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氣體特別是壓縮空氣流量的測量是目前很多生產(chǎn)商和貿易商非常關(guān)注的領(lǐng)域。他們每天都在和氣體打交道。大多數公司對能源節約和環(huán)境保護都有極大的興趣。 

    為保證壓縮空氣系統且有效地運行，儀表生產(chǎn)廠(chǎng)家已開(kāi)發(fā)了新的流量測量系統。這些測量?jì)x器基于不同的原理來(lái)測量流量。當前市場(chǎng)上，兩種主要的測量系統是：基于孔板的差壓法系統和利用鉑薄膜電阻感應的熱式質(zhì)量流量系統。

    在這里我們分別介紹幾種流量測量?jì)x器的工作原理。每一種測量原理都有它的應用范圍、優(yōu)勢以及不足。

流量測量應用術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介

    所有氣體的密度都與壓力和溫度相關(guān)。0.5 MPa壓力下10 m3/min的容積流量與0.1 MPa下10 m3/min的容積流量是不同的。為了便于比較，我們必須將容積流量轉換為標準密狀態(tài)下的流量，即標準流量。例如在德國壓縮空氣的標準是1000 hPa和20 ºC。在不同的應用領(lǐng)域、不同國家和地區所使用的參考標準會(huì )有所不同。相應的計算公式是：

    標準容積流量或實(shí)際容積流量

    其中，

    Qs =標準容積流量[m³/h]

    Qact =實(shí)際容積流量[m³/h]

    Pact = 實(shí)際的壓力[MPa]

    Tact =實(shí)際的溫度[K]

    Ps=標準/參考壓力[MPa]

    Ts=標準/參考溫度[K]

    =標準/參考密度[kg/m³]

    =實(shí)際密度[kg/m³]

    大多數流量計采用的是差壓法（孔板設計）屬于容積流量計，測量的是實(shí)際容積流量。而質(zhì)量流量計與之不同，其測量的是實(shí)際質(zhì)量流量。實(shí)際質(zhì)量流量可以很方便地通過(guò)標準密度（常數）換算為標準容積流量：

    其中，

    q = 質(zhì)量流量[kg/s]

    = 密度[kg/m³]

    Q=容積流量[m³/s]

    流量測量原理——熱式質(zhì)量流量傳感器

    當溫度為T(mén)A的氣體分子撞擊一個(gè)溫度為T(mén)H （TH>TA）的加熱體時(shí)，氣體分子會(huì )從加熱體吸收熱量。加熱體將會(huì )有熱量損失。熱量損失的多少與溫差ΔT（ΔT = TH – TA）和一定時(shí)間內撞擊加熱板表面分子的數量（質(zhì)量流量）成正比。

    讓我們從物理層面對其進(jìn)行詳細的解析。如果使用一個(gè)阻值為R的鉑電阻來(lái)進(jìn)行加熱，可以應用金氏定律來(lái)描述氣體流動(dòng)引起的加熱板表面的熱量損失：

     n = 0.4 to 0.5

    觀(guān)察這個(gè)公式我們發(fā)現其物理意義。公式中，

    A*ΔT  自然流動(dòng)引起的熱量損失、通過(guò)連接線(xiàn)引起的熱輻射和熱傳導

    B*ΔT  比例因子，描述強制流動(dòng)引起的熱量損失（取決于所測氣體的熱導率、比熱容和黏度）

    基于這一公式，質(zhì)量流量可以被計算出來(lái)

    其中，電流是可以測量的。C1和C2的值是在熱式質(zhì)量流量計校準時(shí)決定的。

    實(shí)現這一原理zui常用的電路是惠斯登電橋，如圖1.2所示：

    該電橋可以將加熱電阻的溫度保持在一個(gè)高于環(huán)境溫度的恒定值。這需要傳感器是線(xiàn)性的。zui常用的便是鉑薄膜電阻。環(huán)境溫度傳感器通路上的電阻值高出另外一條支路約100倍，因此幾乎全部電流都流過(guò)加熱電阻和電阻R2。

    通過(guò)測量R2兩端的電壓可以測出加熱電流I_H。電路圖旁邊是一個(gè)測量電壓對氣體流速的典型曲線(xiàn)圖。

    事實(shí)上，質(zhì)量流量并非僅由流速決定，而是由流速和密度的乘積決定的。由于密度與壓力成正比，所以壓力p = 1 MPa、流速v=2 m/s時(shí)接收到的信號與壓力p = 0.1 MPa、流速v = 20 m/s時(shí)接收到的信號是一樣的。

    熱式質(zhì)量流量計的另外一大特點(diǎn)是其分辨率在低流量時(shí)會(huì )增大。因此其相對誤差在一個(gè)比較大的范圍內是恒定的。通常情況下，zui低到zui大測量值的1/100，典型誤差都可以保持在讀數的2%。 

    流量測量原理——差壓式傳感器

    zui常見(jiàn)的差壓式傳感器采用孔板原理。流體會(huì )通過(guò)這個(gè)孔板。流體的速度受到孔板的影響。

    由于壓縮空氣的流速zui多只是亞音速（速度<0.3馬赫），屬于不可壓縮流體?？衫貌Ψ匠堂枋隽髁浚?/p>

    P1是在氣流上游一倍管道直徑的地方測量的，P2是在下游一倍管徑的地方測量的。依據流動(dòng)連續性定律（質(zhì)量守恒定律），我們可以利用橫截面積和容積流量替換流速。

    其中，

    Q=容積流量[m³/s]

    =密度[kg/m³]

    Δp=差壓[Pa]

    A1=管道的橫截面積[m²]

    A2=孔板的橫截面積[m²]

    上面的公式僅適用于層流。實(shí)際氣流存在一定的湍流和黏度，會(huì )將流體的動(dòng)能轉化為熱量?？紤]到這些因素，實(shí)際的流量會(huì )稍微偏小。

    考慮到實(shí)際氣流受到的影響，并為了簡(jiǎn)化公式我們可以使用下面的公式：

    其中，

    Q=容積流量[m³/s]

    C_f=流量因數

    =密度[kg/m³]

    Δp=差壓[hPa]

    A₀=管道的橫截面積[m²]

    流量因數C_f是通過(guò)實(shí)驗得出的，在相關(guān)的參考書(shū)籍可以找到相應的表格。對大多數孔板來(lái)說(shuō)，其值在0.6到0.9之間。由于該值取決于孔板和管道直徑（同樣受到雷諾系數的影響），我們經(jīng)常利用C_f和β來(lái)制表。β 被定義為孔板直徑與管道內徑的比值。

    其中，

    D_O = 孔板直徑[mm]

    D_i = 管道內徑[mm]

    測量原理比較--熱式質(zhì)量和差壓式流量傳感器

    每一種傳感器技術(shù)都有其各自的優(yōu)勢。沒(méi)有那種技術(shù)是的或者是*的。他們有各自不同的應用領(lǐng)域和優(yōu)勢。

    當氣體在純凈度和濕度方面不理想時(shí)，差壓式傳感器技術(shù)（孔板）有它的優(yōu)勢。但長(cháng)期使用時(shí)測量還是會(huì )受到影響。同時(shí)，這種技術(shù)在測量高流速氣體方面應用廣泛。

    對于測量范圍大并且需要在測量范圍內保持高精度（量程比需要達到1:100甚至更高）的應用，熱式質(zhì)量流量傳感器技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。熱式質(zhì)量流量計直接顯示標準流量，而不需要測量壓力和溫度以及另外的計算。這使得其成為通常情況具有更好性?xún)r(jià)比的解決方案。另外一個(gè)重要的爭論點(diǎn)是關(guān)于長(cháng)期穩定性和精度。這需要通過(guò)對傳感器部件定期的校正來(lái)實(shí)現。鑒于熱式質(zhì)量流量計的小巧尺寸，插入式傳感器允許用戶(hù)在帶壓條件下安裝和拆卸傳感器（例如，校驗時(shí)的拆卸和安裝）。

    壓縮空氣是zui昂貴的能源形式之一。泄漏檢測對于了解您空壓機的工作效率和效能是非常重要的。統計數據顯示30%壓縮空氣是被泄露了的。熱式質(zhì)量流量計可以檢測很小的質(zhì)量流量，從而定位管道的泄漏點(diǎn)，進(jìn)而優(yōu)化空壓機的工作性能。

表格比較

差壓式（孔板）和熱式質(zhì)量流量

   1） 測量范圍基于50 mm內徑的管道

    流量計使用建議

    任何流量計的安裝是否準確到位對于其性能都有很大影響。必須認真查看整個(gè)管道系統，找出安裝點(diǎn)上下游的流量障礙。彎管、閥門(mén)、變徑、焊接點(diǎn)以及管道銜接不齊等都會(huì )對氣流造成干擾。必須預留足夠的上下游直管段，否則額外的測量誤差會(huì )高達30%。對于熱式質(zhì)量流量計，推薦上游預留30到50倍管徑的直管段；而對于差壓式流量計，推薦上下游都預留30到50倍管徑的直管段。這樣可以保證氣流在測量點(diǎn)是穩定的。

    對于插入式熱式質(zhì)量流量計，正確操作的要點(diǎn)是：保持傳感器和氣體流向一致、確保傳感器在管道中心。如果這兩項操作不當，會(huì )引入5-10%的測量誤差。

    結論

    對于大多數商業(yè)應用的氣體，熱式質(zhì)量流量計因為其較高的性?xún)r(jià)比，成為用戶(hù)的*選擇。另外，如果選擇插入式熱式質(zhì)量流量計，傳感器可以帶壓安裝。當然，也必須考慮現場(chǎng)的應用環(huán)境。在比較惡劣的應用環(huán)境，如氣體過(guò)臟或者濕度很大時(shí)，可考慮選用差壓式流量計（孔板）。