سنسورهای هدایت حرارتی

هدایت حرارتی سنگ بنای علم ترمودینامیک و انتقال حرارت است. رسانایی حرارتی (λ) توانایی یک ماده برای انتقال انرژی گرمایی در یک فاصله معین است. این ویژگی فیزیکی بر حسب وات بر متر کلوین (W/m*K) اندازه گیری می شود. هنگامی که مشخصه گرمای کلیدی یک ماده مانع جریان گرما باشد، ویژگی ماده به عنوان مقاومت حرارتی نامیده می شود و معکوس هدایت حرارتی است. مقاومت حرارتی بر حسب متر کلوین بر وات (m*K/W) اندازه گیری می شود.

نمایش تمام سازندگان سنسورهای هدایت حرارتی

مقادیر رسانایی حرارتی بالاتر، مانند مقادیر فلزات، نشان می دهد که مواد قادر به انتقال مقادیر بیشتری گرما هستند، در حالی که مواد با مقادیر کمتر به عنوان عایق حرارتی موثر هستند.

سنسورهای هدایت حرارتی را می توان برای اندازه گیری حالت جامد، مایع یا گاز استفاده کرد و در کاربردهای متعددی از جمله ساخت لایه نازک، آزمایش مواد، علم ساختمان و تولید برق مفید است.

انواع سنسورهای هدایت حرارتی

سنسورهای هدایت حرارتی جامد : یک نوع مطلوب از استفاده از حسگر رسانایی حرارتی مواد جامد، تکنیک منبع صفحه گذرا است - جریان شناخته شده ای به عنصر گرمایش سنسور اعمال می شود و منبع گرما را فراهم می کند. حلقه ای سیم پیچ را احاطه می کند تا انتقال حرارت مستقیم به نمونه را فراهم کند. افزایش دما در سطح مشترک بین سنسور و قطعه آزمایش رخ می دهد. تغییر دما در سنسور دما باعث ایجاد تغییر متناظر در ولتاژ می شود. نرخ تغییر در ولتاژ سنسور برای تعیین خواص حرارتی قطعه آزمایش استفاده می شود. هدایت حرارتی متناسب با سرعت تغییر دما در نقطه تماس سنسور و نمونه است. با مواد رسانایی حرارتی پایین تر، نرخ به شدت افزایش می یابد. شیب ولتاژ برای مواد رسانایی حرارتی بالاتر مانند فلزات صاف تر خواهد بود.

سنسورهای هدایت حرارتی مایع از تکنیک ها و اصول مشابه به عنوان سنسورهای هدایت حرارتی مواد جامد استفاده می کنند. اندازه گیری خواص حرارتی مایعات به دلیل اثرات اضافی همرفت و حرکت سیال دشوار است. برای دستیابی به اندازه گیری دقیق خواص حرارتی یک نمونه مایع، نمونه باید کاملاً ثابت در رابطه با سنسور باشد. حرکت حجمی سیال باعث ایجاد خطا در اندازه گیری خواص حرارتی می شود. تبادل حرارتی همرفتی در سیالات می تواند بر دو نوع باشد: همرفت اجباری و همرفت آزاد. جابجایی اجباری زمانی اتفاق می‌افتد که سیال توسط ابزارهای مکانیکی کوبیده یا هم زده شود. همرفت آزاد زمانی است که جسمی با دمای متفاوت در سیال باشد.

جالب توجه است که کلیدهای جریان هدایت حرارتی وجود دارند که از اثر خنک کنندگی ایجاد شده توسط یک مایع جاری برای نظارت بر سرعت سیال در زمانی که رسانایی مشخص است استفاده می کنند. این نوع فلومتر مانع بسیار کمی برای جریان مایع یا گاز ایجاد می کند و هیچ قسمت متحرکی ندارد که بتواند فرسوده یا خراب شود.

سنسورهای هدایت حرارتی گاز کاربرد متفاوت اما منظمی در تشخیص گاز دارند. در کاربردهای رسانه‌های گازی، می‌توان از آنها برای اندازه‌گیری غلظت گاز در یک مخلوط گازی دوتایی یا شبه دوتایی استفاده کرد، زمانی که گازهای درون نمونه دارای مقادیر هدایت حرارتی متفاوتی هستند. این حسگرهای هدایت حرارتی گاز که به عنوان آشکارساز هدایت حرارتی (TCD) یا کاتارومتر نیز شناخته می‌شوند، با داشتن دو لوله موازی که هر دو حاوی گاز و کویل‌های گرمایشی هستند، عمل می‌کنند. یک ظرف گاز با یک گاز مرجع مهر و موم شده است. گازها با مقایسه میزان اتلاف گرما از کویل های گرمایش به گاز مورد بررسی قرار می گیرند. سنسورها در مدار پل وتستون مرتب شده اند تا تغییرات مقاومت ناشی از اختلاف سرعت خنک کننده را بتوان مقایسه و ثبت کرد.

آشکارسازهای هدایت حرارتی اغلب در کروماتوگرافی گازی و به عنوان جایگزینی با هزینه کمتر برای طیف‌سنجی جرمی استفاده می‌شوند. آنها اندازه گیری پایدار و دقت خوبی را ارائه می دهند. TCD ها از نظر دقت رانش، خطی بودن و تکرارپذیری عملکرد خوبی دارند.

رسانایی حرارتی، همراه با انتشار حرارتی و ظرفیت گرمای ویژه، توانایی یک ماده برای ذخیره و انتقال گرما را مشخص می کند. اندازه‌گیری واقعی و خاص این ویژگی‌ها برای هر فرآیند یا ماده‌ای که دچار تغییر دما زیاد یا سریع می‌شود یا برای آن‌ها تحمل تغییر دما حیاتی و دقیق است، حیاتی است. طیف وسیعی از روش‌ها برای آزمایش هدایت حرارتی وجود دارد، از جمله، اما نه محدود به: روش‌های جریان محوری، روش جریان حرارت محوری مطلق، روش میله برش مقایسه‌ای، روش جریان سنج حرارتی محافظت‌شده/غیر محافظ، روش صفحه داغ محافظت‌شده ، روش سیم داغ و روش پروب. سنسورهای هدایت حرارتی پیچیدگی، هزینه و زمان تکمیل چنین اندازه‌گیری را کاهش می‌دهند و در محیط‌های تولیدی یا آزمایشگاهی که نیازهای مکرری برای اندازه‌گیری این ویژگی مواد دارند، سودمند هستند.

منبع

globalspec