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差压式质量流量计工作原理
发布时间:2015-07-14   点击次数:886次

通常利用泊肃叶定律来进行内部补偿层流(ICL)计算,首先要有一个特殊的管路通道,我们称之为层流元件(LFE),LFE将迫使气体分子沿着管道平行通过,几乎消除湍流后在层流区内测量两端的压力差。根据泊肃叶定律,流量与压差的关系如下:
Q = (P1 – P2)π r4 / 8ηL
Q = 体积流量
P1 = 入口静压
P2 = 出口静压
r = 管道半径
η = 流体粘度
L = 管道长度
由于π、 r 和 L都是常数,则上述公式可被简化为:
Q = K(Δ P/η)
在这个公式中,K是由管道几何形状决定的常数,因此得出一个较简易的体积流量、压力差与粘度之间的线性关系。
气体温度变化会影响其粘度,因此需要测量温度来决定η,绝大多数压差式设备都是通过人工查表(已知温度下的气体粘度表)来实现这一步骤,而采用内部补偿层流的流量计&流量控制器则是通过一个独立的温度传感器和一个微处理器来实现。
现在我们只是知道了体积流量,对于采用内部补偿测量层流原理的设备,还需要进行额外的测量来求的气体质量流量,质量流量与体积流量的关系如下:
质量 = 体积 × 密度修正系数
根据理想气体定律,气体密度受其温度和压力影响。密度与温度的关系如下:
ρa / ρs = Ts / Ta
ρa = 实际气体密度
Ta = 实际温度
ρs = 标准工况下气体密度
Ts = 标准工况下温度
°K = °C +273.15
密度与压力的关系如下:
ρa / ρs = Pa / Ps
ρa = 实际气体密度
Pa = 实际压力
ρs = 标准工况下气体密度
Ps = 标准工况下压力
由此可见,要求得质量流量,必须考虑两个修正因素:温度对密度的影响和绝压对密度的影响,可用下面公式表示:
M = Q(Ts / Ta)( Pa / Ps)
内部补偿层流设备中,其层流区内还有一独立的绝压传感器,该绝压信号与温度信号都将被传送至微处理器,经过计算得出质量流量。
以上计算需要参考标准工况(STP)下的温度值Ts和压力值Ps。标准工况(STP)通常是指位于海平面上,但没有单一标准,比如常用的标准工况有下面几种:
0 °C、14.696 PSIA
25 °C、14.696 PSIA
0 °C、760 mmHG
值得注意的是,质量的单位通常为克、千克等,而质量流量的单位则是SLPM(每分钟标准升) 、SCCM(每分钟标准毫升)或SCFH(每小时标准立方英尺)。只要知道设备标定的标准工况及被测气体在标准工况下的密度,便可计算得出同过的气体流量为每分钟多少克或是每小时多少千克。举个例子:
已知:
气体 = 氦气
M = 250 SCCM
STP = 25 °C、14.696 PSIA
气体密度 = 0.166 g/L
实际质量流量 = M × STP气体密度
实际质量流量 = 250 SCCM × (1L / 1000cm3) × 0.166 g/L
实际质量流量 = 0.0409 g/min (氦气)

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