مثال عن حساس تدفق حراري
**حساس التدفق الحراري**، محول إشارة يولد إشارة كهربائية تتناسب مع معدل الحرارة الكلي المطبق على سطح الحساس. يقسم معدل الحرارة المقاس على مساحة سطح الحساس لتحديد التدفق الحراري.

يمكن أن يأتي التدفق الحراري من مصادر متنوعة؛ الحرارة المنتقلة بالتوصيل هي الأساس، ويمكن قياس الحرارة الإشعاعية أو الحرارة المنتقلة بالحِمل كذلك. تُعرف حساسات التدفق الحراري بأسماء مختلفة، منها محولات إشارة التدفق الحراري، مقاييس التدفق الحراري، صفائح التدفق الحراري. بعض الأدوات تمثل فعليًّا حساسات تدفق حراري وحيدة الغرض، كمقياس الإشعاع السماوي (البيرانومتر) لقياس الإشعاع الشمسي. من حساسات التدفق الحراري الأخرى مقياس غاردون (يعرف أيضًا باسم مقياس الرقيقة المعدنية الدائرية)، ومنها العمود الحراري رقيق الغشاء، ومقاييس شميدت-بويلتر. يقاس المعدل الحراري في منظومة الواحدات الدولية بواحدة الواط، ويُحسب التدفق الحراري بوحدة الواط لكل متر مربع.

الاستخدام
---------

تُستخدم حساسات التدفق الحراري في العديد من التطبيقات. من التطبيقات الشائعة دراسات المقاومات الحرارية لأغلفة الأبنية، أو دراسات أثر النار واللهب، أو القياسات الخاصة بالطاقة الليزرية. تشمل التطبيقات الأكثر غرابة تقدير كمية الترسبات على أسطح مرجل بخاري، وقياس درجة الحرارة لمادة رقيقة معدنية متحركة، ...إلخ.

يتكون التدفق الحراري الكلي من الجزء التوصيلي والحملي والإشعاعي معًا. وفقًا للتطبيق، يمكن قياس كميات كل من هذه الأجزاء الثلاثة أو نستثني إحداها.

كمثال على قياس تدفق حراري توصيلي نأخذ صفيحة تدفق حراري مدمجة في جدار.

كمثال على قياس كثافة تدفق حراري إشعاعي نأخذ مقياس إشعاع سماوي يقيس الإشعاع الشمسي.

كمثال على حساس يستطيع التحسس لكل من التدفق الحراري الإشعاعي والحملي نأخذ مقياس غاردون أو مقياس شميدت-بويلتر، المستخدمين في دراسات النار واللهب. يجب على مقياس غاردون أن يقيس الحمل الحراري بشكل عمودي على سطح الحساس ليكون دقيقًا وذلك بسبب بنيته المكونة من رقيقة معدنية دائرية، في حين يستطيع الشكل الهندسي (سلك ملفوف) لمقياس شميدت-بويلتر أن يقيس كلًا من التدفقات العمودية والموازية. في هذه الحالة يثبت الحساس على جسم مبرد بالماء. يمكن أن تستخدم هذه الحساسات في فحص مقاومة الاحتراق لجعل النار التي تتعرض لها العينات على المستوى الصحيح من الشدة.

هناك أمثلة عديدة على حساسات تستخدم داخليًّا حساسات للتدفق الحراري كمقاييس الطاقة الليزرية، ومقاييس الإشعاع السماوي، وغيرها.

سنناقش ثلاثة مجالات كبيرة من التطبيقات فيما يلي.

### التطبيقات في علم الأرصاد الجوية والزراعة

التدفق الحراري للتربة هو أهم مؤشر (بارامتر) في الدراسات الزراعية-الجوية؛ بما أنه يسمح بدراسة كمية الطاقة المخزنة في التربة كتابع للزمن.

عادةً يُدفن حساسان أو ثلاثة في الأرض حول محطة أرصاد جوية على عمق يقارب 4 سم تحت سطح الأرض. المشاكل المؤثرة في التربة ثلاث:

> الأولى حقيقة أن الخصائص الحرارية للتربة تتغير باستمرار عن طريق امتصاص الماء وتبخره المتتابعين.
> 
> 
> الثانية، تدفق الماء عبر التربة يمثل أيضًا تدفق طاقة، ترافقه صدمة حرارية عادةً ما يساء تفسيرها في الحساسات التقليدية.
> 
> 
> 
> المشكلة الثالثة في التربة أن جودة التلامس بين الحساس والتربة غير معروفة وذلك بسبب عملية الترطيب والتجفيف المستمرة وبسبب الحيوانات التي تعيش في التربة.
> 
> 

نتيجة كل ما سبق، فإن جودة المعطيات عند قياس التدفق الحراري في التربة ليست تحت السيطرة؛ يعتبر قياس التدفق الحراري في التربة أمرًا فائق الصعوبة.

### التطبيقات في فيزياء البناء

في عالم يزداد باستمرار اهتمامه بتوفير الطاقة، أصبحت دراسة الخصائص الحرارية للأبنية مجالًا يزداد الاهتمام به. إحدى نقاط الانطلاق في هذه الدراسات هي تثبيت حساسات التدفق الحراري على الجدران في الأبنية الموجودة مسبقًا أو الهياكل التي بنيت خصيصًا لهذا النوع من البحث. يمكن لحساسات التدفق الحراري المثبتة على أحد جدران البناء أو عناصر مغلفه الحراري مراقبة كمية الربح/ الفقد الطاقي الحراري عبر ذلك العنصر و/ أو يمكن استخدامه لقياس المقاومة الحرارية للمغلف الحراري للبناء (قيمة المقاومة الحراري آر)، أو الناقلية الحراري (قيمة الناقلية الحرارية يو).

يمكن مقارنة قياس التدفق الحراري في الجدران بقياس التدفق الحراري في التربة من عدة نواحٍ. لكن هناك فرقان رئيسيان هما حقيقة أن الخصائص الحرارية لجدار لا تتغير بشكل عام (بافتراض عدم تغير محتوى الرطوبة في الجدار) وأنه لا يمكن بالضرورة تركيب حساس التدفق الحراري في الجدار، فيجب عندها تثبيته على السطح الداخلي أو الخارجي للجدار. عند وجوب تثبيت حساس التدفق الحراري على سطح الجدار، على المرء الانتباه لعدم كون المقاومة الحرارية المضافة كبيرة جدًّا. أيضًا على الخواص الطيفية للحساس أن تطابق الخواص الطيفية للجدار ما أمكن. ويكون هذا مهمًّا جدًّا إذا كان الحساس معرضًا للإشعاع الشمسي. في هذه الحالة يُنصح بطلي الحساس بنفس لون الجدار. أيضًا ينصح باستخدام حساسات تدفق حراري ذاتية المعايرة في الجدران.

### التطبيقات في الدراسات الطبية

يُعد قياس التبادل الحراري للبشر أمرًا هامًا للدراسات الطبية، وعند تصميم الثياب، وأكياس النوم، وبدلات الغطس.

من الصعوبات عند إجراء هذا القياس أن جلد الإنسان ليس ملائمًا بشكل خاص لتثبيت حساسات التدفق الحراري. أيضًا، على الحساس أن يكون رقيقًا؛ لأن الجلد يلعب دور مصرف حراري ثابت درجة الحرارة، لذا يجب تفادي المقاومة الحرارية الإضافية. من المشاكل الأخرى أن الأشخاص قد يتحركون. يمكن أن يضيع التماس بين الشخص الذي تجرى عليه التجربة والحساس. لهذا السبب، متى ما طُلب مستوى عالٍ من ضمان جودة القياس، يمكن أن يُنصح باستخدام حساس ذاتي المعايرة.

### التطبيقات في الصناعة

تستخدم حساسات التدفق الحراري أيضًا في البيئات الصناعية، حيث قد تكون درجة الحرارة والتدفق الحراري أعلى بكثير. من الأمثلة على هذه البيئات استخراج الألمنيوم بالصهر، المركزات الشمسية، مراجل الفحم، الأفران اللافحة، أنظمة مشاعل الغاز، الأسرّة المُسالة، مصافي فحم الكوك،...

الخصائص
-------

على حساس التدفق الحراري قياس كثافة التدفق الحراري المحلي باتجاه واحد. يعبر عن النتيجة بواحدة الواط لكل متر مربع. يجرى الحساب وفق:

{\displaystyle \phi \_{q}={\frac {V\_{\mathrm {sen} }}{E\_{\mathrm {sen} }}}}

حيث {\displaystyle V\_{\mathrm {sen} }} خرج الحساس و{\displaystyle E\_{\mathrm {sen} }} ثابت المعايرة، وهو خاص بالحساس.

لحساسات التدفق الحراري عادةً شكل صفيحة مسطحة وحساسية بالاتجاه العمودي على سطح الحساس.

عادةً يُستعمل عدد من المزدوجات الحرارية المتصلة على التسلسل وتدعى الأعمدة الحرارية. الميزات العامة للأعمدة الحرارية هي استقرارها، وانخفاض قيمتها الأومية أو قيمة مقاومتها (ما يعني قلة تأثرها بالاضطرابات الكهرطيسية)، وامتلاكها نسبة ضجيج بإشارة جيدة، وحقيقة أن الدخل الصفري يعطي خرجًا صفريًّا. من مساوئها انخفاض الحساسية.

لفهم سلوك حساس التدفق الحراري بشكل أفضل، يمكن نمذجته كدارة كهربائية بسيطة تتكون من مقاومة، {\displaystyle R}، ومكثف سعوي، {\displaystyle C}. بهذه الطريقة يمكن رؤية أن المرء يمكن أن يعزو مقاومة حرارية {\displaystyle R\_{\mathrm {sen} }}، وسعة حرارية {\displaystyle C\_{\mathrm {sen} }}، وأيضًا زمن استجابة {\displaystyle \tau \_{\mathrm {sen} }} إلى الحساس.

عادةً، تكون المقاومة الحرارية والسعة الحرارية لحساس التدفق الحراري بأكمله مساويةً لتلك الخاصة بمادة الحشو. باستخدام التشبيه بدارة كهربائية مجددًا، نصل إلى العلاقة التالية لزمن الاستجابة:

{\displaystyle \tau \_{\mathrm {sen} }=R\_{\mathrm {sen} }C\_{\mathrm {sen} }={\frac {d^{2}\rho C\_{p}}{\lambda }}}

وفيها {\displaystyle d} سماكة الحساس، و{\displaystyle \rho } الكثافة، و{\displaystyle C\_{p}} السعة الحرارية النوعية، و{\displaystyle \lambda } الموصلية الحرارية. من هذه الصيغة يمكن استنتاج أن الخواص المادية لمادة الحشو تحدد بالإضافة إلى الأبعاد زمن الاستجابة. كقاعدة تجريبية، زمن الاستجابة متناسب مع السماكة مرفوعة إلى الأس التربيعي. البارامترات الأخرى التي تحدد خواص الحساس هي الخصائص الكهربائية للمزدوجة الحرارية. يسبب اعتماد المزدوجة الحرارية على درجة الحرارة كلًّا من اعتماد حساس التدفق الحراري على درجة الحرارة وعدم خطيته. عدم الخطية عند درجة حرارة معينة هي فعليًّا مشتق العلاقة مع درجة الحرارة عند درجة الحرارة المعينة تلك.

على كل، يمكن لحساس جيد التصميم أن يكون تعلقه بدرجة الحرارة أقل وخطيته أفضل مما هو متوقع. هناك طريقتان لتحقيق ذلك:

كاحتمال أول، يمكن استخدام تعلق التوصيل الحراري لمادة الحشو ولمادة المزدوجة الحرارية بدرجة الحرارة لموازنة تعلق فرق الكمون المولد من العمود الحراري بدرجة الحرارة.

الاحتمال الآخر لتخفيض تعلق حساس التدفق الحراري بدرجة الحرارة، هو استخدام شبكة مقاومات كهربائية فيها مقاوم حراري (ثيرمستور). ستؤدي علاقة الثيرمستور بدرجة الحرارة إلى موازنة علاقة العمود الحراري بدرجة الحرارة.

مراجع
-----

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. ↑  "Example of sensors for different applications". مؤرشف من الأصل في 2017-09-25.
5. ↑  "FluxTeq Heat Flux Sensors | National Lab-Approved Heat Flux Sensors". *FluxTeq Heat Flux Sensors | National Lab-Approved Heat Flux Sensors*. مؤرشف من الأصل في 2017-11-16. اطلع عليه بتاريخ 2017-11-16.
6. ↑  "greenTEG application note:building physics" (PDF). اطلع عليه بتاريخ أكتوبر 2020. `{{استشهاد ويب}}`: تحقق من التاريخ في: `|تاريخ الوصول=` (مساعدة)صيانة الاستشهاد: url-status (link)

| * ع
* ن
* ت
مستشعرات |
| --- |
| الصوتية، الصوت، الاهتزاز | 
* سماعة أرضية
* سماعة مائية
* ميكروفون
* مقياس الزلازل

 |
| السيارات والنقل | 
* مقياس نسبة الهواء إلى الوقود
* حساس رصد النقطة العمياء
* Crankshaft position sensor
* Curb feeler
* Defect detector
* حساس درجة حرارة سائل تبريد المحرك
* Hall effect sensor
* MAP sensor
* Mass flow sensor
* Omniview technology
* حساس الأكسجين
* حساسات الإصطفاف
* مسدس الرادار
* قائمة أجهزة الاستشعار
* عداد سرعة
* حساس موضع الصمام الخانق
* نظام مراقبة ضغط الإطارات
* Torque sensor
* Transmission fluid temperature sensor  ‏
* Turbine speed sensor  ‏
* Variable reluctance sensor
* Vehicle speed sensor  ‏
* Water sensor
* Wheel speed sensor

 |
| المواد الكيميائية | 
* مقياس الكحول بالدم
* حساس غاز ثاني أكسيد الكربون
* جهاز التنبيه عن أول أكسيد الكربون
* Catalytic bead sensor
* المواد الكيميائية field-effect transistor
* Electroالمواد الكيميائية gas sensor
* Electrolyte–insulator–semiconductor sensor
* أنف إلكتروني
* Fluorescent chloride sensors
* Holographic sensor
* نقطة ندى الهيدروكربون analyzer
* Hydrogen sensor
* حساس غاز كبريتيد الهيدروجين
* Infrared point sensor
* قطب انتقائي للأيون
* Microwave chemistry sensor
* حساس غاز أكسيد النيتروجين
* Nondispersive infrared sensor
* Olfactometer
* Optode
* حساس الأكسجين
* Pellistor
* قطب زجاجي
* حساس المقاومة المتغيرة
* قطب العمل
* كاشف الدخان
* Zinc oxide nanorod sensor

 |
| الكهربائية والمغناطيسية والراديو | 
* حساس التيار
* مكشاف كهربائي
* مقياس غلفاني
* Hall effect sensor
* Hall probe
* كاشف الشذوذ المغناطيسي
* مقياس المغناطيسية
* MEMS magnetic field sensor
* كاشف المعادن
* Planar Hall sensor
* Radio direction finder
* Test light

 |
| البيئة، الطقس، رطوبة | 
* مقياس شدة الإشعاع
* إنذار التبول اللاإرادي
* مسجل ارتفاع السحاب
* مسجل الفيديو
* Electroالمواد الكيميائية gas sensor
* Fish counter
* Frequency domain sensor
* مكشاف الغاز
* Hook gauge evaporimeter
* Humistor
* جهاز قياس الرطوبة
* Leaf sensor
* جهاز قياس الرطوبة
* مقياس الإشعاع السماوي
* Pyrgeometer
* مغياث
* Rain sensor
* SNOTEL
* Snow gauge
* Soil moisture sensor
* Stream gauge
* Tide gauge
* رادار الطقس

 |
| التدفق ، سرعة السوائل | 
* عداد تدفق الهواء
* مرياح
* قياس التدفق
* Gas meter
* Mass flow sensor
* عداد مياه

 |
| الإشعاعات المؤينة، الجسيمات دون الذرية | 
* غرفة فقاقيع
* غرفة سحابية
* أنبوب جايجر-مولر
* عداد غايغر
* غرفة تأين
* كاشف النيوترون
* مكشاف جسيمات
* عداد تناسبي
* عداد وميضي
* مكشاف شبه الموصلات
* وماض
* مقياس الجرعة الحراري الضوئي
* غرفة سلكية

 |
| أدوات الملاحة | 
* عداد سرعة جوية
* مؤشر ماخ
* مقياس الارتفاع
* مبين الوضع
* Depth gauge
* Fluxgate compass
* دوام
* نظام الملاحة بالقصور الذاتي
* Inertial reference unit
* بوصلة
* هيدروديناميكا مغناطيسية
* Ring laser gyroscope
* مؤشر الانعطاف
* مقياس التباين
* Vibrating structure gyroscope
* Yaw-rate sensor

 |
| الموقف، الزاوية، الإزاحة | 
* مقياس تسارع
* Angular rate sensor
* Auxanometer
* Capacitive displacement sensor
* Capacitive sensing
* مقياس الجاذبية الأرضية
* مميال
* Integrated circuit piezoelectric sensor
* مقدر مسافات ليزري
* Laser surface velocimeter
* ليدار
* Linear encoder
* محول تفاضلي متغير خطي
* Liquid capacitive inclinometers
* Odometer
* حساس كهروضوئي
* Piezoelectric accelerometer
* حساس الموضع
* مرمز دوراني
* المحول التفاضلي المتغير الدوار
* Selsyn
* Sudden Motion Sensor
* عداد دوران
* مميال
* Ultrasonic thickness gauge
* Variable reluctance sensor
* Velocity receiver

 |
| بصري، ضوء، التصوير | 
* Active pixel sensor
* Angle–sensitive pixel
* Back-illuminated sensor
* جهاز اقتران الشحنة
* Contact image sensor
* مستشعر كهربائي بصري
* Flame detector
* الأشعة تحت الحمراء
* Kinetic inductance detector
* دائرة الصمام الثنائي الباعث للضوء
* Light-addressable potentiometric sensor
* Nichols radiometer
* ليف بصري
* مكشاف ضوئي
* ثنائي ضوئي
* حساس كهروضوئي
* Photoionization detector
* مضاعف ضوئي
* مقاومة ضوئية
* Photoswitch
* ثنائي ضوئي
* صمام ضوئي
* مكشاف موضع ضوئي
* Scintillometer
* Shack–Hartmann wavefront sensor
* ثنائي ضوئي شلالي
* Superconducting nanowire single-photon detector
* مجس حافة انتقال
* Tristimulus colorimeter
* Visible-light photon counter
* مستشعر مقدمة الموجة

 |
| الظغط | 
* مرسمة الضغط الجوي
* مقياس ضغط جوي
* Boost gauge
* قياس الضغط
* Hot-filament ionization gauge
* قياس الضغط
* مقياس مكلويد للضغط
* Oscillating U-tube
* Permanent Downhole Gauge
* Piezometer
* Pirani gauge
* قياس الضغط
* Pressure sensor
* Tactile sensor
* Time pressure gauge

 |
| القوة، الكثافة، المستوى | 
* Bhangmeter
* مقياس القوة
* مكثاف
* Level sensor
* Load cell
* Magnetic level gauge
* Nuclear density gauge
* مجس كهرضغطي
* مقياس الانفعال
* Torque sensor
* مقياس اللزوجة

 |
| الحرارية، الحرارة، درجة الحرارة | 
* ثنائي المعدن
* مقياس الإشعاع الحراري
* مسعر
* Exhaust gas temperature gauge
* Flame detection
* Gardon gauge
* خلية غولي
* حساس تدفق حراري
* مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء
* مقياس الإشعاع الحراري المجهري
* Microwave radiometer
* Net radiometer
* Quartz thermometer
* Resistance thermometer
* Silicon bandgap temperature sensor
* Special sensor microwave/imager
* مقاومة حرارية
* مزدوجة حرارية
* مقياس حرارة

 |
| القرب ، الوجود | 
* مستشعر الإنذار
* رادار دوبلر
* كاشف الحركة
* Occupancy sensor
* مجس بيروكهربائي
* حساس القرب
* المفتاح القصبي
* Stud finder
* مفتاح اللمس
* Triangulation sensor
* Wired glove

 |
| تقانة الاستشعار | 
* Active pixel sensor
* Back-illuminated sensor
* رقاقة حيوية
* مستشعر حيوي
* Capacitance probe
* Carbon paste electrode
* Catadioptric sensor
* Digital sensors
* Displacement receiver
* Electromechanical film
* مستشعر كهربائي بصري
* مقياس فابري-بيرو
* Fisheries acoustics
* حساس (تصوير)
* Image sensor format
* Inductive sensor
* Intelligent sensor
* مختبر على رقاقة
* Leaf sensor
* رؤية آلية
* نظم كهروميكانيكية صغرى
* مرونة ضوئية
* Quantum sensor
* رادار
	+ رادار قياس الأرض
	+ رادار الفتحة التركيبية
* Radar tracker
* Sensor array
* Sensor fusion
* Sensor grid
* Sensor node
* Soft sensor
* سونار
* Staring array
* محوال
* استشعار الموجات فوق الصوتية
* Video تقانة الاستشعار
* Visual sensor network
* قنطرة ويتستون
* شبكات استشعار لاسلكية

 |
| ذات صلة | 
* قائمة أجهزة الاستشعار

 |

* أيقونة بوابةبوابة الفيزياء
* أيقونة بوابةبوابة تقانة

|  |
| --- |
| **مستشعر تدفق حراري** في المشاريع الشقيقة: |
|  |  |