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气体特别是压缩空气流量的测量是目前很多生产商和贸易商非常关注的领域。他们每天都在和气体打交道。大多数公司对能源节约和环境保护都有极大的兴趣。 

    为保证压缩空气系统且有效地运行，仪表生产厂家已开发了新的流量测量系统。这些测量仪器基于不同的原理来测量流量。当前市场上，两种主要的测量系统是：基于孔板的差压法系统和利用铂薄膜电阻感应的热式质量流量系统。

    在这里我们分别介绍几种流量测量仪器的工作原理。每一种测量原理都有它的应用范围、优势以及不足。

流量测量应用术语简介

    所有气体的密度都与压力和温度相关。0.5 MPa压力下10 m3/min的容积流量与0.1 MPa下10 m3/min的容积流量是不同的。为了便于比较，我们必须将容积流量转换为标准密状态下的流量，即标准流量。例如在德国压缩空气的标准是1000 hPa和20 ºC。在不同的应用领域、不同国家和地区所使用的参考标准会有所不同。相应的计算公式是：

    标准容积流量或实际容积流量

    其中，

    Qs =标准容积流量[m³/h]

    Qact =实际容积流量[m³/h]

    Pact = 实际的压力[MPa]

    Tact =实际的温度[K]

    Ps=标准/参考压力[MPa]

    Ts=标准/参考温度[K]

    =标准/参考密度[kg/m³]

    =实际密度[kg/m³]

    大多数流量计采用的是差压法（孔板设计）属于容积流量计，测量的是实际容积流量。而质量流量计与之不同，其测量的是实际质量流量。实际质量流量可以很方便地通过标准密度（常数）换算为标准容积流量：

    其中，

    q = 质量流量[kg/s]

    = 密度[kg/m³]

    Q=容积流量[m³/s]

    流量测量原理——热式质量流量传感器

    当温度为TA的气体分子撞击一个温度为TH （TH>TA）的加热体时，气体分子会从加热体吸收热量。加热体将会有热量损失。热量损失的多少与温差ΔT（ΔT = TH – TA）和一定时间内撞击加热板表面分子的数量（质量流量）成正比。

    让我们从物理层面对其进行详细的解析。如果使用一个阻值为R的铂电阻来进行加热，可以应用金氏定律来描述气体流动引起的加热板表面的热量损失：

     n = 0.4 to 0.5

    观察这个公式我们发现其物理意义。公式中，

    A*ΔT  自然流动引起的热量损失、通过连接线引起的热辐射和热传导

    B*ΔT  比例因子，描述强制流动引起的热量损失（取决于所测气体的热导率、比热容和黏度）

    基于这一公式，质量流量可以被计算出来

    其中，电流是可以测量的。C1和C2的值是在热式质量流量计校准时决定的。

    实现这一原理zui常用的电路是惠斯登电桥，如图1.2所示：

    该电桥可以将加热电阻的温度保持在一个高于环境温度的恒定值。这需要传感器是线性的。zui常用的便是铂薄膜电阻。环境温度传感器通路上的电阻值高出另外一条支路约100倍，因此几乎全部电流都流过加热电阻和电阻R2。

    通过测量R2两端的电压可以测出加热电流I_H。电路图旁边是一个测量电压对气体流速的典型曲线图。

    事实上，质量流量并非仅由流速决定，而是由流速和密度的乘积决定的。由于密度与压力成正比，所以压力p = 1 MPa、流速v=2 m/s时接收到的信号与压力p = 0.1 MPa、流速v = 20 m/s时接收到的信号是一样的。

    热式质量流量计的另外一大特点是其分辨率在低流量时会增大。因此其相对误差在一个比较大的范围内是恒定的。通常情况下，zui低到zui大测量值的1/100，典型误差都可以保持在读数的2%。 

    流量测量原理——差压式传感器

    zui常见的差压式传感器采用孔板原理。流体会通过这个孔板。流体的速度受到孔板的影响。

    由于压缩空气的流速zui多只是亚音速（速度<0.3马赫），属于不可压缩流体。可利用伯努力方程描述流量：

    P1是在气流上游一倍管道直径的地方测量的，P2是在下游一倍管径的地方测量的。依据流动连续性定律（质量守恒定律），我们可以利用横截面积和容积流量替换流速。

    其中，

    Q=容积流量[m³/s]

    =密度[kg/m³]

    Δp=差压[Pa]

    A1=管道的横截面积[m²]

    A2=孔板的横截面积[m²]

    上面的公式仅适用于层流。实际气流存在一定的湍流和黏度，会将流体的动能转化为热量。考虑到这些因素，实际的流量会稍微偏小。

    考虑到实际气流受到的影响，并为了简化公式我们可以使用下面的公式：

    其中，

    Q=容积流量[m³/s]

    C_f=流量因数

    =密度[kg/m³]

    Δp=差压[hPa]

    A₀=管道的横截面积[m²]

    流量因数C_f是通过实验得出的，在相关的参考书籍可以找到相应的表格。对大多数孔板来说，其值在0.6到0.9之间。由于该值取决于孔板和管道直径（同样受到雷诺系数的影响），我们经常利用C_f和β来制表。β 被定义为孔板直径与管道内径的比值。

    其中，

    D_O = 孔板直径[mm]

    D_i = 管道内径[mm]

    测量原理比较--热式质量和差压式流量传感器

    每一种传感器技术都有其各自的优势。没有那种技术是的或者是*的。他们有各自不同的应用领域和优势。

    当气体在纯净度和湿度方面不理想时，差压式传感器技术（孔板）有它的优势。但长期使用时测量还是会受到影响。同时，这种技术在测量高流速气体方面应用广泛。

    对于测量范围大并且需要在测量范围内保持高精度（量程比需要达到1:100甚至更高）的应用，热式质量流量传感器技术具有明显优势。热式质量流量计直接显示标准流量，而不需要测量压力和温度以及另外的计算。这使得其成为通常情况具有更好性价比的解决方案。另外一个重要的争论点是关于长期稳定性和精度。这需要通过对传感器部件定期的校正来实现。鉴于热式质量流量计的小巧尺寸，插入式传感器允许用户在带压条件下安装和拆卸传感器（例如，校验时的拆卸和安装）。

    压缩空气是zui昂贵的能源形式之一。泄漏检测对于了解您空压机的工作效率和效能是非常重要的。统计数据显示30%压缩空气是被泄露了的。热式质量流量计可以检测很小的质量流量，从而定位管道的泄漏点，进而优化空压机的工作性能。

表格比较

差压式（孔板）和热式质量流量

   1） 测量范围基于50 mm内径的管道

    流量计使用建议

    任何流量计的安装是否准确到位对于其性能都有很大影响。必须认真查看整个管道系统，找出安装点上下游的流量障碍。弯管、阀门、变径、焊接点以及管道衔接不齐等都会对气流造成干扰。必须预留足够的上下游直管段，否则额外的测量误差会高达30%。对于热式质量流量计，推荐上游预留30到50倍管径的直管段；而对于差压式流量计，推荐上下游都预留30到50倍管径的直管段。这样可以保证气流在测量点是稳定的。

    对于插入式热式质量流量计，正确操作的要点是：保持传感器和气体流向一致、确保传感器在管道中心。如果这两项操作不当，会引入5-10%的测量误差。

    结论

    对于大多数商业应用的气体，热式质量流量计因为其较高的性价比，成为用户的*选择。另外，如果选择插入式热式质量流量计，传感器可以带压安装。当然，也必须考虑现场的应用环境。在比较恶劣的应用环境，如气体过脏或者湿度很大时，可考虑选用差压式流量计（孔板）。