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差壓式質(zhì)量流量計工作原理

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通常利用泊肅葉定律來(lái)進(jìn)行內部補償層流(ICL)計算,首先要有一個(gè)特殊的管路通道,我們稱(chēng)之為層流元件(LFE),LFE將迫使氣體分子沿著(zhù)管道平行通過(guò),幾乎消除湍流后在層流區內測量?jì)啥说膲毫Σ?。根據泊肅葉定律,流量與壓差的關(guān)系如下:
Q = (P1 – P2)π r4 / 8ηL
Q = 體積流量
P1 = 入口靜壓
P2 = 出口靜壓
r = 管道半徑
η = 流體絕對粘度
L = 管道長(cháng)度
由于π、 r 和 L都是常數,則上述公式可被簡(jiǎn)化為:
Q = K(Δ P/η)
在這個(gè)公式中,K是由管道幾何形狀決定的常數,因此得出一個(gè)較簡(jiǎn)易的體積流量、壓力差與絕對粘度之間的線(xiàn)性關(guān)系。
氣體溫度變化會(huì )影響其粘度,因此需要測量溫度來(lái)決定η,絕大多數壓差式設備都是通過(guò)人工查表(已知溫度下的氣體粘度表)來(lái)實(shí)現這一步驟,而采用內部補償層流的流量計&流量控制器則是通過(guò)一個(gè)獨立的溫度傳感器和一個(gè)微處理器來(lái)實(shí)現。
現在我們只是知道了體積流量,對于采用內部補償測量層流原理的設備,還需要進(jìn)行額外的測量來(lái)求的氣體質(zhì)量流量,質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系如下:
質(zhì)量 = 體積 × 密度修正系數
根據理想氣體定律,氣體密度受其溫度和絕對壓力影響。密度與溫度的關(guān)系如下:
ρa / ρs = Ts / Ta
ρa = 實(shí)際氣體密度
Ta = 實(shí)際絕對溫度
ρs = 標準工況下氣體密度
Ts = 標準工況下絕對溫度
°K = °C +273.15
密度與絕對壓力的關(guān)系如下:
ρa / ρs = Pa / Ps
ρa = 實(shí)際氣體密度
Pa = 實(shí)際絕對壓力
ρs = 標準工況下氣體密度
Ps = 標準工況下絕對壓力
由此可見(jiàn),要求得質(zhì)量流量,必須考慮兩個(gè)修正因素:溫度對密度的影響和絕壓對密度的影響,可用下面公式表示:
M = Q(Ts / Ta)( Pa / Ps)
內部補償層流設備中,其層流區內還有一獨立的絕壓傳感器,該絕壓信號與絕對溫度信號都將被傳送至微處理器,經(jīng)過(guò)計算得出質(zhì)量流量。
以上計算需要參考標準工況(STP)下的溫度值Ts和壓力值Ps。標準工況(STP)通常是指位于海平面上,但沒(méi)有單一標準,比如常用的標準工況有下面幾種:
0 °C、14.696 PSIA
25 °C、14.696 PSIA
0 °C、760 mmHG
值得注意的是,質(zhì)量的單位通常為克、千克等,而質(zhì)量流量的單位則是SLPM(每分鐘標準升) 、SCCM(每分鐘標準毫升)或SCFH(每小時(shí)標準立方英尺)。只要知道設備標定的標準工況及被測氣體在標準工況下的密度,便可計算得出同過(guò)的氣體流量為每分鐘多少克或是每小時(shí)多少千克。舉個(gè)例子:
已知:
氣體 = 氦氣
M = 250 SCCM
STP = 25 °C、14.696 PSIA
氣體密度 = 0.166 g/L
實(shí)際質(zhì)量流量 = M × STP氣體密度
實(shí)際質(zhì)量流量 = 250 SCCM × (1L / 1000cm3) × 0.166 g/L
實(shí)際質(zhì)量流量 = 0.0409 g/min (氦氣)

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