氣體特別是壓縮空氣流量的測量是目前很多生產(chǎn)商和貿(mào)易商非常關(guān)注的領(lǐng)域。他們每天都在和氣體打交道。大多數(shù)公司對能源節(jié)約和環(huán)境保護都有極大的興趣。

為保證壓縮空氣系統(tǒng)且有效地運行，儀表生產(chǎn)廠家已開發(fā)了新的流量測量系統(tǒng)。這些測量儀器基于不同的原理來測量流量。當(dāng)前市場上，兩種主要的測量系統(tǒng)是：基于孔板的差壓法系統(tǒng)和利用鉑薄膜電阻感應(yīng)的熱式質(zhì)量流量系統(tǒng)。

在這里我們分別介紹幾種流量測量儀器的工作原理。每一種測量原理都有它的應(yīng)用范圍、優(yōu)勢以及不足。

流量測量應(yīng)用術(shù)語簡介

所有氣體的密度都與壓力和溫度相關(guān)。0.5 MPa壓力下10 m3/min的容積流量與0.1 MPa下10 m3/min的容積流量是不同的。為了便于比較，我們必須將容積流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)密狀態(tài)下的流量，即標(biāo)準(zhǔn)流量。例如在德國壓縮空氣的標(biāo)準(zhǔn)是1000 hPa和20 ºC。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域、不同國家和地區(qū)所使用的參考標(biāo)準(zhǔn)會有所不同。相應(yīng)的計算公式是：

標(biāo)準(zhǔn)容積流量或?qū)嶋H容積流量

其中，

Qs =標(biāo)準(zhǔn)容積流量[m³/h]

Qact =實際容積流量[m³/h]

Pact = 實際的壓力[MPa]

Tact =實際的溫度[K]

Ps=標(biāo)準(zhǔn)/參考壓力[MPa]

Ts=標(biāo)準(zhǔn)/參考溫度[K]

=標(biāo)準(zhǔn)/參考密度[kg/m³]

=實際密度[kg/m³]

大多數(shù)流量計采用的是差壓法（孔板設(shè)計）屬于容積流量計，測量的是實際容積流量。而質(zhì)量流量計與之不同，其測量的是實際質(zhì)量流量。實際質(zhì)量流量可以很方便地通過標(biāo)準(zhǔn)密度（常數(shù)）換算為標(biāo)準(zhǔn)容積流量：

其中，

q = 質(zhì)量流量[kg/s]

= 密度[kg/m³]

Q=容積流量[m³/s]

流量測量原理——熱式質(zhì)量流量傳感器

當(dāng)溫度為TA的氣體分子撞擊一個溫度為TH （TH>TA）的加熱體時，氣體分子會從加熱體吸收熱量。加熱體將會有熱量損失。熱量損失的多少與溫差ΔT（ΔT = TH – TA）和一定時間內(nèi)撞擊加熱板表面分子的數(shù)量（質(zhì)量流量）成正比。

讓我們從物理層面對其進行詳細的解析。如果使用一個阻值為R的鉑電阻來進行加熱，可以應(yīng)用金氏定律來描述氣體流動引起的加熱板表面的熱量損失：

n = 0.4 to 0.5

觀察這個公式我們發(fā)現(xiàn)其物理意義。公式中，

A*ΔT 自然流動引起的熱量損失、通過連接線引起的熱輻射和熱傳導(dǎo)

B*ΔT 比例因子，描述強制流動引起的熱量損失（取決于所測氣體的熱導(dǎo)率、比熱容和黏度）

基于這一公式，質(zhì)量流量可以被計算出來

其中，電流是可以測量的。C1和C2的值是在熱式質(zhì)量流量計校準(zhǔn)時決定的。

實現(xiàn)這一原理zui常用的電路是惠斯登電橋，如圖1.2所示：

該電橋可以將加熱電阻的溫度保持在一個高于環(huán)境溫度的恒定值。這需要傳感器是線性的。zui常用的便是鉑薄膜電阻。環(huán)境溫度傳感器通路上的電阻值高出另外一條支路約100倍，因此幾乎全部電流都流過加熱電阻和電阻R2。

通過測量R2兩端的電壓可以測出加熱電流I_H。電路圖旁邊是一個測量電壓對氣體流速的典型曲線圖。

事實上，質(zhì)量流量并非僅由流速決定，而是由流速和密度的乘積決定的。由于密度與壓力成正比，所以壓力p = 1 MPa、流速v=2 m/s時接收到的信號與壓力p = 0.1 MPa、流速v = 20 m/s時接收到的信號是一樣的。

熱式質(zhì)量流量計的另外一大特點是其分辨率在低流量時會增大。因此其相對誤差在一個比較大的范圍內(nèi)是恒定的。通常情況下，zui低到zui大測量值的1/100，典型誤差都可以保持在讀數(shù)的2%。

流量測量原理——差壓式傳感器

zui常見的差壓式傳感器采用孔板原理。流體會通過這個孔板。流體的速度受到孔板的影響。

由于壓縮空氣的流速zui多只是亞音速（速度<0.3馬赫），屬于不可壓縮流體。可利用伯努力方程描述流量：

P1是在氣流上游一倍管道直徑的地方測量的，P2是在下游一倍管徑的地方測量的。依據(jù)流動連續(xù)性定律（質(zhì)量守恒定律），我們可以利用橫截面積和容積流量替換流速。

其中，

Q=容積流量[m³/s]

=密度[kg/m³]

Δp=差壓[Pa]

A1=管道的橫截面積[m²]

A2=孔板的橫截面積[m²]

上面的公式僅適用于層流。實際氣流存在一定的湍流和黏度，會將流體的動能轉(zhuǎn)化為熱量?？紤]到這些因素，實際的流量會稍微偏小。

考慮到實際氣流受到的影響，并為了簡化公式我們可以使用下面的公式：

其中，

Q=容積流量[m³/s]

C_f=流量因數(shù)

=密度[kg/m³]

Δp=差壓[hPa]

A₀=管道的橫截面積[m²]

流量因數(shù)C_f是通過實驗得出的，在相關(guān)的參考書籍可以找到相應(yīng)的表格。對大多數(shù)孔板來說，其值在0.6到0.9之間。由于該值取決于孔板和管道直徑（同樣受到雷諾系數(shù)的影響），我們經(jīng)常利用C_f和β來制表。β 被定義為孔板直徑與管道內(nèi)徑的比值。

其中，

D_O = 孔板直徑[mm]

D_i = 管道內(nèi)徑[mm]

測量原理比較--熱式質(zhì)量和差壓式流量傳感器

每一種傳感器技術(shù)都有其各自的優(yōu)勢。沒有那種技術(shù)是的或者是*的。他們有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域和優(yōu)勢。

當(dāng)氣體在純凈度和濕度方面不理想時，差壓式傳感器技術(shù)（孔板）有它的優(yōu)勢。但長期使用時測量還是會受到影響。同時，這種技術(shù)在測量高流速氣體方面應(yīng)用廣泛。

對于測量范圍大并且需要在測量范圍內(nèi)保持高精度（量程比需要達到1:100甚至更高）的應(yīng)用，熱式質(zhì)量流量傳感器技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。熱式質(zhì)量流量計直接顯示標(biāo)準(zhǔn)流量，而不需要測量壓力和溫度以及另外的計算。這使得其成為通常情況具有更好性價比的解決方案。另外一個重要的爭論點是關(guān)于長期穩(wěn)定性和精度。這需要通過對傳感器部件定期的校正來實現(xiàn)。鑒于熱式質(zhì)量流量計的小巧尺寸，插入式傳感器允許用戶在帶壓條件下安裝和拆卸傳感器（例如，校驗時的拆卸和安裝）。

壓縮空氣是zui昂貴的能源形式之一。泄漏檢測對于了解您空壓機的工作效率和效能是非常重要的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示30%壓縮空氣是被泄露了的。熱式質(zhì)量流量計可以檢測很小的質(zhì)量流量，從而定位管道的泄漏點，進而優(yōu)化空壓機的工作性能。

表格比較

差壓式（孔板）和熱式質(zhì)量流量

1） 測量范圍基于50 mm內(nèi)徑的管道

流量計使用建議

任何流量計的安裝是否準(zhǔn)確到位對于其性能都有很大影響。必須認(rèn)真查看整個管道系統(tǒng)，找出安裝點上下游的流量障礙。彎管、閥門、變徑、焊接點以及管道銜接不齊等都會對氣流造成干擾。必須預(yù)留足夠的上下游直管段，否則額外的測量誤差會高達30%。對于熱式質(zhì)量流量計，推薦上游預(yù)留30到50倍管徑的直管段；而對于差壓式流量計，推薦上下游都預(yù)留30到50倍管徑的直管段。這樣可以保證氣流在測量點是穩(wěn)定的。

對于插入式熱式質(zhì)量流量計，正確操作的要點是：保持傳感器和氣體流向一致、確保傳感器在管道中心。如果這兩項操作不當(dāng)，會引入5-10%的測量誤差。

結(jié)論

對于大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用的氣體，熱式質(zhì)量流量計因為其較高的性價比，成為用戶的*選擇。另外，如果選擇插入式熱式質(zhì)量流量計，傳感器可以帶壓安裝。當(dāng)然，也必須考慮現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境。在比較惡劣的應(yīng)用環(huán)境，如氣體過臟或者濕度很大時，可考慮選用差壓式流量計（孔板）。