熱流測量校準技術展望

熱流測試是在溫度測量中擴展出一門專業，起步比較晚，發展的也不快，近幾年來才有所前進。至于熱流的校準就更慢了。但現在隨著科學的進步，工業技術的發展，熱流的測量已在不少領域有所突破。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，略談一下發展趨勢和近況。
         一、熱流計種類擴展
關于熱流計的種類在前文中已作介紹，除此而外，現在還涌現出一新的熱流計：
        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督作用。將來可取代用建筑面積吸取供暖弗，但現在技術還不成熟，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，適宜于采暖通風專業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
由于空間技術的發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，具有特別快的響應時間，一般只用于瞬態過程的測量，它的缺點是不能直接讀數據，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爐等設備散發的全部熱流量。
這種熱流計結構簡單，也不需要專門的校正設備，測頭的形狀可以根據需要做成球形、平板形等。
        7、紅外技術測熱流
在熱流測量中，利用紅外熱象儀測出物體表面溫度分布，在表面劃出等溫區域。這時即可根據等溫線分析表面散熱狀態，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。還可利用傳熱學的原理，從每一個等溫面區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熱力學第一定律得到一個熱量運算公式：
                                              （1）
式中：M——蒸汽的質量流量
        Δh——蒸汽通過鍋爐進出口或熱網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
    Δp——壓差值[N/cm2]
        ρ設——設計狀態下的飽和和水蒸氣之密度（kg/m3）
         Δh——載熱介質進出口之熱焓量
         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。分別計算出質量和熱流值Q，再尋找出Q的最大值，應定為儀表的滿量程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，也是工業生產上緊迫需要，雖然需要進一步完善，但必定是在新的領域里有所突破，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，對以下幾個問題應在方案設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計選擇時要實現。特別是標準源的穩定性尤其要注意，因為熱流小，有一點波動，就會有較大的影響。
      ２．環境輻射熱的影響，也會有較大的影響，在設計時如何采取技術措施，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，國內外均有產品，是比較準確的。采用空腔水冷罩，就是為了防止環境輻射的影響，也是一種抗干擾的措施。
        移動工作臺，是為了實現在穩態熱流輻射下，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性能較好，才能保證標準源輻射熱流場穩定。方能實現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一些問題這也是很正常現象。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。
      在航天領域中除小熱流傳感器，對于發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，隨著熱流測量應用的范圍越來越廣，種類也越來越多，校準熱流計任務也越來越艱難。