Sensor de fluxo de calor

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Placa de fluxo de calor típica, HFP01. Este sensor é tipicamente usado na medição da resistência térmica e fluxo de calor em envelopes de construção (paredes, telhados). Também este tipo de sensor pode ser cavado para medir o fluxo de calor do solo. Diâmetro 80 mm

Um sensor de fluxo de calor (inglês: Heat Flux Sensor; alemão: Wärmeflusssensor) é um transdutor que gera um sinal elétrico proporcional ao fluxo de calor aplicado à sua superfície. O fluxo de calor medido é dividido pela área de superfície fixa do sensor para determinar a densidade do fluxo de calor.

O fluxo de calor pode ter diferentes origens; em princípio calor convectivo, assim como calor radioativo como condutivo pode ser medido. Sensores de fluxo de calor são conhecidos sob diferentes nomes, tais como transdutores de fluxo de calor, calibradores de fluxo de calor, placas de fluxo de calor.

Alguns instrumentos que realmente são de uso único como sensores de fluxo de calor. Um instrumento que tem como único propósito a medição da radiação solar é o piranômetros. Outros sensores de fluxo de calor incluem Gardon gauges[1] (também conhecido como um gauge de folha circular), termopilhas de filme fino,[2] e Schmidt Boelter gauges.[3] Em unidades SI o fluxo de calor é medido em watts, e a densidade do fluxo de calor é medida em watts por metro quadrado.[4]

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Os sensores de fluxo de calor podem ser usados numa variedade de aplicações. Duas áreas promissoras são a análise da qualidade de isolamento térmico de edifícios e as propriedades de isolamento térmico de matérias têxteis. Esta funciona através da medição do coeficiente de transferência de calor do edifícios ou do objeto de têxtil de estudo. Além disso, as aplicações possíveis incluem a medição da velocidade de um fluxo de líquido e/ou gás[5], a determinação da temperatura por meio de métodos não invasivos[6] e a medição da potência de um feixe de laser[7].

Aplicações em meteorologia e agricultura[editar | editar código-fonte]

O fluxo de calor do solo é um parâmetro mais importante nos estudos agro-meteorológicos, pois permite estudar a quantidade de energia armazenada no solo em função do tempo.

Normalmente dois ou três sensores são enterrados no chão em torno de uma estação meteorológica a uma profundidade de cerca de 40 cm abaixo da superfície. Os problemas encontrados no solo são três:

Primeiro é o fato de que as propriedades térmicas do solo estão em constante mudança por absorção e subsequente evaporação da água.
Em segundo lugar, o fluxo de água através do solo também representa um fluxo de energia, indo em conjunto com um "choque térmico", que muitas vezes é mal interpretado por sensores convencionais.
O terceiro aspecto do solo é que pelo constante processo de molhagem e secagem e pelos animais que vivem no solo, a qualidade do contato entre sensor e solo não é conhecida.

O resultado de tudo isso é a qualidade dos dados na medição do fluxo de calor do solo não está sob controle; a medida do fluxo de calor do solo é considerada extremamente difícil.

Aplicações em edifícios[editar | editar código-fonte]

Muita energia é consumida diariamente para aquecimento e arrefecimento de edifícios, e estes geralmente não cumprem com a legislação[8] padrões atuais referentes ao isolamento de edifícios[9]. A este respeito, uma das aplicações mais importantes de sensores de fluxo de calor é o de controlar a qualidade do isolamento térmico no edifício através da medição da transmissão térmica do invólucro[10].

De acordo com a lei de transferência de calor, a densidade de fluxo de calor transmitido através da superfície de um invólucro, é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre a superfície exterior e interior do objecto (por exemplo, uma parede). Este fator de proporcionalidade que é chamado de transmissão térmica ou valor U do invólucro. Neste caso, a relação entre a densidade de fluxo de calor medido pelo sensor de fluxo de calor e a diferença de temperatura em ambos os lados do compartimento fornece a informação necessária para calcular o coeficiente de transmissão térmica. Portanto, um valor de transmitância inferior térmica ou valor U indica um maior nível de isolamento.

Aplicações em estudos médicos[editar | editar código-fonte]

A medição da troca de calor de seres humanos é importante para estudos médicos e ao projetar roupas, fatos de imersão e sacos de dormir.

Uma dificuldade durante esta medida é que a pele humana não é particularmente adequada para a montagem de sensores de fluxo de calor. Além disso, o sensor tem que ser delgado: a pele é essencialmente um dissipador de calor a temperatura constante, de modo que a resistência térmica adicionada deve ser evitada. Outro problema é que as pessoas de teste podem estar se movendo. O contato entre a pessoa de teste e o sensor pode ser perdido. Por esse motivo, sempre que for necessário um alto nível de garantia de qualidade da medida, é recomendável usar um sensor de auto-calibração.

Aplicações na indústria[editar | editar código-fonte]

Sensor de fluxo de calor típico para estudos de radiativo, bem como fluxo de calor convectivo. A foto mostra o modelo RC01 com um sensor de fluxo de calor revestido de ouro e preto em um dissipador de calor de metal. O sensor de ouro mede apenas o fluxo de calor convectivo, o sensor preto mede o fluxo de calor radiativo e convectivo. Um pequeno sensor de temperatura do ar é adicionado para estimar os coeficientes locais de transferência de calor

Os sensores de fluxo de calor também são usados em ambientes industriais, onde a temperatura e o fluxo de calor podem ser muito maiores. Exemplos desses ambientes são fundição de alumínio, concentradores solares concentrados de energia solar, central de energia de combustíveis fósseis | caldeiras a carvão, Alto-forno, flama de gás | sistemas flare, Leito fluidizado | camas fluidizadas, etc.

Propriedades[editar | editar código-fonte]

Um sensor de fluxo de calor deve medir a densidade de fluxo de calor local em uma direção. O resultado é expresso em watts por metro quadrado. O cálculo é feito de acordo com:

Indicador Gardon ou Schmidt Boelter mostrando os componentes principais do instrumento: corpo metálico, sensor preto, entrada e saída de refrigeração de água, flange de montagem e cabo. Dimensões: o alojamento do diâmetro é de 25mm. A foto mostra o modelo SBG01

Onde é a saída do sensor e é a constante de calibração, específica de cada sensor.

General characteristics of a heat flux sensor.

Conforme mostrado anteriormente na figura à direita, os sensores de fluxo de calor geralmente têm a forma de uma placa plana e uma sensibilidade na direção perpendicular à superfície do sensor.

Geralmente, um número de termopares conectados em série, chamados termopilhas, são usados. As vantagens gerais das termopilas são a sua estabilidade, baixo valor óhmico (o que implica uma pequena captação de distúrbios eletromagnéticos), boa relação sinal-ruído e o fato de que a entrada zero fornece saída zero. Desvantajoso é a baixa sensibilidade.

Para uma melhor compreensão do comportamento do sensor de fluxo de calor, pode ser modelado como um circuito elétrico simples consistente em uma resistência, , e um capacitor, . Desta forma, pode-se ver que se pode atribuir uma resistência térmica , a capacidade térmica e também o tempo de resposta ao sensor.

Normalmente, a resistência térmica e a capacidade térmica de todo o sensor de fluxo de calor são iguais às do material de enchimento. Esticando a analogia com o circuito elétrico ainda mais, chega-se a seguinte expressão para o tempo de resposta:

No qual é a espessura do sensor, a densidade, a capacidade de calor específica e a condutividade térmica. A partir desta fórmula, pode-se concluir que as propriedades materiais do material de enchimento e as dimensões determinam o tempo de resposta. Como regra geral, o tempo de resposta é proporcional à espessura para o poder de dois.

Outros parâmetros que determinam as propriedades do sensor são as características elétricas do termopar. A dependência de temperatura do termopar provoca a dependência da temperatura e a não linearidade do sensor de fluxo de calor. A não linearidade a uma certa temperatura é de fato a derivada da dependência de temperatura a essa temperatura.

No entanto, um sensor bem projetado pode ter uma menor dependência de temperatura e uma melhor linearidade do que o esperado. Existem duas maneiras de conseguir isso:

Como primeira possibilidade, a dependência térmica da condutividade do material de enchimento e do material de termopar pode ser usada para contrabalançar a dependência de temperatura da tensão que é gerada pela termopila.
Outra possibilidade de minimizar a dependência de temperatura de um sensor de fluxo de calor é usar uma rede de resistência com um termistor incorporado. A dependência de temperatura do termistor irá equilibrar a dependência de temperatura da termopilha.

Outro fator que determina o comportamento do sensor de fluxo de calor, é a construção do sensor. Em particular, alguns projetos têm uma sensibilidade fortemente não uniforme. Outros também exibem uma sensibilidade aos fluxos laterais. O sensor esquematicamente dado na figura acima, por exemplo, também seria sensível aos fluxos de calor da esquerda para a direita. Esse tipo de comportamento não causará problemas, desde que os fluxos sejam uniformes e somente em uma direção.

Para promover a uniformidade de sensibilidade, pode-se usar uma construção chamada em sanduíche, como mostrado na figura à esquerda. O objetivo das placas, que possuem alta condutividade, é promover o transporte de calor em toda a superfície sensível.

É difícil quantificar a não uniformidade e a sensibilidade aos fluxos laterais. Alguns sensores estão equipados com um cabo elétrico extra, dividindo o sensor em duas partes. Se durante a aplicação, há um comportamento não uniforme do sensor ou do fluxo, isso resultará em saídas diferentes das duas partes.

Resumindo: as especificações intrínsecas que podem ser atribuídas aos sensores de fluxo de calor são a condutividade térmica, a resistência térmica total, a capacidade calorífica, o tempo de resposta, a não linearidade, a estabilidade, a dependência da temperatura da sensibilidade, a uniformidade de sensibilidade e a sensibilidade aos fluxos laterais. Para as duas últimas especificações, não é conhecido um bom método de quantificação.

Fontes de erro[editar | editar código-fonte]

A interpretação dos resultados de medição de sensores de fluxo de calor geralmente é feita assumindo que o fenômeno que é estudado é quase estático e ocorre em uma direção transversal à superfície do sensor. Efeitos dinâmicos e fluxos laterais são possíveis fontes de erro.

Efeitos dinâmicos[editar | editar código-fonte]

O pressuposto de que as condições são quase estáticas deve estar relacionado ao tempo de resposta do detector.


O caso em que o sensor de fluxo de calor é usado como um detector de radiação (veja a figura à esquerda) servirá para ilustrar o efeito da mudança de fluxos. Supondo que as juntas a frio do sensor estão a uma temperatura constante e uma energia flui de , a resposta do sensor é:

Isso mostra que se deve esperar uma leitura falsa durante um período que seja igual a vários tempos de resposta, . Geralmente, os sensores de fluxo de calor são bastante lentos e precisarão de vários minutos para atingir uma resposta de 95%. Esta é a razão pela qual se prefere trabalhar com valores integrados durante um longo período; Durante este período, o sinal do sensor irá subir e descer. O pressuposto é que os erros devido a longos tempos de resposta serão cancelados. O sinal ascendente dará um erro, o sinal descendente produzirá um erro igualmente grande com um sinal diferente. É óbvio que isso só será válido se os períodos com fluxo de calor estável prevalecerem.

Para evitar erros causados por longos tempos de resposta, deve-se usar sensores com baixo valor de , pois este produto determina o tempo de resposta. Em outras palavras: sensores com baixa massa ou pequena espessura.

A equação do tempo de resposta do sensor acima mantém-se contanto que as juntas frias estejam a uma temperatura constante. Um resultado inesperado mostra quando a temperatura do sensor muda.

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. R.Gardon, "An instrument for the direct measurement of intense thermal radiation", Rev. Sci. Instrum., 24, 366-370, 1953.
  2. T.E. Diller, Advances in Heat Transfer, Vol. 23, p.297-298, Academic Press, 1993.
  3. C.T. Kidd and C.G. Nelson, "How the Schmidt-Boelter gage really works," Proc. 41st Int. Instrum. Symp., Research Triangle Park, NC: ISA, 1995, 347-368
  4. «The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty»  - physics.nist.gov (em inglês)
  5. ZhengYu Hu, MSc. thesis. www.collectionscanada.gc.ca/obj/thesescanada/vol2/OKQ/TC-OKQ-5128.pdf. [S.l.: s.n.] 
  6. Prediction of human core body temperature using non-invasive measurement methods. link.springer.com/article/10.1007%2Fs00484-013-0687-2. [S.l.: s.n.] 
  7. «High-precision thermal sensors for laser power detection and heat flux measurements». www.waldytech.com. Consultado em 4 de setembro de 2016 
  8. Código Técnico de la Edificación, Documento de Apoyo al Documento Básico (DB-HE Ahorro de energía). www.codigotecnico.org/images/stories/pdf/ahorroEnergia/DA-DB-HE-1-Calculo_de_parametros_caracteristicos.pdf. [S.l.: s.n.] 
  9. Carrington, Damian (29 de novembro de 2013). «Britain's damp, leaky homes among Europe's most costly to heat». The Guardian (em inglês). ISSN 0261-3077 
  10. «U-Value Measurement instead of U-Value Calculation». U-Value and Building Physics (em alemão). Consultado em 4 de setembro de 2016 

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