机械式、超声波、电磁式热量表在水暖系统中的应用分析
热计量最初在欧洲工业企业中用于计算生产过程的热量消耗，随着供暖市场的扩张该方法逐步被用于民用，由于初期的高价格，热量表没有采用分户安装的方式，每幢建筑物只设总表。随着应用规模的扩大及类型的多样化，热量表结构出现了变化，以配置的流量计型式划分，水暖系统使用的有机械式、超声波式、电磁式三种热量表。
机械式最早被用于供暖系统，利用转动部件实现流量计量，以镍或铜套温度计为测温元件。该类型热量表内部水流速度场分布与流量波动相关，根据该特点建立理论模型，可用于分析速度剖面、水流粘度及涡流的影响。数值模拟方法的应用促进了机械式热量表的研宄，借助模拟结果可以分析不同转速下水流流动参数变化的影响。高温水对机械式热量表的工作有较大影响，180°Ｃ水温条件下以LDV装置测速，测试数据的相对不确定度仅为0.2％，试验结果对高水温条件下该种类热量表的应用具有重要参考价值。水流对旋转机械部件的作用、杂质引起的流道阻塞等都会影响机械式热量表的工作，使计量精度降低，转动部件的易磨损、对水质的较高要求、水流物性参数以及流动状态变化的影响限制了其使用。
电磁式热量表利用电动势信号实现流量测量，根据流速、水流电导率对测量结果的影响，以电极位置、液位与流量的关系处理电极信号，可以増加量程。karamifard M.等建立了二维数学模型，以有限差分法求解电极间的感应电势，并且利用MATLAB软件进行仿真，以提高计量精度。磁场强度会影响该类型热量表的灵敏度，有限元法的分析结果表明Halbach磁体结构的应用有效提高了磁场强度和灵敏度。电磁式热量表结构、生产工艺复杂，制造、运行成本高，使用条件严苛，阻碍了其应用和推广。
超声波可在多种流体内传播的特点使其得到了广泛应用。十九世纪末超声波首先被用于试验过程，其在液体内产生的声场强度取决于声波的振荡和液体性质。混响时间（超声波停止发射后声场内某一点超 声波延续的时间）是超声波在液体中入射、接收过程的重要指标，Mulders C.E.的研究结果表明混响时间与液体对超声波的吸收状况密切相关，超声波的传播速度和衰减系数会影响测试结果，声波理论的研究及应用促进了超声波热量表的研发。超声波流量计（基表）、温度传感器、积算器（主机）是超声波热量表的主要部件，利用水中传播时超声波具有的良好方向性、穿透性，热量表以换能器完成超声波信号的发射、接收，通过分析信号结果获得流速，测速过程无测试部件进入流场、无流场干扰，不同于早期的“侵入式”测量，上述特点有利于计量精度的提高，为其大范围应用奠定了基础，以测速方法的差别对该型式热量表分类，如图1-1。
供暖系统中以传播速度法实现流速测量占有较大比重，该方法又可分为三种，即“时差法”、“频差法”、“相差法”。“时差法”、 “频差法”均需利用声波速度进行计算，声波传播速度与水温有关， 水温有变化时需修正。“相差法”不受水温影响但对波形有较高要求，现场使用易受干扰，限制了其应用。“频差法”有多个声波脉冲循环存在时相互间会发生干扰，影响频率差值的测量，该方法对超声波换能器的布置数量有一定要求。“时差法”的流速计算利用声波在水中逆流、顺流传播的时间差实现，对管径和水质有较好适应性，得到了广泛应用。
热计量最初在欧洲工业企业中用于计算生产过程的热量消耗，随着供暖市场的扩张该方法逐步被用于民用，由于初期的高价格，热量表没有采用分户安装的方式，每幢建筑物只设总表。随着应用规模的扩大及类型的多样化，热量表结构出现了变化，以配置的流量计型式划分，水暖系统使用的有机械式、超声波式、电磁式三种热量表。
机械式最早被用于供暖系统，利用转动部件实现流量计量，以镍或铜套温度计为测温元件。该类型热量表内部水流速度场分布与流量波动相关，根据该特点建立理论模型，可用于分析速度剖面、水流粘度及涡流的影响。数值模拟方法的应用促进了机械式热量表的研宄，借助模拟结果可以分析不同转速下水流流动参数变化的影响。高温水对机械式热量表的工作有较大影响，180°Ｃ水温条件下以LDV装置测速，测试数据的相对不确定度仅为0.2％，试验结果对高水温条件下该种类热量表的应用具有重要参考价值。水流对旋转机械部件的作用、杂质引起的流道阻塞等都会影响机械式热量表的工作，使计量精度降低，转动部件的易磨损、对水质的较高要求、水流物性参数以及流动状态变化的影响限制了其使用。
电磁式热量表利用电动势信号实现流量测量，根据流速、水流电导率对测量结果的影响，以电极位置、液位与流量的关系处理电极信号，可以増加量程。karamifard M.等建立了二维数学模型，以有限差分法求解电极间的感应电势，并且利用MATLAB软件进行仿真，以提高计量精度。磁场强度会影响该类型热量表的灵敏度，有限元法的分析结果表明Halbach磁体结构的应用有效提高了磁场强度和灵敏度。电磁式热量表结构、生产工艺复杂，制造、运行成本高，使用条件严苛，阻碍了其应用和推广。
超声波可在多种流体内传播的特点使其得到了广泛应用。十九世纪末超声波首先被用于试验过程，其在液体内产生的声场强度取决于声波的振荡和液体性质。混响时间（超声波停止发射后声场内某一点超 声波延续的时间）是超声波在液体中入射、接收过程的重要指标，Mulders C.E.的研究结果表明混响时间与液体对超声波的吸收状况密切相关，超声波的传播速度和衰减系数会影响测试结果，声波理论的研究及应用促进了超声波热量表的研发。超声波流量计（基表）、温度传感器、积算器（主机）是超声波热量表的主要部件，利用水中传播时超声波具有的良好方向性、穿透性，热量表以换能器完成超声波信号的发射、接收，通过分析信号结果获得流速，测速过程无测试部件进入流场、无流场干扰，不同于早期的“侵入式”测量，上述特点有利于计量精度的提高，为其大范围应用奠定了基础，以测速方法的差别对该型式热量表分类，如图1-1。
供暖系统中以传播速度法实现流速测量占有较大比重，该方法又可分为三种，即“时差法”、“频差法”、“相差法”。“时差法”、 “频差法”均需利用声波速度进行计算，声波传播速度与水温有关， 水温有变化时需修正。“相差法”不受水温影响但对波形有较高要求，现场使用易受干扰，限制了其应用。“频差法”有多个声波脉冲循环存在时相互间会发生干扰，影响频率差值的测量，该方法对超声波换能器的布置数量有一定要求。“时差法”的流速计算利用声波在水中逆流、顺流传播的时间差实现，对管径和水质有较好适应性，得到了广泛应用。
提气质增颜值~廊坊电视调频发射塔旧貌换新颜，美轮美奂
近日，廊坊电视调频发射塔天馈线更换和塔身维护工作完毕。经除锈、维护、刷漆、防雷等多道工序，廊坊电视调频发射塔面貌焕然一新，在蓝天湖水暖阳的映衬下熠熠生辉，成为廊坊又一新风景。据了解，廊坊电视调频发射塔于1993年建成，至今已使用28年，塔身高200米，为六边自立塔，是集电视、调频、微波传输等功能于一体的综合塔。此次维护修缮改善了多年使用出现的腐蚀现象，将有效遏制铁塔结构的劣化，进一步优化发射信号，为更好地服务市民及合理使用铁塔做好准备。
近日，廊坊电视调频发射塔天馈线更换和塔身维护工作完毕。经除锈、维护、刷漆、防雷等多道工序，廊坊电视调频发射塔面貌焕然一新，在蓝天湖水暖阳的映衬下熠熠生辉，成为廊坊又一新风景。据了解，廊坊电视调频发射塔于1993年建成，至今已使用28年，塔身高200米，为六边自立塔，是集电视、调频、微波传输等功能于一体的综合塔。此次维护修缮改善了多年使用出现的腐蚀现象，将有效遏制铁塔结构的劣化，进一步优化发射信号，为更好地服务市民及合理使用铁塔做好准备。
第六一七天，极地冰芯对于古气候研究非常有价值，其‘存档’了数十乃至数百个千年纪下众多独特的指标或者其他信息，比如与气溶胶有关的大气污染物。要可靠地破译冰芯记录中最古老的部分内包含的宝贵信息（同时也是最大深度和最薄厚度），关键在于采用高分辨率分析方法，同时了解内含的大气杂质与冰晶基体之间的相互作用。
激光剥蚀-电感耦合等离子质谱分析（LA-ICP-MS）是一种高空间分辨率、高灵敏度、微破坏性方法，在冰芯成像分析具有独特的潜力；在逐步改进之后，现被广泛认为是最先进的冰芯2D成像技术[2]。初步成像结果显示，深层冰芯中的许多杂质主要位于相邻晶体之间的狭小间隙中，即所谓的“晶界”。这一发现对精确解读LA-ICP-MS质谱仪采集的深层冰芯信号有广泛的影响[1]。如果使用采集效率相对较低的顺序扫描型质量分析仪，比如四极杆ICP-MS质谱仪（LA-ICP-QMS），那么通过单次成像所记录的分析物数量从根本上是相当受限的。相比之下，飞行时间质谱仪（TOF-MS）可以几乎同时采集整张质谱，不错过任何重要信息。
为此，我们设计了首个概念验证实验，将icpTOF与快速冲刷-激光剥蚀系统相结合构建LA-ICP-TOFMS快速成像平台，用于研究冰芯中的元素杂质分布，以期证明该系统在此应用中独特的功能和优势。
实验设置
本实验中，我们使用了Analyte G2准分子激光器（193纳米），并配备HelEx II激光剥蚀室（来自美国的Teledyne CETACTechnologies公司）和定制低温样本架[2]。此外我们采用气溶胶快速导入系统（ARIS），以实现对剥蚀出样品的快速冲刷（激光单脉冲信号持续时长小于20毫秒）。激光能量密度为4.0焦耳/平方厘米，激光光斑尺寸为35微米，激光发生频率为80赫兹。
我们将威尼斯Ca ' Foscari大学用于LA-ICP-MS冰芯分析的特殊低温样本支运送到位于瑞士图恩的TOFWERK公司实验室，并安装到Analyte G2的HelEx II剥蚀室中。我们严格遵循威尼斯大学开发的LA-ICP-MS冰芯成像方法，每次实验前通过刮擦对冰芯样本进行重新净化。
TOFWERK的icpTOF 2R系统在CCT模式下运行（在碰撞/反应室中使用氢气-氦气混合气），每秒钟收集约21,700个质谱，然后将这些质谱进一步整合为对应每个像素的一张质谱。成像在点分辨模式下进行，这意味着，质谱图像中的每个像素代表来自单次激光发射的信号，与相邻像素无或极小重叠[3]。本次实验中，激光发射量设为2，也就意味着和相邻像素重叠50%，从而增加x方向的空间分辨率。图像采集使用TOFWERK的TOFpilot软件进行，以实现质谱图像在实验进行时实时显示。
我们选择了南极洲EPICA Dome C冰芯全新世时期的样本进行试点分析。南极洲间冰期的特点在于杂质的体积浓度极低。主旨在于是特意挑选杂质含量总体较低的样本，最大程度利用icpTOF 2R系统的高灵敏度进行高精度基准测试数据采集和收集。此外，科学家们之前在威尼斯使用四极杆ICP-MS系统通过2D成像方法对同样来自此冰芯的样本进行了分析。
结论
我们选择了4 x 7毫米的冰芯样品区域，并在21分钟内完成成像采集。icpTOF系统以35微米的空间分辨率进行成像，其记录的图像揭示，本次样品中存在质量范围较为广泛的清晰信号，包括从纳（Na）到铅（Pb）的多种化学元素（见图1）。先前在LA-ICP-MS成像中研究的纳（Na）、镁（Mg）和锶（Sr）三种元素显示出与晶界高重合度的元素分布[1]。本文结果显示：此特征也适用于钾（K）、钙（Ca）和锌（Zn）。相比之下，铝（Al）、铁（Fe）、镍（Ni）、铜（Cu）、钡（Ba）和铅（Pb）等金属元素在晶粒内部也具有信号强度不一的分布。
本文结果清楚说明了icpTOF 2R系统的灵敏度（虽然是TOFWERK icp-TOF三套型号中相对灵敏度较差的），也足够检测到极地冰芯中低浓度的元素信号。当然，icp-TOF最独特的附加价值在于可以通过单个图像提供完整的冰川化学组分特征。未来，随着LA-ICP-MS成像方法被越来越频繁的应用于极地冰芯深层样本，预计冰粒将比此实验中分析的样本大得多，直径可能有数厘米；这也意味需要分析的样本区域也会大大增加。即使使用快速冲刷、高重复率的激光烧蚀系统，在保持高空间分辨率的前提下记录分析如此尺寸的图像，将需要数百万次激光发射，也需要即数小时乃至更长。上述结果也表明了，待分析的目标样品通常都会包含多种杂质，如使用LA-ICP-QMS系统的话，将需要针对同一样品区域进行多次重复采样，不仅仅增加了样品消耗量和实验耗时，更重要的是多次激光剥蚀之后可能对样品做成的潜在‘破坏’，可能导致前期和后期采集的元素分布不一。显然，LA-ICP-QMS四级杆方法在冰芯成像这个应用数据和法案的实用性和可行性方面存在很大的局限性。要消除这些局限性，icpTOF质谱仪自然成为了快速冲刷、高重复率激光烧蚀系统不可或缺的组成部分，以最快效率，最大精确度和最全信息含量作为新一代冰芯成像分析的特点。
激光剥蚀-电感耦合等离子质谱分析（LA-ICP-MS）是一种高空间分辨率、高灵敏度、微破坏性方法，在冰芯成像分析具有独特的潜力；在逐步改进之后，现被广泛认为是最先进的冰芯2D成像技术[2]。初步成像结果显示，深层冰芯中的许多杂质主要位于相邻晶体之间的狭小间隙中，即所谓的“晶界”。这一发现对精确解读LA-ICP-MS质谱仪采集的深层冰芯信号有广泛的影响[1]。如果使用采集效率相对较低的顺序扫描型质量分析仪，比如四极杆ICP-MS质谱仪（LA-ICP-QMS），那么通过单次成像所记录的分析物数量从根本上是相当受限的。相比之下，飞行时间质谱仪（TOF-MS）可以几乎同时采集整张质谱，不错过任何重要信息。
为此，我们设计了首个概念验证实验，将icpTOF与快速冲刷-激光剥蚀系统相结合构建LA-ICP-TOFMS快速成像平台，用于研究冰芯中的元素杂质分布，以期证明该系统在此应用中独特的功能和优势。
实验设置
本实验中，我们使用了Analyte G2准分子激光器（193纳米），并配备HelEx II激光剥蚀室（来自美国的Teledyne CETACTechnologies公司）和定制低温样本架[2]。此外我们采用气溶胶快速导入系统（ARIS），以实现对剥蚀出样品的快速冲刷（激光单脉冲信号持续时长小于20毫秒）。激光能量密度为4.0焦耳/平方厘米，激光光斑尺寸为35微米，激光发生频率为80赫兹。
我们将威尼斯Ca ' Foscari大学用于LA-ICP-MS冰芯分析的特殊低温样本支运送到位于瑞士图恩的TOFWERK公司实验室，并安装到Analyte G2的HelEx II剥蚀室中。我们严格遵循威尼斯大学开发的LA-ICP-MS冰芯成像方法，每次实验前通过刮擦对冰芯样本进行重新净化。
TOFWERK的icpTOF 2R系统在CCT模式下运行（在碰撞/反应室中使用氢气-氦气混合气），每秒钟收集约21,700个质谱，然后将这些质谱进一步整合为对应每个像素的一张质谱。成像在点分辨模式下进行，这意味着，质谱图像中的每个像素代表来自单次激光发射的信号，与相邻像素无或极小重叠[3]。本次实验中，激光发射量设为2，也就意味着和相邻像素重叠50%，从而增加x方向的空间分辨率。图像采集使用TOFWERK的TOFpilot软件进行，以实现质谱图像在实验进行时实时显示。
我们选择了南极洲EPICA Dome C冰芯全新世时期的样本进行试点分析。南极洲间冰期的特点在于杂质的体积浓度极低。主旨在于是特意挑选杂质含量总体较低的样本，最大程度利用icpTOF 2R系统的高灵敏度进行高精度基准测试数据采集和收集。此外，科学家们之前在威尼斯使用四极杆ICP-MS系统通过2D成像方法对同样来自此冰芯的样本进行了分析。
结论
我们选择了4 x 7毫米的冰芯样品区域，并在21分钟内完成成像采集。icpTOF系统以35微米的空间分辨率进行成像，其记录的图像揭示，本次样品中存在质量范围较为广泛的清晰信号，包括从纳（Na）到铅（Pb）的多种化学元素（见图1）。先前在LA-ICP-MS成像中研究的纳（Na）、镁（Mg）和锶（Sr）三种元素显示出与晶界高重合度的元素分布[1]。本文结果显示：此特征也适用于钾（K）、钙（Ca）和锌（Zn）。相比之下，铝（Al）、铁（Fe）、镍（Ni）、铜（Cu）、钡（Ba）和铅（Pb）等金属元素在晶粒内部也具有信号强度不一的分布。
本文结果清楚说明了icpTOF 2R系统的灵敏度（虽然是TOFWERK icp-TOF三套型号中相对灵敏度较差的），也足够检测到极地冰芯中低浓度的元素信号。当然，icp-TOF最独特的附加价值在于可以通过单个图像提供完整的冰川化学组分特征。未来，随着LA-ICP-MS成像方法被越来越频繁的应用于极地冰芯深层样本，预计冰粒将比此实验中分析的样本大得多，直径可能有数厘米；这也意味需要分析的样本区域也会大大增加。即使使用快速冲刷、高重复率的激光烧蚀系统，在保持高空间分辨率的前提下记录分析如此尺寸的图像，将需要数百万次激光发射，也需要即数小时乃至更长。上述结果也表明了，待分析的目标样品通常都会包含多种杂质，如使用LA-ICP-QMS系统的话，将需要针对同一样品区域进行多次重复采样，不仅仅增加了样品消耗量和实验耗时，更重要的是多次激光剥蚀之后可能对样品做成的潜在‘破坏’，可能导致前期和后期采集的元素分布不一。显然，LA-ICP-QMS四级杆方法在冰芯成像这个应用数据和法案的实用性和可行性方面存在很大的局限性。要消除这些局限性，icpTOF质谱仪自然成为了快速冲刷、高重复率激光烧蚀系统不可或缺的组成部分，以最快效率，最大精确度和最全信息含量作为新一代冰芯成像分析的特点。
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