热流测量校准技术展望

  云天 ·  2008-06-23 13:11  ·  53273 次点击
热流测试是在温度测量中扩展出一门专业,起步比较晚,发展的也不快,近几年来才有所前进。至于热流的校准就更慢了。但现在随着科学的进步,工业技术的发展,热流的测量已在不少领域有所突破。因此,对热流的校准的要求也越来越高,以下将对其量程范围、热流计种类、及不确定度的扩展,略谈一下发展趋势和近况。
一、热流计种类扩展
关于热流计的种类在前文中已作介绍,除此而外,现在还涌现出一新的热流计:
1、热水热流计
这是一种类似“水表”、“电表”、“气表”的功能对热能的消耗起到监督作用。将来可取代用建筑面积吸取供暖弗,但现在技术还不成熟,没有普遍使用。
2、蒸汽热流计
因为蒸汽分为过热水蒸汽和饱和水蒸汽,所以蒸汽热流计也相应分为过热水蒸汽热流计和饱和水蒸汽热流计两种。由于饱和和水蒸气是纺织、化工、食品和轻工、制药等行业使用最为广泛的最主要的能源形式。使用中小型锅炉在全国约有10亿多万台,耗煤量每年约有2亿吨。因此对饱和蒸气加强计量和管理,对节能具有十分重要意义。
3、单向辐射热流计
它测量辐射热度的最低档为116W/m2,适宜于采暖通风专业和无热源的建筑热工的低辐射强度测试工作。
4、太阳辐射计
由于空间技术的发展以及人类对能源的迫切需要,如何准确地测定太阳所辐射的热能,就显得更有意义。
5、薄膜状测头
这种测热流的探头,具有特别快的响应时间,一般只用于瞬态过程的测量,它的缺点是不能直接读数据,而需要信号记录和处理装置与共配套。
6、利用融化潜热的热流计
这种热流计主要用于测量工业炉等设备散发的全部热流量。
这种热流计结构简单,也不需要专门的校正设备,测头的形状可以根据需要做成球形、平板形等。
7、红外技术测热流
在热流测量中,利用红外热象仪测出物体表面温度分布,在表面划出等温区域。这时即可根据等温线分析表面散热状态,尤其对于绝热层接缝或破损处的影响的分析是其它方法不易进行的。还可利用传热学的原理,从每一个等温面区域的表面温度通过对流和辐射传递公式计算表面散热的热流密度。
总之热流测量有很多新方法和新的热流计,形状各异、大、小具备、长短兼有。量程从低到高。由此给热流计校准技术提出了很尖锐的问题,如何满足上述各种热流计的刻度和校准。而实际上热流计的校准远远落后于热流计发展。
二、蒸汽热流计校准
为了完成蒸汽热流计的校准,首先要清楚工作原理。饱和水蒸汽热流计是根据热力学第一定律得到一个热量运算公式:
(1)
式中:M——蒸汽的质量流量
Δh——蒸汽通过锅炉进出口或热网之热力点时蒸汽的焓值的变化之差。
因为测量饱和水蒸汽的流量至今仍以标准节流孔板为主,所以饱和水蒸汽热流计所配之流量测量方法也是经孔板为主,当使用孔板流量计的时候,瞬时热量(即热流值)为:
(2)
式中:Q——热流值
K——孔板流量计算公式中的系数
Δp——压差值
ρ设——设计状态下的饱和和水蒸气之密度(kg/m3)
Δh——载热介质进出口之热焓量
校准采用模拟办法进行,用电阻箱代表铂电阻,用恒定源代表流量信号,用P2-36监视流量输入信号,最大10mA,在标准电阻箱250Ω上的压降为2.5V。用P2-8监视输出热量信号,最大信号为6V。用Z×25a电阻箱代表铂电阻值(即不同的温度)。
然后根据理论公式按不同的量程、不同的流量信号、不同的温度值和不同的干度。分别计算出质量和热流值Q,再寻找出Q的最大值,应定为仪表的满量程6V输出。其它Q值可按比例算输出电压,根据真值来全面检验仪表的不确定度。
由于有干度(x)的问题,所以不能说在最大流量和最高温度处,Q值就一定最大。因为干度对流量和热焓均有影响,x增加,总流量减少,混合热焓值增加,即x对流量和热焓值的影响正好相反。而总流量的影响因素比热焓的影响因素要大。所以对第一量程取x=0.95,流量为10Ma,温度为160℃时,热流值Q为最大。
注:真值表,它的计算完全按理论公式进行。刻度当是计算。
由于热流计的流量信号是从标准节流孔板取出来的,虽然都是0—10mA的范围,但对不同用户所代表的流量都是不同的。因此在使用中还有一个确定10mA代表多少流量和热量的问题。
这种校难方法,也是工业生产上紧迫需要,虽然需要进一步完善,但必定是在新的领域里有所突破,为热流计校准工作指出了新的方向。
三、0.05~2W/cm2校准装置
对于这样小的热流校准计,对以下几个问题应在方案设计时给予足够的重视。
1.热流范围要满足要求,这意味着在标准计和标准源方面设计选择时要实现。特别是标准源的稳定性尤其要注意,因为热流小,有一点波动,就会有较大的影响。
2.环境辐射热的影响,也会有较大的影响,在设计时如何采取技术措施,避开这种影响,否则会造成不确定度的估算,影响其校准的准确性。
3.在线路设计要采取防干扰措施。
因为热流小,信号就小,干扰影响就大,因此,尽量放大信号,加强抗干扰能力。鉴于以上考虑,采用空腔式电校准热流计,这种辐射计,国内外均有产品,是比较准确的。采用空腔水冷罩,就是为了防止环境辐射的影响,也是一种抗干扰的措施。
移动工作台,是为了实现在稳态热流辐射下,使标准计和被校热流轮流接受辐射热流,这样必须使电加热控制系统性能较好,才能保证标准源辐射热流场稳定。方能实现采用标准计法来校准热流计。
尽管如此,在研制过程还会出现一些问题这也是很正常现象。因为新研制的装置也是有些不可忽略的问题。
就是0.05—2W/cm2研制成功之后,还有些更低的热流计,还需要校准,如防火用的热流计,太阳能辐射热流计等,仍然需要再去探索其校准问题。
在航天领域中除小热流传感器,对于发动机气动加热驻点热流测试需要极高的热流测试,如要求要测8kW/cm2热流。国内外采用块式热流计测量。在当前,对这种热流计的校准,在国内仍未解决。这仍是热流计校准工作的难题。也是面临要解决的问题。
总之,随着热流测量应用的范围越来越广,种类也越来越多,校准热流计任务也越来越艰难。

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