Taller n. ° 1: Introducción a los sensores de flujo de calor
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Esta serie de talleres está diseñada para ayudarlo a comprender la transferencia de calor y la temperatura. La temperatura es lo que mide la mayoría de la gente, pero la transferencia de calor es igualmente importante para las aplicaciones de ingeniería. Los talleres utilizan una combinación de termopares y sensores de flujo de calor para medir ambas cantidades simultáneamente. La salida del sensor es leída por una placa de adquisición de datos (DAQ) que está conectada a través de un puerto USB a una computadora portátil. Se carga un programa en la computadora para mostrar gráficamente los resultados y proporcionar un panel de control.

La transferencia de calor ( q ) es el movimiento de la energía térmica en función del tiempo. Las unidades típicas son los vatios, lo mismo que la potencia, que es el movimiento de la energía mecánica como función del tiempo. El flujo de calor es la transferencia de calor por área de superficie ( q " ), con unidades de vatios por metro cuadrado. Esto es análogo a una densidad de potencia. Se mide a través de un sensor delgado y plano que está encapsulado en una cubierta de plástico. Produce un voltaje ( E ), que es directamente proporcional al flujo de calor de acuerdo con una calibración suministrada ( S ), normalmente expresada en microvoltios por vatio por metro cuadrado,

𝑞 ”= 𝐸 / 𝑆

El programa de computadora realiza automáticamente esta conversión cuando se le suministra el valor de calibración del sensor.

Fig.1 Componentes del kit del sensor de flujo de calor

Para medir la temperatura se proporcionan dos termopares. Uno se adjunta como parte del sensor de flujo de calor. El otro es un conjunto de cables separados, soldados entre sí en un extremo para formar la unión del termopar. Los termopares miden la diferencia de temperatura desde esta unión hasta el punto de conexión del otro extremo de los cables. El DAQ mide automáticamente la temperatura de conexión y ajusta la salida de voltaje para dar valores absolutos de temperatura.


Juntos, esto permite la medición directa tanto de las temperaturas individuales como de la diferencia de temperatura. La transferencia de calor es impulsada por la diferencia de temperatura. Siempre hay una fuente de energía térmica a una temperatura más alta que se traslada a un sumidero de energía a una temperatura más baja. En consecuencia, es importante conocer las temperaturas de la fuente y el sumidero y el flujo de calor resultante en un sistema de ingeniería.


El kit del sensor de flujo de calor proporciona los componentes como se muestra en la Fig. 1. Se incluye un sensor de flujo de calor con un termopar, un segundo termopar separado, un DAQ, un cupón de aluminio, una aleta de aluminio, una pequeña pieza de madera, un calentador delgado y un pequeño trozo de tela. El calentador está diseñado para tomar energía del DAQ y proporcionar una fuente de calor para algunos de los talleres. Muchos de los talleres utilizan el cuerpo humano como fuente de calor, lo que te permite sentir el proceso térmico mientras mides los resultados.


Para realizar las mediciones, coloque el sensor de flujo de calor entre una fuente de calor y un disipador de calor. Esto puede ser tan simple como un escritorio y su mano o su brazo y el aire circundante. El sensor de flujo de calor se puede pegar con cinta adhesiva a una superficie o colocar entre dos objetos para mantenerlo en su lugar. Se puede usar una cara sobre la parte superior del sensor o se puede usar cinta de doble cara entre el sensor y una superficie. En cualquier caso, el objetivo es crear un buen contacto entre todo el sensor y la superficie para obtener una buena lectura.

Taller n. ° 1 - Tarea de introducción

1. Vea el video introductorio sobre calor y temperatura.
2. Ensamble su sistema. Asegúrese de que el cableado sea el correcto, como se muestra en la Fig. 2. La ubicación de los cables de colores es importante. Comenzando por la izquierda, los dos primeros cables son el sensor de flujo de calor (blanco y luego rojo). Los siguientes dos cables son el termopar (azul y luego rojo). Los dos siguientes son para el segundo termopar (azul y luego rojo). Los dos últimos cables son negros en cualquier orden para el calentador.
3. Asegúrese de que los programas de computadora adecuados estén instalados en su computadora.
4. Conecte el DAQ a un puerto USB (al menos 2.0 o superior).
5. Inicie el programa. Debería aparecer una pantalla como se muestra en la Fig.3.
6. Mueva los interruptores en la pantalla para asegurarse de que tanto la adquisición de datos como el calentador estén funcionando. Los botones rojos deben volverse verdes cuando estén en funcionamiento.
7. Registre el flujo de calor y la temperatura del sensor desde una fuente hasta un fregadero. Tenga en cuenta que la salida del sensor de flujo de calor es direccional. En una dirección, el flujo de calor debe ser positivo y si el sensor se invierte, la salida debe ser negativa. Sin embargo, el termopar solo mide la temperatura en un lugar. No tiene valores positivos y negativos. En todos los casos, si un cable se rompe o se desconecta, la salida será muy grande y no responderá. Utilice el botón Guardar para crear un archivo de Excel. Este archivo tendrá cuatro columnas que comienzan con el tiempo en segundos, seguido del flujo de calor en W / m2, la tercera columna es la temperatura del sensor (° C) y la cuarta es la segunda temperatura (° C).

W1_2.JPG
W1_3.JPG

Fig.3 Pantalla de funcionamiento de la computadora

Fig.2 Imagen del cableado de DAQ

Descripción de la medida:
 

   q " =                       T =              
 

¿Son estos valores los que esperaba (incluido el signo y la dirección)?
 

Explicar por qué.