Wärmeflusssensor

Ein Wärmeflusssensor nutzt den Seebeck-Effekt, um ein elektrisches Signal proportional zum Wärmestrom 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.

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Eine Wärmeflussplatte, sie wird bei der Messung des Wärmewiderstandes von Wärme- und Wärmefluss auf Gebäudehüllen (Wände, Dächer) und in der Meteorologie verwendet. Der Sensor kann auch 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.

Wärmeflusssensoren sind auch das Gardon Meter[1], Dünnschicht Thermosäulen[2] und das Schmidt-Boelter Meter.[3]

Die SI-Einheit des Wärmestroms oder Wärmeflusses ist Watt, die der Wärmestromdichte ist Watt pro Quadratmeter.

Anwendung

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,[4] nicht invasive Körperkern-Temperaturmessung[5] und das Messen der Leistung eines Laserstrahles.[6]

Bauphysik

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.[7]

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.[8]

Textilien

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 erfolgt mit folgender Formel.

Funktionsprinzip eines Wärmeflusssensors

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

$V_{\mathrm {sen} }$ ist das Ausgangssignal des Sensors (eine elektrische Spannung) und $E_{\mathrm {sen} }$ ist die Kalibrationskonstante, diese ist sensorspezifisch.

Aufbau

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.

Einzelnachweise

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
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]).

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[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]).