سنسور شار حرارتی (Heat Flux Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور شار حرارتی (Heat Flux Sensor) :
سنسور شار حرارتی وسیله ای است که نرخ انتقال انرژی حرارتی (گرما) در واحد سطح را اندازه گیری می کند. شار حرارتی (q) با واحد وات بر متر مربع (
\[ W/m^2 \]) بیان می شود. این سنسورها در مطالعات انتقال حرارت، کارایی عایق ها، بررسی عملکرد سیستم های حرارتی و حتی در پزشکی (سنجش متابولیسم) کاربرد دارند. اساس کار آنها معمولا بر ایجاد یک گرادیان دمایی کوچک در یک لایه با ضخامت و رسانایی حرارتی مشخص استوار است.
بر اساس قانون فوریه، شار حرارتی با گرادیان دما رابطه مستقیم دارد:
\[ q = -k \frac{dT}{dx} \]که در آن k رسانایی حرارتی ماده و
\[ \frac{dT}{dx} \]گرادیان دما در جهت عمود بر سطح است. در یک سنسور شار حرارتی، یک لایه نازک با رسانایی حرارتی معلوم (لایه مقاوم) بین دو سطح قرار می گیرد. با اندازه گیری اختلاف دمای دو طرف این لایه (با ترموکوپل های سری یا ترموپایل)، می توان شار حرارتی را محاسبه کرد:
\[ q = \frac{k}{d} \Delta T \]که d ضخامت لایه است.
\[ q = -k \frac{dT}{dx} \approx \frac{k}{d} (T_1 - T_2) \]رایج ترین نوع سنسور شار حرارتی، ترموپایل (Thermopile) است که شامل صدها یا هزاران ترموکوپل است که به صورت سری چیده شده اند تا ولتاژ خروجی را تقویت کنند. این ترموکوپل ها در دو طرف یک لایه نازک (معمولا پلیمر یا سرامیک) قرار می گیرند. اختلاف دما در دو طرف لایه، ولتاژ تولید می کند. سنسور باید کالیبره شود تا رابطه بین ولتاژ خروجی و شار حرارتی مشخص گردد.
کاربردهای مهم: اندازه گیری تلفات حرارتی در ساختمان ها (برای بررسی استانداردهای مصرف انرژی)، مطالعه انتقال حرارت در موتورها و توربین ها، آزمایش مواد نسوز، و در تحقیقات فضایی برای اندازه گیری شار حرارتی ورودی به فضاپیما. همچنین در کالری متری (اندازه گیری گرمای واکنش های شیمیایی) و بررسی عملکرد سیستم های خنک کننده استفاده می شود.
سنسورهای شار حرارتی مدرن از فناوری های لایه نازک (Thin-film) ساخته می شوند که زمان پاسخ بسیار سریعی (زیر میلی ثانیه) دارند. یک نکته مهم در استفاده از این سنسورها، تأثیر مقاومت حرارتی خود سنسور بر شار حرارتی اندازه گیری شده است. سنسور ایده آل باید مقاومت حرارتی ناچیزی داشته باشد تا جریان گرما را مختل نکند. رابطه کلی کالیبراسیون به صورت
\[ V = S \cdot q \]است که S حساسیت سنسور (بر حسب
\[ \mu V/(W/m^2) \]) می باشد.
پیشرفت های اخیر منجر به ساخت سنسورهای شار حرارتی انعطاف پذیر برای کاربردهای پوشیدنی و حسگرهای MEMS با ابعاد بسیار کوچک شده است. اندازه گیری دقیق شار حرارتی برای بهینه سازی سیستم های انرژی حیاتی است.
