氣體特別是壓縮空氣流量的測(cè)量是目前很多生產(chǎn)商和貿(mào)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(shù)公司對(duì)能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)都有極大的興趣。
為保證壓縮空氣系統(tǒng)且有效地運(yùn)行，儀表生產(chǎn)廠家已開發(fā)了新的流量測(cè)量系統(tǒng)。這些測(cè)量?jī)x器基于不同的原理來測(cè)量流量。當(dāng)前市場(chǎng)上，兩種主要的測(cè)量系統(tǒng)是：基于孔板的差壓法系統(tǒng)和利用鉑薄膜電阻感應(yīng)的熱式質(zhì)量流量系統(tǒng)。
在這里我們分別介紹幾種流量測(cè)量?jī)x器的工作原理。每一種測(cè)量原理都有它的應(yīng)用范圍、優(yōu)勢(shì)以及不足。
流量測(cè)量應(yīng)用術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)介
| 容積流量（實(shí)際容積流量） | m3/h, m3/min, l/min | 單位時(shí)間內(nèi)流過氣體的體積 |
| 質(zhì)量流量 | kg/s | 單位時(shí)間內(nèi)流過氣體的質(zhì)量 |
| 標(biāo)準(zhǔn)容積流量 | sm3/h, sm3/min, sl/min | 標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度（如1000 hPa, 20 °C）或者標(biāo)準(zhǔn)密度下的容積流量 |
| 常態(tài)容積流量 | Nm3/h, Nm3/min, Nl/min | 參考?jí)毫蜏囟葹?013 hPa, 0 ºC條件下，或者常態(tài)密度（對(duì)空氣來說是1.2928 kg/m3）下的容積流量 |
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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)密狀態(tài)下的流量，即標(biāo)準(zhǔn)流量。例如在德國(guó)壓縮空氣的標(biāo)準(zhǔn)是1000 hPa和20 ºC。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同國(guó)家和地區(qū)所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有所不同。相應(yīng)的計(jì)算公式是：
標(biāo)準(zhǔn)容積流量或?qū)嶋H容積流量
其中，
Qs =標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)/參考?jí)毫MPa]
Ts=標(biāo)準(zhǔn)/參考溫度[K]
=標(biāo)準(zhǔn)/參考密度[kg/m3]
=實(shí)際密度[kg/m3]
大多數(shù)流量計(jì)采用的是差壓法（孔板設(shè)計(jì)）屬于容積流量計(jì)，測(cè)量的是實(shí)際容積流量。而質(zhì)量流量計(jì)與之不同，其測(cè)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標(biāo)準(zhǔn)密度（常數(shù)）換算為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量原理——熱式質(zhì)量流量傳感器
當(dāng)溫度為TA的氣體分子撞擊一個(gè)溫度為TH （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(nèi)撞擊加熱板表面分子的數(shù)量（質(zhì)量流量）成正比。
讓我們從物理層面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的解析。如果使用一個(gè)阻值為R的鉑電阻來進(jìn)行加熱，可以應(yīng)用金氏定律來描述氣體流動(dòng)引起的加熱板表面的熱量損失：
n = 0.4 to 0.5
觀察這個(gè)公式我們發(fā)現(xiàn)其物理意義。公式中，
A*ΔT 自然流動(dòng)引起的熱量損失、通過連接線引起的熱輻射和熱傳導(dǎo)
B*ΔT 比例因子，描述強(qiáng)制流動(dòng)引起的熱量損失（取決于所測(cè)氣體的熱導(dǎo)率、比熱容和黏度）
基于這一公式，質(zhì)量流量可以被計(jì)算出來
其中，電流是可以測(cè)量的。C1和C2的值是在熱式質(zhì)量流量計(jì)校準(zhǔn)時(shí)決定的。
實(shí)現(xiàn)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加熱電阻和電阻R2。
通過測(cè)量R2兩端的電壓可以測(cè)出加熱電流IH。電路圖旁邊是一個(gè)測(cè)量電壓對(duì)氣體流速的典型曲線圖。
事實(shí)上，質(zhì)量流量并非僅由流速?zèng)Q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(hào)與壓力p = 0.1 MPa、流速v = 20 m/s時(shí)接收到的信號(hào)是一樣的。
熱式質(zhì)量流量計(jì)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(duì)誤差在一個(gè)比較大的范圍內(nèi)是恒定的。通常情況下，zui低到zui大測(cè)量值的1/100，典型誤差都可以保持在讀數(shù)的2%。
流量測(cè)量原理——差壓式傳感器
zui常見的差壓式傳感器采用孔板原理。流體會(huì)通過這個(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。可利用伯努力方程描述流量：
P1是在氣流上游一倍管道直徑的地方測(cè)量的，P2是在下游一倍管徑的地方測(cè)量的。依據(jù)流動(dòng)連續(xù)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(zhuǎn)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]
Cf=流量因數(shù)
=密度[kg/m3]
Δp=差壓[hPa]
A0=管道的橫截面積[m2]
流量因數(shù)Cf是通過實(shí)驗(yàn)得出的，在相關(guān)的參考書籍可以找到相應(yīng)的表格。對(duì)大多數(shù)孔板來說，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(shù)的影響），我們經(jīng)常利用Cf和β來制表。β 被定義為孔板直徑與管道內(nèi)徑的比值。
其中，
DO = 孔板直徑[mm]
Di = 管道內(nèi)徑[mm]
測(cè)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(shì)。沒有那種技術(shù)是的或者是*的。他們有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)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(shì)。但長(zhǎng)期使用時(shí)測(cè)量還是會(huì)受到影響。同時(shí)，這種技術(shù)在測(cè)量高流速氣體方面應(yīng)用廣泛。
對(duì)于測(cè)量范圍大并且需要在測(cè)量范圍內(nèi)保持高精度（量程比需要達(dá)到1:100甚至更高）的應(yīng)用，熱式質(zhì)量流量傳感器技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)。熱式質(zhì)量流量計(jì)直接顯示標(biāo)準(zhǔn)流量，而不需要測(cè)量壓力和溫度以及另外的計(jì)算。這使得其成為通常情況具有更好性價(jià)比的解決方案。另外一個(gè)重要的爭(zhēng)論點(diǎn)是關(guān)于長(zhǎng)期穩(wěn)定性和精度。這需要通過對(duì)傳感器部件定期的校正來實(shí)現(xiàn)。鑒于熱式質(zhì)量流量計(jì)的小巧尺寸，插入式傳感器允許用戶在帶壓條件下安裝和拆卸傳感器（例如，校驗(yàn)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(cè)對(duì)于了解您空壓機(jī)的工作效率和效能是非常重要的。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示30%壓縮空氣是被泄露了的。熱式質(zhì)量流量計(jì)可以檢測(cè)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(jī)的工作性能。
表格比較
差壓式（孔板）和熱式質(zhì)量流量
| 特征 | 孔板 | 熱式 |
| 測(cè)量范圍 [m3/h] 1） | 50 ... 400 | 3 ... 800 |
| 精度 | 約2%滿量程 | 約2%測(cè)量值 |
| 測(cè)量非潔凈和潮濕氣體 | 可以 | 受限 |
| 能否檢測(cè)泄漏 | 不可以 | 可以 |
| 插入式（帶壓安裝） | 不可以 | 可以 |
| 價(jià)格 | 中等 | 低廉 |
1） 測(cè)量范圍基于50 mm內(nèi)徑的管道
流量計(jì)使用建議
任何流量計(jì)的安裝是否準(zhǔn)確到位對(duì)于其性能都有很大影響。必須認(rèn)真查看整個(gè)管道系統(tǒng)，找出安裝點(diǎn)上下游的流量障礙。彎管、閥門、變徑、焊接點(diǎn)以及管道銜接不齊等都會(huì)對(duì)氣流造成干擾。必須預(yù)留足夠的上下游直管段，否則額外的測(cè)量誤差會(huì)高達(dá)30%。對(duì)于熱式質(zhì)量流量計(jì)，推薦上游預(yù)留30到50倍管徑的直管段；而對(duì)于差壓式流量計(jì)，推薦上下游都預(yù)留30到50倍管徑的直管段。這樣可以保證氣流在測(cè)量點(diǎn)是穩(wěn)定的。
對(duì)于插入式熱式質(zhì)量流量計(jì)，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(xiàng)操作不當(dāng)，會(huì)引入5-10%的測(cè)量誤差。
結(jié)論
對(duì)于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用的氣體，熱式質(zhì)量流量計(jì)因?yàn)槠漭^高的性價(jià)比，成為用戶的*選擇。另外，如果選擇插入式熱式質(zhì)量流量計(jì)，傳感器可以帶壓安裝。當(dāng)然，也必須考慮現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境。在比較惡劣的應(yīng)用環(huán)境，如氣體過臟或者濕度很大時(shí)，可考慮選用差壓式流量計(jì)（孔板）。
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