一般來(lái)說(shuō),質(zhì)量流量計(jì)主要分為熱式質(zhì)量流量計(jì)、差壓式質(zhì)量流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。不同種類的質(zhì)量流量計(jì)其工作原理也不一樣。
熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理
熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理基于金氏定律(英文名稱:King’s Law)。
利用外部熱源對(duì)管道內(nèi)被測(cè)量的氣體進(jìn)行加熱,熱能隨著氣體一起流動(dòng),通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)因氣體流動(dòng)而產(chǎn)生的熱量變化,即:氣體通過(guò)管路前后的溫度變化,來(lái)計(jì)算氣體的質(zhì)量流量。另一種方法是通過(guò)測(cè)量加熱氣體時(shí)氣體溫度上升到某一點(diǎn)所需要的能量和氣體質(zhì)量之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算得到氣體的質(zhì)量流量。
熱式質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)的傳感器通常由兩個(gè)基準(zhǔn)級(jí)熱電阻組成,一個(gè)是速度傳感器,另一個(gè)是測(cè)量氣體溫度變化的溫度傳感器。當(dāng)這兩個(gè)熱電阻被置于管道內(nèi)被測(cè)氣體中時(shí),其中速度傳感器被加熱,另一個(gè)溫度傳感器則用于測(cè)量氣體的溫度。隨著氣體的流量增大,帶走的熱量就上升,那么溫度傳感器自身的溫度就會(huì)下降。而溫度傳感器前后的溫度變化值與通過(guò)該管路內(nèi)的氣體的質(zhì)量流量恰恰是成線性比例的,由此工作原理則可推算出氣體的質(zhì)量流量。
計(jì)算公式:P/△T = A+B(Qm)k
其中,P為消耗功率,△T為氣體經(jīng)過(guò)管路前后的溫度差,A和B為反應(yīng)氣體屬性的物理常數(shù),Qm為質(zhì)量流量,K是指數(shù)系數(shù)。
再說(shuō)的詳細(xì)一點(diǎn),熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理還分為恒溫差測(cè)量法和恒功率測(cè)量法。
熱式質(zhì)量流量計(jì)恒功率測(cè)量法的工作原理:
與上述相反,是在保持加熱功率不變的狀態(tài)下,通過(guò)測(cè)量氣體經(jīng)過(guò)管路前后的溫度差來(lái)計(jì)算質(zhì)量流量。
熱式質(zhì)量流量計(jì)恒溫差測(cè)量法的工作原理:
顧名思義,就是在保持溫度差不變的情況下,通過(guò)測(cè)量加熱功率的變化來(lái)計(jì)算氣體的質(zhì)量流量。該工作原理相對(duì)于恒功率測(cè)量法來(lái)說(shuō),優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量氣體質(zhì)量流量的響應(yīng)速度較快,線性度較好,可達(dá)100:1。
差壓式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理
差壓式質(zhì)量流量計(jì)采用的是泊肅葉定律(英文名稱:Poiseuille's Law)。
通過(guò)測(cè)量氣體經(jīng)過(guò)某段管道內(nèi)前后的壓力差,即:壓力損失,計(jì)算得出氣體的體積流量,再換算到標(biāo)準(zhǔn)工況下的質(zhì)量流量。
公式:Q=ΔP×π×r4/(8ηL)
其中:Q為氣體的體積流量,ΔP表示壓力差,即壓損,r為管道半徑,L表示管道長(zhǎng)度,η為氣體粘度
利用泊肅葉定律為工作原理的質(zhì)量流量計(jì)有一個(gè)前提,就是被測(cè)氣體必須做層流運(yùn)動(dòng)。這就要說(shuō)到氣體的流動(dòng)狀態(tài)了。氣體的流動(dòng)狀態(tài)分為湍流和層流。
湍流:氣體作不規(guī)則運(yùn)動(dòng),有垂直于管道方向的分速度產(chǎn)生,這種運(yùn)動(dòng)稱為湍流,如下圖所示:
層流:當(dāng)流速很小時(shí),流體分層流動(dòng),互不混合,稱為層流運(yùn)動(dòng),如下圖所示:
以層流壓差式為工作原理的質(zhì)量流量計(jì)采用的方式是讓氣體通過(guò)一疊層流片,肉眼是絕對(duì)看不出層流片之間有間隙的,但氣體可以通過(guò),并在這疊層流片間保持層流運(yùn)動(dòng)的狀態(tài),那么,根據(jù)上面提到的基于泊肅葉定律的工作原理,只要測(cè)量層流片兩端的壓力差,即可計(jì)算出該段氣體的流量大小了。
比起以測(cè)量溫度差為工作原理的熱式質(zhì)量流量計(jì),測(cè)量壓力差的差壓式質(zhì)量流量計(jì)精度更高一些,聽(tīng)說(shuō)這種測(cè)量方法好像還是有專利的。
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的工作原理
科里奧利質(zhì)量流量計(jì),也稱作科氏力質(zhì)量流量計(jì),其工作原理是讓2個(gè)并排的U型管下端彎曲部分微微振動(dòng),從而帶動(dòng)直管部分振動(dòng),兩根管子同時(shí)分開(kāi)或并攏,即:振動(dòng)是同步的。這時(shí),如果有氣體流過(guò),管道則會(huì)強(qiáng)迫流動(dòng)著的氣體或液體也一起振動(dòng),而氣體或液體為了反抗這種強(qiáng)迫振動(dòng),就會(huì)在其流動(dòng)方向給管道施加一反作用力,這種力就叫做科里奧利力。在科里奧利力的作用下,兩根管道的振動(dòng)就不同步了,出現(xiàn)了差異,通過(guò)電路能檢測(cè)出該差異大小,而這種差異與通過(guò)管道的氣體的質(zhì)量流量的大小是成正比的。利用這種工作原理測(cè)量氣體流量的質(zhì)量流量計(jì)就叫科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量的就是氣體的質(zhì)量流量,測(cè)量精度相對(duì)較高。