننده‌های خورشیدی، دیگ‌های بخار زغال‌سنگی، کوره‌های بلند، سامانه‌های مشعل، بسترهای سیال و واحدهای کک‌سازی.
دماهای بسیار گذرا: برای اندازه‌گیری دماهای سطحی بسیار گذرا، از سنجنده‌های ویژه‌ای به نام ترموکوپل MCT استفاده می‌شود. حسگرهای شار گرمایی مستقیم با پاسخ سریع، ترموپایل‌های لایهٔ اتمی هستند که تفکیک‌پذیری زمانی در بازهٔ میکروثانیه دارند[۴]؛ این حسگرها معمولاً برای آزمایش مدل‌های تونل باد در تأسیسات ضربه‌ای، تغییر دمای دیوارهٔ سیلندر در یک چرخهٔ موتور احتراقی، و کاربردهای صنعتی و پژوهشی دیگری که ثبت دماهای بسیار گذرا اهمیت دارد، به کار می‌روند.
ویژگی‌های حسگر
معمولاً چندین ترموکوپل به‌صورت سری به هم متصل می‌شوند که ترموپایل نامیده می‌شود. مزیت کلی ترموپایل‌ها پایداری، مقاومت اهمی پایین (که به معنای دریافت اندک اختلال‌های الکترومغناطیسی است)، نسبت خوب سیگنال به نویز و صفر بودن خروجی در ورودی صفر است؛ عیب آن‌ها حساسیت پایین است.
مشخصه‌های ذاتی قابل نسبت‌دادن به حسگرهای شار گرمایی عبارت‌اند از رسانندگی گرمایی، مقاومت گرمایی کل، ظرفیت گرمایی، زمان پاسخ، غیرخطی بودن، پایداری، وابستگی حساسیت به دما، یکنواختی حساسیت، و حساسیت به شارهای جانبی. برای دو مورد آخر، روش خوبی برای کمّی‌سازی شناخته‌شده نیست. زمان پاسخ عمدتاً به ویژگی‌های مادهٔ پرکننده و ابعاد حسگر بستگی دارد؛ به‌طور تجربی، زمان پاسخ با توان دوم ضخامت حسگر متناسب است.
برای کاهش وابستگی حسگر به دما و بهبود خطی بودن آن، می‌توان از وابستگی دمایی رسانایی مادهٔ پرکننده و مادهٔ ترموکوپل برای خنثی‌سازی وابستگی دمایی ولتاژ تولیدی ترموپایل بهره برد، یا از یک شبکهٔ مقاومتی همراه با ترمیستور استفاده کرد که وابستگی دمایی آن، وابستگی دمایی ترموپایل را متعادل می‌کند.
ساخت حسگر نیز بر رفتار آن اثر می‌گذارد؛ برخی طرح‌ها حساسیت به‌شدت ناهمگنی دارند یا حتی به شارهای جانبی حساس‌اند. برای یکنواخت‌تر کردن حساسیت، از ساختار به‌اصطلاح ساندویچی استفاده می‌شود که در آن صفحاتی با رسانایی بالا انتقال گرما را در سراسر سطح حساس تسهیل می‌کنند.
کالیبراسیون
برای انجام اندازه‌گیری‌های در محل، کاربر باید ثابت کالیبراسیون درست (که حساسیت نیز نامیده می‌شود) را در اختیار داشته باشد. این حساسیت عمدتاً با ساخت حسگر و دمای عملکرد تعیین می‌شود، اما به هندسه و ویژگی‌های مادی جسم اندازه‌گیری‌شونده نیز بستگی دارد؛ بنابراین حسگر باید در شرایطی نزدیک به شرایط کاربرد موردنظر کالیبره شود.
برای کالیبراسیون، به یک ولت‌متر یا ثبات داده با تفکیک‌پذیری ۲± میکروولت یا بهتر نیاز است. باید از وجود شکاف هوا میان لایه‌ها پرهیز کرد؛ می‌توان این شکاف‌ها را با موادی مانند خمیردندان، بتونه یا خمیر آب‌بندی پر کرد، یا در صورت نیاز از ژل رسانای گرمایی برای بهبود تماس میان لایه‌ها استفاده کرد.[۵] کالیبراسیون با اعمال یک شار گرمایی کنترل‌شده از میان حسگر و اندازه‌گیری ولتاژهای حسگر شار گرمایی و حسگر دما انجام می‌شود. اگر حسگر روی یک سطح نصب شده و در کاربرد موردنظر در معرض همرفت و تابش باشد، باید همین شرایط در کالیبراسیون نیز رعایت شود. انجام اندازه‌گیری در دماهای گوناگون امکان تعیین حساسیت به‌عنوان تابعی از دما را فراهم می‌کند.
اگرچه سازنده معمولاً حساسیت حسگر را ارائه می‌کند، گاهی نیاز به کالیبراسیون مجدد پیش می‌آید؛ به‌ویژه در دیوارها یا پوستهٔ ساختمان که حسگر پس از نصب اولیه قابل جدا کردن نیست یا دسترسی به آن دشوار است. برخی حسگرها برای این منظور دارای یک گرم‌کنندهٔ داخلی با مشخصات معین‌اند که با اعمال ولتاژ و جریان معلوم، شار گرمایی کنترل‌شده‌ای ایجاد می‌کند که برای محاسبهٔ حساسیت جدید به کار می‌رود.
منابع
- ↑ Gardon, R. (1953). "An instrument for the direct measurement of intense thermal radiation". Review of Scientific Instruments. 24: 366–370.
- ↑ Diller, T.E. (1993). Advances in Heat Transfer. Vol. 23. Academic Press. pp. 297–298.
- ↑ Kidd, C.T.; Nelson, C.G. (1995). "How the Schmidt-Boelter gage really works". Proc. 41st Int. Instrum. Symp. Research Triangle Park, NC: ISA. pp. 347–368.
- ↑ Knauss, Helmut; Roediger, Tim; Bountin, Dimitry A.; Smorodsky, Boris V.; Maslov, Anatoly A.; Srulijes, Julio (March 2009). "Novel Sensor for Fast Heat Flux Measurements". AIAA Journal of Spacecraft and Rockets. 46 (2): 255–265. doi:10.2514/1.32011. ISSN 0022-4650.
- ↑ "ASTM C1130-17 Standard Practice for Calibration of Thin Heat Flux Transducers" (1.0 ed.). ASTM International. 2017. Retrieved 2018-05-30.
- ابزارها و تجهیزات هواشناسی
- حسگرها