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2021-09-28
应用选择质量流量计的参数
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由于市场上有众多的质量流量计可供选择,为找到合适的流量计以应用似乎很困难,但是在比较流量计时明确目标将使寻找流量计变得更加容易。首先,流量计的流量测量方式有所不同。仪表可以直接或间接测量流量,该测量可能取决于流体特性,也可能不取决于流体特性。例如,一个仪表使用差压测量和已知气体特性间接计算质量流量,而另一台仪表则直接且独立于气体特性计算质量流量。

在流体兼容性,工作范围,测量规格和价格方面,仪表之间也存在很大差异。本文介绍了为应用选择最佳流量计时要考虑的四种常见仪表技术的基本操作原理和10个参数。

常见质量流量技术的操作原理

科里奥利流量计

科里奥利质量流量计利用科里奥利原理直接测量质量流量,而与流体特性无关。这些仪表包含一根或两根以电子管的共振频率进行电磁振荡的电子管,这种振动是由传感器沿着电子管长度的不同点进行测量的。没有流量时,管对称振荡,两点之间没有相位差。随着流量的通过,管道发生扭曲,从而在两点之间引起与流体质量流量成正比的相移。此测量与压力无关,并且唯一的温度影响是机械的或电子的,从而导致零位移,该位移比其他技术小一个数量级。

层流压差流量计

层流质量流量计通过差压间接测量质量流量。这些流量计包含将湍流转换为层流的流量元件。传感器测量这些流动元件上的压降,然后仪表使用此数据和Poiseuille(泊肃叶)方程计算体积流量。然后,仪表会在预装的气体特性表(考虑温度和压力)的帮助下,将该体积测量值转换为标准质量流量。尽管涉及多个变量,但高精度传感器可确保准确的读数。由于每种气体的质量流量计算不同,因此选择正确的气体非常重要。

热式流量计

有两种主要的热式流量计技术,每种技术都使用温度传感器直接测量流量。此外,热能表的测量取决于气体的性质,气体的性质会随温度而变化,因此它们中装有气体表。

第一种技术是热旁通流量计,其工作原理是引导一小部分流体流过包裹在加热元件中的毛细管,该毛细管在两侧带有温度传感器。没有流量时,传感器之间没有温差。但是进入的冷流通过第一个传感器,温度下降。然后,气流在通过加热元件时被加热,并升高第二传感器的温度。传感器之间的温差与流量成正比。

第二种技术是热能MEMS(微机电系统)或CMOS(互补式金属氧化物半导体)流量计,它通过保持加热的传感器和流量温度传感器之间的温差来工作。没有流量时,传感器之间的温差恒定。流动导致流动温度传感器冷却,并增加了加热电流以补偿该变化。该电流与质量流量成正比。与热旁路仪表相比,MEMS仪表的最大好处是响应速度快且封装尺寸小。

选择质量流量计的10个参数

·流量
·使用的气体
·温度
·运行压力
·压力下降
·价格
·准确性
·响应时间
·预热时间
·稳定的测量范围(调低)

流量,气体选择和温度

首先,确保流量计与应用的流量,气体选择和温度兼容是很重要的,各种技术的这些范围如图1所示。


科里奥利仪表可在最大的流量和温度范围内运行,对于某些极端高流量,高温应用而言,它是一个可行的选择。对于流量极低的应用,层流和热旁路流量计是更好的选择。在气体兼容性方面,所有仪表都可与普通气体一起使用。但是科里奥利流量计是唯一与某些较难的气体(如NO2)兼容的仪表,NO2与N2O4的比例未知。

工作压力和压降

接下来要考虑的参数是工作压力和压降。由于压力调节器和泵通常很便宜,因此在大多数应用中压力控制很容易调节。虽然,有些应用需要严格调节操作压力,例如化学反应或最小压力降,例如体积计校准。图2表明,热旁路和科里奥利仪表在高压应用中具有优势,而科里奥利仪表实际上在低压降应用中变得不兼容。


价格/准确性权衡

精度更高的仪表成本更高,并且取决于仪表的类型和流速,即使稍微提高精度也可能会很昂贵,如图3所示。例如,在流速较低时,层流流量计的成本约为1,000美元,而更高的仪表精度科里奥利流量计的成本约为5,000美元。但是流速高的仪表价格都较高。


对于某些应用,高精度是不可或缺的。例如,某人在小型生物制药实验室中工作的应用程序,该实验室计划扩大规模以进行批量生产,并希望最大程度地减少不准确度。但是在其他应用中,较低精度的仪表就足够了,这可以节省很多钱。

价格/响应时间的权衡

仪表之间的响应时间可能会有很大差异,而改进它的代价也可能很高,根据尺寸,处理器和固件的不同,科里奥利仪表的响应时间从1 ms到500 ms不等。较大的流量管通常以较低的频率振荡,并具有较长的响应时间。


层流流量计在中等流速范围内具有最佳响应时间。对于极低的流量,由于流量体的尺寸较大,层流计需要更长的时间来检测压差的微小变化。对于较大的流量,层流计软件会求平均值以消除测量噪声,这也会减慢响应时间。

现在,想象一下在光缆制造工厂中工作的情况,那里通常要净化多个预成型坯,并且一次要抽出多根光纤,而所有这些压力都来自同一压力源。在长期运行中,其他运行停止和启动可能会导致几次压力下降和峰值,这些压力变化会导致延迟和批次浪费。此处的快速响应时间可以快速纠正压力变化,从而最大限度地减少了浪费的时间和资源。

价格与预热时间

设备的预热时间可能从几秒钟到几分钟不等。对于某些应用,更长的预热时间可能仅是一个小麻烦。但是,想象一下在恶劣天气下使用一种设备校准室外空气采样器的情况。在这种情况下,快速的预热时间至关重要,因为这意味着每个站点所需的时间更少。在这里,热能MEMS和层流流量计是理想的选择,因为它们的预热时间以秒为单位,而不是几分钟。此外,如图5所示,MEMS较便宜,并且如果它满足所有其他应用需求,则是理想的选择。


价格/调低权衡

调节器的确切含义在制造商之间可能会略有不同,但这实际上是电表的工作范围。如图6所示,该比率将根据设备和气体选择而有所不同。例如,某些制造商的仪表对标准气体的量程比为10,000:1,但是防腐型仪表的量程比仅为100:1。如果应用程序在较大的流量范围内运行或使用不常见的气体,则可能需要具有大量程比的仪表,甚至需要两个单独的仪表,以成本最低的那个为准。