熱流測量校準技術(shù)展望

熱流測試是在溫度測量中擴展出一門專業(yè)，起步比較晚，發(fā)展的也不快，近幾年來才有所前進。至于熱流的校準就更慢了。但現(xiàn)在隨著科學(xué)的進步，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，熱流的測量已在不少領(lǐng)域有所突破。因此，對熱流的校準的要求也越來越高，以下將對其量程范圍、熱流計種類、及不確定度的擴展，略談一下發(fā)展趨勢和近況。
         一、熱流計種類擴展
關(guān)于熱流計的種類在前文中已作介紹，除此而外，現(xiàn)在還涌現(xiàn)出一新的熱流計：
        1、熱水熱流計
這是一種類似“水表”、“電表”、“氣表”的功能對熱能的消耗起到監(jiān)督作用。將來可取代用建筑面積吸取供暖弗，但現(xiàn)在技術(shù)還不成熟，沒有普遍使用。
        2、蒸汽熱流計
因為蒸汽分為過熱水蒸汽和飽和水蒸汽，所以蒸汽熱流計也相應(yīng)分為過熱水蒸汽熱流計和飽和水蒸汽熱流計兩種。由于飽和和水蒸氣是紡織、化工、食品和輕工、制藥等行業(yè)使用最為廣泛的最主要的能源形式。使用中小型鍋爐在全國約有10億多萬臺，耗煤量每年約有2億噸。因此對飽和蒸氣加強計量和管理，對節(jié)能具有十分重要意義。
        3、單向輻射熱流計
它測量輻射熱度的最低檔為116W/m2，適宜于采暖通風(fēng)專業(yè)和無熱源的建筑熱工的低輻射強度測試工作。
        4、太陽輻射計
由于空間技術(shù)的發(fā)展以及人類對能源的迫切需要，如何準確地測定太陽所輻射的熱能，就顯得更有意義。
        5、薄膜狀測頭
這種測熱流的探頭，具有特別快的響應(yīng)時間，一般只用于瞬態(tài)過程的測量，它的缺點是不能直接讀數(shù)據(jù)，而需要信號記錄和處理裝置與共配套。
        6、利用融化潛熱的熱流計
這種熱流計主要用于測量工業(yè)爐等設(shè)備散發(fā)的全部熱流量。
這種熱流計結(jié)構(gòu)簡單，也不需要專門的校正設(shè)備，測頭的形狀可以根據(jù)需要做成球形、平板形等。
        7、紅外技術(shù)測熱流
在熱流測量中，利用紅外熱象儀測出物體表面溫度分布，在表面劃出等溫區(qū)域。這時即可根據(jù)等溫線分析表面散熱狀態(tài)，尤其對于絕熱層接縫或破損處的影響的分析是其它方法不易進行的。還可利用傳熱學(xué)的原理，從每一個等溫面區(qū)域的表面溫度通過對流和輻射傳遞公式計算表面散熱的熱流密度。
總之熱流測量有很多新方法和新的熱流計，形狀各異、大、小具備、長短兼有。量程從低到高。由此給熱流計校準技術(shù)提出了很尖銳的問題，如何滿足上述各種熱流計的刻度和校準。而實際上熱流計的校準遠遠落后于熱流計發(fā)展。
     
     二、蒸汽熱流計校準
    為了完成蒸汽熱流計的校準，首先要清楚工作原理。飽和水蒸汽熱流計是根據(jù)熱力學(xué)第一定律得到一個熱量運算公式：
                                              （1）
式中：M——蒸汽的質(zhì)量流量
        Δh——蒸汽通過鍋爐進出口或熱網(wǎng)之熱力點時蒸汽的焓值的變化之差。
因為測量飽和水蒸汽的流量至今仍以標準節(jié)流孔板為主，所以飽和水蒸汽熱流計所配之流量測量方法也是經(jīng)孔板為主，當使用孔板流量計的時候，瞬時熱量（即熱流值）為：
                                          （2）
式中：Q——熱流值[W]
      K——孔板流量計算公式中的系數(shù)
    Δp——壓差值[N/cm2]
        ρ設(shè)——設(shè)計狀態(tài)下的飽和和水蒸氣之密度（kg/m3）
         Δh——載熱介質(zhì)進出口之熱焓量
         校準采用模擬辦法進行，用電阻箱代表鉑電阻，用恒定源代表流量信號， 用P2-36監(jiān)視流量輸入信號，最大10mA，在標準電阻箱250Ω上的壓降為2.5V。用P2-8監(jiān)視輸出熱量信號，最大信號為6V。用Z×25a電阻箱代表鉑電阻值（即不同的溫度）。
        然后根據(jù)理論公式按不同的量程、不同的流量信號、不同的溫度值和不同的干度。分別計算出質(zhì)量和熱流值Q，再尋找出Q的最大值，應(yīng)定為儀表的滿量程6V輸出。其它Q值可按比例算輸出電壓，根據(jù)真值來全面檢驗儀表的不確定度。
由于有干度（x）的問題，所以不能說在最大流量和最高溫度處，Q值就一定最大。因為干度對流量和熱焓均有影響，x增加，總流量減少，混合熱焓值增加，即x對流量和熱焓值的影響正好相反。而總流量的影響因素比熱焓的影響因素要大。所以對第一量程取x=0.95,流量為10Ma，溫度為160℃時，熱流值Q為最大。
       注：真值表，它的計算完全按理論公式進行。刻度當是計算。
        由于熱流計的流量信號是從標準節(jié)流孔板取出來的，雖然都是0—10mA的范圍，但對不同用戶所代表的流量都是不同的。因此在使用中還有一個確定10mA代表多少流量和熱量的問題。
這種校難方法，也是工業(yè)生產(chǎn)上緊迫需要，雖然需要進一步完善，但必定是在新的領(lǐng)域里有所突破，為熱流計校準工作指出了新的方向。
       三、0.05～2W/cm2校準裝置
對于這樣小的熱流校準計，對以下幾個問題應(yīng)在方案設(shè)計時給予足夠的重視。
      １．熱流范圍要滿足要求，這意味著在標準計和標準源方面設(shè)計選擇時要實現(xiàn)。特別是標準源的穩(wěn)定性尤其要注意，因為熱流小，有一點波動，就會有較大的影響。
      ２．環(huán)境輻射熱的影響，也會有較大的影響，在設(shè)計時如何采取技術(shù)措施，避開這種影響，否則會造成不確定度的估算，影響其校準的準確性。
      ３．在線路設(shè)計要采取防干擾措施。
因為熱流小，信號就小，干擾影響就大，因此，盡量放大信號，加強抗干擾能力。鑒于以上考慮，采用空腔式電校準熱流計，這種輻射計，國內(nèi)外均有產(chǎn)品，是比較準確的。采用空腔水冷罩，就是為了防止環(huán)境輻射的影響，也是一種抗干擾的措施。
        移動工作臺，是為了實現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)熱流輻射下，使標準計和被校熱流輪流接受輻射熱流，這樣必須使電加熱控制系統(tǒng)性能較好，才能保證標準源輻射熱流場穩(wěn)定。方能實現(xiàn)采用標準計法來校準熱流計。
       盡管如此，在研制過程還會出現(xiàn)一些問題這也是很正常現(xiàn)象。因為新研制的裝置也是有些不可忽略的問題。
       就是0.05—2W/cm2研制成功之后，還有些更低的熱流計，還需要校準，如防火用的熱流計，太陽能輻射熱流計等，仍然需要再去探索其校準問題。
      在航天領(lǐng)域中除小熱流傳感器，對于發(fā)動機氣動加熱駐點熱流測試需要極高的熱流測試，如要求要測8kW/cm2熱流。國內(nèi)外采用塊式熱流計測量。在當前，對這種熱流計的校準，在國內(nèi)仍未解決。這仍是熱流計校準工作的難題。也是面臨要解決的問題。
       總之，隨著熱流測量應(yīng)用的范圍越來越廣，種類也越來越多，校準熱流計任務(wù)也越來越艱難。