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全面解說孔板流量計操作原理、組成結構、校準、缺點以及限制

作者: 來源: 發布時間:2019-08-09 14:42:20


      風寒是任何曾經生活在寒冷環境中的人常見的現象。當環境空氣溫度遠低于身體溫度時,熱量會從身體轉移到周圍空氣中。如果沒有微風將空氣移過你的身體,那么身體周圍的空氣分子就會開始變暖,因為它們會吸收身體的熱量,從而降低熱量流失的速度。然而,如果甚至有輕微的空氣流過你的身體,你的身體就會接觸到比其它更冷(未加熱)的空氣分子,從而導致更大的熱量損失。因此,您對周圍溫度的感知將比沒有微風時更冷。
      我們可以利用這個原理來測量質量流速,方法是將一個受熱物體放在流體流動的中間,并測量流動的流體從被加熱物體中流出的熱量。受熱物體經歷的“風寒”是真實質量流速(而不僅僅是體積流速)的函數,因為熱損失的機制是流體分子與受熱物體接觸的速率,每個分子都有確定的質量。
孔板流量計操作原理
      zui簡單的孔板流量計,用于測量空氣速度??装辶髁坑嬘山饘倬€組成,電流通過該金屬線加熱。電路監視該導線的電阻(與導線溫度成正比,因為大多數金屬具有一定的電阻溫度系數)。如果通過電線的空氣速度增加,則更多的熱量將從電線中吸走并導致其溫度下降。電路檢測到這種溫度變化,并通過增加通過電線的電流進行補償,使其溫度恢復到設定值。將熱線保持在恒定的高溫所需的電功率量是通過線的質量空氣流速的直接函數。

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      在汽車發動機控制應用中使用的大多數質量空氣流量傳感器采用該原 對于發動機控制計算機而言,重要的是測量質量空氣流量而不僅僅是體積空氣流量,因為即使空氣密度由于高度變化而變化,保持適當的空氣/燃料比也很重要。換句話說,計算機需要知道每秒有多少空氣分子進入發動機,以便正確計量進入發動機的正確燃料量,以實現完全和有效的燃燒。“熱線”質量空氣流量傳感器制造數量簡單且成本低廉,這就是它在汽車應用中普遍使用的原因。
孔板流量計組成結構
      工業孔板流量計通常由一個特殊設計的“流量管”組成,內部有兩個溫度傳感器:一個是加熱的,另一個是未加熱的。加熱的傳感器用作質量流量傳感器(隨著流量增加而冷卻),而未加熱的傳感器用于補償過程流體的“環境”溫度。
      典型的孔板流量計出現在下面的照片中(注意特寫照片中的旋流葉片,旨在將大規模湍流引入流動流中,以zui大化流體對加熱的傳感器元件的對流冷卻效果):
      孔板流量計非常適合“插入”式探針,感應流體分子在流動流中的一個點處的通過。在接下來的兩張照片中顯示了一個例子,其中孔板流量計(由Sage制造)檢測發送到火炬的氣體量。插入探頭出現在左側照片中(安裝在垂直擴口管中),而發射器頭出現在右側照片中(位于受天氣影響的建筑物內):
      孔板流量計的簡單結構允許它們以非常小的尺寸制造。下圖顯示了一個小型設備,它不僅是一個質量流量計,而且還有一個帶有內置節流閥機構和控制電子設備的質量流量控制器。為了給你一種規模感,在這個裝置的左側和右側看到的管接頭是1/4英寸,使這張照片幾乎全尺寸:
孔板流量計校準
      校準孔板流量計的一個重要因素是過程流體的比熱。“比熱”是將標準量物質的溫度改變某一特定量所需的熱能量的量度。某些物質具有比其他物質更高的比熱值,這意味著這些物質能夠吸收(或釋放)大量的熱能而不會經歷很大的溫度變化。
      具有高比熱值的流體可形成良好的冷卻劑,因為它們能夠從熱物體中除去大量熱能,而不會經歷溫度的大幅升高。由于孔板流量計的工作原理是對流冷卻,這意味著具有高比熱值的流體將引起孔板流量計的響應大于具有較小比熱值的流體的完全相同的質量流量(即流體不如冷卻液好。
      這意味著我們必須知道我們計劃用孔板流量計測量的任何流體的比熱值,我們必須確保其比熱值保持不變。因此,孔板流量計不適用于測量化學成分可能隨時間變化的流體流的流速。這種限制類似于用于靜水測量容器中液體水平的壓力傳感器:為了使這種液位測量技術準確,我們必須知道液體的密度,并確保密度將是不斷變化。
      孔板流量計是簡單可靠的儀器。雖然不像科里奧利質量流量計那樣準確或容忍管道干擾,但它們的價格要便宜得多。
孔板流量計缺點
      孔板流量計的zui大缺點可能是它們對過程流體比熱變化的敏感性。這使得任何孔板流量計的校準僅針對一種流體組合物。在諸如汽車發動機進氣流的一些應用中,其中流體成分是恒定的,這種限制不是一個因素。然而,在許多工業應用中,這種限制嚴重到足以禁止使用孔板流量計。用于孔板流量計的工業應用包括天然氣流量測量(非貿易轉移),以及已知組合物非常穩定的凈化氣流(氧氣,氫氣,氮氣)的測量。
孔板流量計限制
      孔板流量計的另一個(潛在的)限制是一些設計對流動狀態變化的敏感性。由于測量原理基于通過流體對流的熱傳遞,因此影響對流傳熱效率的任何因素將轉化為質量流率的感知差異。在流體力學中眾所周知的事實是,湍流在層流時比層流更有效地對流熱,因為層流流的“分層”性質阻礙了跨流體寬度的熱傳遞。
      在一些孔板流量計設計中,加熱金屬管的壁用作由流體冷卻的“熱”元件,并且來自加熱管壁的層流流傳遞的熱量與湍流流之間的差異可以太棒了 因此,流動狀態的變化(從湍流到層流,反之亦然)將導致這種孔板流量計設計的校準偏移。

下一篇:孔板流量計升級幫助水管理的3個關鍵應用

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