Funktionsweise
Die Bestimmung des Wärmeflusses (exakt: Wärmestromdichte) mittels Wärmeflussmessplatten wird auf eine Messung des Temperaturabfalls (Temperaturdifferenz Δϑ ) über einem Wärmewiderstand R zurückgeführt, woraus sie sich mit
ermitteln lässt. Der Wärmewiderstand einer Schicht wird durch deren Dicke Δx und ihre Wärmeleitfähigkeit λ bestimmt.
Er sollte, um das Messobjekt möglichst wenig zu beeinflussen, klein gehalten werden. Für die Messung der deshalb sehr kleinen Temperaturdifferenz (einige mK) dient eine Reihenschaltung von vielen (mehrere Hundert bis zu einigen Tausend) Thermoelementen.
Mit der Anzahl der Thermoelementpaare N und dem Seebeckkoeffizienten α der Thermopaarung kann die Wärmestromdichte gemäß
berechnet werden. Die gemessene Thermospannung U ist der Wärmestromdichte proportional. Da die benötigten Parameter jedoch nicht genau genug ermittelt werden können, werden Wärmeflussmessplatten grundsätzlich kalibriert. Der Kalibrierwert c des Sensors ist der Proportionalitätsfaktor zwischen der zu messenden Wärmestromdichte und der gemessenen Thermospannung U.
Er gibt an, welche Wärmestromdichte durch die Wärmeflussmessplatte fließen muss, damit eine Spannung von 1 mV entsteht. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit unserer Wärmeflussmessplatten (dem entsprechen kleine Kalibrierwerte) liefern diese typisch Spannungen im Millivoltbereich. Diese können bequem mit handelsüblicher Messtechnik erfasst werden. Da zudem der Quellwiderstand (Innenwiderstand) der Wärmeflussmessplatten relativ gering ist, werden in der Regel keine geschirmten Leitungen zum Anschluss benötigt.
Das Anbringen einer Wärmeflussmessplatte verursacht immer eine Störung des ursprünglich vorhandenen Temperaturfeldes. Die Verringerung der Wärmestromdichte durch den zusätzlichen Wärmewiderstand kann leicht abgeschätzt werden und ist meist zu vernachlässigen. Jedoch wird auch die Eindimensionalität des Temperaturfeldes gestört (“ein Teil des Wärmestroms geht um die Wärmeflussmessplatte herum”). Die Folge ist, dass der Wärmestrom im Randbereich der Wärmeflussmessplatte geringer ist als in deren Zentrum. Bei der Kalibrierung wird jedoch durch geeignete Maßnahmen dafür Sorge getragen, dass die gesamte Wärmeflussmessplatte von einem homogenen Wärmestrom durchflossen wird. Um dadurch bedingte Messfehler zu vermindern, befindet sich um den Bereich der Thermoelemente (die aktive Fläche) ein breiter Randstreifen, der sogenannte Schutzring. Dieser ist genauso aufgebaut wie die eigentliche Wärmeflussmessplatte, jedoch ohne Thermoelemente. Eine Verringerung des Wärmeflusses soll nur auf den Schutzringbereich beschränkt bleiben und hat demzufolge keinen Einfluss auf das Messergebnis.
Der benötigte Wärmewiderstand wird durch ein streifenförmiges Trägermaterial, auf welches die Thermoelementpaarungen aufgebracht werden, realisiert. Bei den starren Wärmeflussmessplatten sind diese Thermoelementketten mit Epoxidharz vergossen und von einer Laminatschicht abgedeckt.
Bei den flexiblen Typen ist die Vergussmasse ein Silikongummi.
Wegen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials, der Temperaturabhängigkeit des Wärmewiderstandes und der Temperaturabhängigkeit des Seebeckkoeffizienten, ist der Kalibrierwert von der Einsatztemperatur des Sensors abhängig.
Diese Abhängigkeit wurde für unsere Sensoren in einer Plattenapparatur bestimmt. Das Ergebnis dieser Messungen zeigt eine nahezu lineare Abhängigkeit der Kalibrierwerte von der Temperatur. Damit kann zur Verbesserung der Genauigkeit von Wärmeflussmessungen in einem erweiterten Temperaturbereich eine Korrektur vorgenommen werden.