Hubungan antara alat pengukur aliran jenis termal dengan tekanan dan suhu

Untuk menjawab soalan penanya, kita perlu memahami terlebih dahulu prinsip pengukuran alat pengukur aliran jisim gas jenis termal. Model matematik untuk pengukur aliran jisim gas jenis termal adalah seperti berikut: H = Cp * m * ΔT, m = H / (Cp * ΔT), Qm = K * ΔP / (Cp * ΔT). Di sini, Qm merupakan aliran jisim gas; K ialah pekali khusus bagi alat pengukur tersebut; ΔP ialah perbezaan tekanan yang digunakan untuk pembetulan; Cp ialah kapasiti haba pada tekanan tetap; ΔT pula ialah perbezaan suhu antara dua probe. Sensor aliran ini terdiri daripada dua resistor termal: satu merupakan probe rujukan, dan yang satu lagi ialah probe pemanas. Apabila gas mengalir melalui probe pemanas, sebahagian daripada haba akan dibawa pergi. Akibatnya, probe tersebut menjadi sejuk. Kehilangan haba ini berhubung kait secara langsung dengan aliran jisim gas tersebut. Perbezaan suhu antara probe pemanasan dan probe rujukan sentiasa dikawal pada nilai tertentu. Dengan cara ini, arus pemanasan yang diperlukan dapat diukur, seterusnya memungkinkan pengiraan aliran jisim yang sepadan. Prinsip kerja ini dikenali sebagai prinsip perbezaan suhu tetap. Kebanyakan sistem pemanasan jenis termal di seluruh dunia kini dihasilkan berdasarkan prinsip perbezaan suhu yang tinggi. Melalui model matematik, kita dapat melihat bahawa aliran tersebut berbanding terbalik dengan kapasiti haba bahan yang diukur, dan berbanding secara langsung dengan kuasa elektrik yang digunakan untuk pemanasan. Dengan kata lain, semakin besar kuasa elektriknya, semakin besar pula jisimnya. Jika bahan yang diuji mempunyai sifat yang tetap, maka kapasiti haba pada tekanan tetap bagi bahan tersebut juga akan tetap. Kita boleh menganggap kapasiti haba ini sebagai suatu pemalar. Namun, kita semua tahu bahawa kapasiti haba pada tekanan tetap bukanlah suatu pemalar yang tidak berubah. Konsep kapasiti haba pada tekanan tetap merujuk kepada tenaga yang diperlukan untuk meningkatkan suhu sebanyak satu darjah Celsius, apabila tekanan kekal sama. Ia juga merupakan kemampuan sesuatu bahan untuk menyerap haba. Setiap medium mempunyai kemampuan untuk menyerap haba yang berbeza pada suhu yang berbeza. Sila lihat gambar di bawah ini: Kapasiti haba tentu pada tekanan tetap, cp/(kJ/kg·K). Nama, Formula Kimia, Suhu/°C: -40, 10, 60, 110, 160, 260, 360, 460, 760, 1200. Hidrogen: H2 – 14.83, 14.29, 14.11, 14.09, 14.18, 14.43, 14.67, 14.84, 15.02, 16.25. Oksigen: O2 – 0.9378, 0.9169, 0.9169, 0.9253, 0.9420, 0.9797, 1.013, 1.043, 1.097, 1.147. Nitrogen: N2 – 1.089, 1.043, 1.026, 1.026, 1.034, 1.059, 1.089, 1.118, 1.172, 1.252. Amonia: NH3 – 2.005, 2.043, 2.114, 2.186, 2.303, 2.508, 2.700, 2.881, 3.329, 3.869. Karbon monoksida: CO – 1.084, 1.043, 1.029, 1.030, 1.038, 1.068, 1.101, 1.130, 1.189, 1.264. Karbon dioksida: CO2 – 0.7997, 0.8289, 0.8709, 0.9043, 0.9546, 1.030, 1.097, 1.147, 1.243, 1.340. Sulfur dioksida: SO2 – 0.5862, 0.6071, 0.6322, 0.6573, 0.6908, 0.7411, 0.7787, 0.8122, 0.8541, 0.8960. Hidrogen sulfida: H2S – 0.9839, 0.9797, 0.9964, 1.013, 1.051, 1.118, 1.176, 1.235, 1.361, 1.524. Metana: CH4 – 2.077, 2.189, 2.336, 2.466, 2.675, 3.031, 3.383, 3.689, 4.568, 5.355. Etana: C2H6 – 1.465, 1.692, 1.913, 2.081, 2.336, 2.721, 3.077, 3.395, 4.153, 4.823. Propana: C3H8 – 1.344, 1.603, 1.846, 2.026, 2.290, 2.684, 3.031, 3.337, 4.036, 4.652. Butana: C4H10 – 1.361, 1.612, 1.846, 2.022, 2.282, 2.663, 3.002, 3.295, 3.965, 4.555. Pentana: C5H12 – 1.352, 1.603, 1.838, 2.009, 2.265, 2.646, 2.977, 3.266, 3.923, 4.492. Heksana: C6H14 – 1.339, 1.591, 1.825, 2.001, 2.257, 2.633, 2.960, 3.249, 3.889, 4.455. Heptana: C7H16 – 1.336, 1.587, 1.821, 1.993, 2.248, 2.625, 2.952, 3.232, 3.869, 4.425. Oktana: C8H18 – 1.336, 1.583, 1.817, 1.993, 2.244, 2.617, 2.943, 3.224, 3.852, 4.400. Nonana: C9H20 – 1.331, 1.583, 1.817, 1.989, 2.240, 2.613, 2.935, 3.215, 3.839, 4.384. Dekana: C10H22 – 1.331, 1.578, 1.813, 1.985, 2.236, 2.608, 2.931, 3.207, 3.831, 4.371. Siklopentana: C5H10 – 0.7913, 1.105, 1.800, 1.578, 1.863, 2.273, 2.629, 2.935, 3.630, 4.199. Metilsiklopentana: C6H12 – 0.9295, 1.231, 1.499, 1.687, 1.964, 2.361, 2.705, 3.002, 3.663, 4.216. Etilsiklopentana: C7H14 – 0.9504, 1.256, 1.528, 1.721, 1.997, 2.399, 2.738, 3.035, 3.689, 4.442. Sikloheksana: C6H12 – 0.8499, 1.181, 1.469, 1.679, 1.976, 2.412, 2.784, 3.107, 3.831, 4.371. Metilsikloheksana: C7H14 – 0.9797, 1.294, 1.578, 1.679, 2.072, 2.491, 2.851, 3.161, 3.848, 4.371. Etilsikloheksana: C8H16 – 1.026, 1.336, 1.612, 1.813, 2.098, 2.512, 2.868, 3.169, 3.839, 4.358. Etena: C2H4 – 1.298, 1.495, 1.687, 1.829, 2.043, 2.357, 2.633, 2.872, 3.416, 3.919. Propena: C3H6 – 1.256, 1.461, 1.658, 1.805, 2.026, 2.353, 2.642, 2.897, 3.479, 3.998. Butena-1: C4H8 – 1.231, 1.461, 1.679, 1.838, 2.068, 2.412, 2.709, 2.968, 3.546, 4.065. Pentena-1: C5H10 – 1.269, 1.499, 1.712, 1.871, 2.106, 2.449, 2.747, 3.006, 3.588, 4.099. Heksena-1: C6H12 – 1.277, 1.507, 1.725, 1.884, 2.123, 2.466, 2.767, 3.031, 3.613, 4.124. Dari gambar di atas, kita dapat melihat bahawa dalam keadaan tertentu, perubahan kapasiti haba tentu pada tekanan tetap adalah sangat kecil. Namun, apabila terdapat perubahan suhu yang besar, maka kapasiti haba tentu pada tekanan tetap akan berubah secara signifikan. Perubahan ini mempengaruhi hasil pengukuran. Untuk pelbagai bahan, kadar perubahan kapasiti haba pada suhu yang berbeza juga berbeza. Syarikat SIERRA dari Amerika Syarikat merupakan syarikat pertama di peringkat antarabangsa yang menghasilkan produk berjenis termal. Mereka telah mengkaji kesan perubahan suhu dan tekanan terhadap alat pengukur aliran, dan menyatakan dengan terperinci spesifikasi teknikal produk mereka. Seperti yang dinyatakan dalam manual produk 620S mengenai kesan suhu dan tekanan: Koefisien suhu: Dalam keadaan yang ditetapkan oleh pengguna, variasi bacaan adalah sebanyak ±0.02% untuk setiap perubahan suhu sebanyak 0°F. Dalam keadaan yang ditetapkan oleh pengguna, julat bacaan ialah antara ±500F hingga 1000F, dengan ketepatan sebanyak ±0.03% untuk setiap 0F. Dalam julat ±25℃ mengikut syarat yang ditetapkan oleh pengguna, ralat bacaan ialah ±0.04% untuk setiap ℃. Dalam julat suhu ±25℃ hingga 50℃ mengikut syarat yang ditetapkan oleh pengguna, ralat bacaan adalah sebanyak ±0.06% untuk setiap℃. Koefisien tekanan: 0.02% untuk setiap psi (udara); untuk gas lain, sila rujuk pengilang. Produk domestik tidak pernah menjalankan kajian mendalam dalam bidang ini, oleh itu kesan perubahan suhu dan tekanan terhadap alat pengukur aliran juga tidak dinyatakan dalam brosur produk mereka. Inilah sebabnya mengapa kami menekankan betapa pentingnya proses penentuan nilai aliran sebenar dalam aplikasi yang menggunakan kaedah haba (terutamanya untuk pengukuran gas selain udara). Jika penentuan nilai aliran tersebut tidak dilakukan mengikut keadaan proses di tapak, maka penggunaan alat pengukur aliran tersebut tidak akan berfungsi dengan baik, dan kemungkinan berlakunya masalah akan menjadi sangat tinggi. Tiada satu pun produk berjenis termal di pasaran domestik yang telah disahkan ketepatan alirannya. Jika ia digunakan dalam udara, masalahnya tidak begitu serius, tetapi apabila digunakan pada gas lain, masalah mungkin akan timbul. Dan apabila masalah timbul, ia memang sukar untuk diselesaikan. Sama ada menukar jam tersebut atau tidak, masalah itu tetap tidak dapat diatasi sepenuhnya. Inilah sebabnya mengapa produk berkualiti tinggi dari luar negara sangat mementingkan penentuan nilai aliran sebenar; kapasiti haba pada tekanan tetap merupakan faktor penting.

Mengenai soalan kedua yang diajukan oleh pemilik pos: kesan kelembapan. Jelas sekali, kelembapan mempunyai pengaruh yang sangat besar terhadap alat pengukur aliran jenis termal. Ini kerana kemampuan gas yang lembap dan gas yang kering untuk menyerap haba berbeza dengan ketara. Jika gas yang diukur mengandungi wap air, hasil pengukuran akan menjadi tidak tepat. Sejauh mana ketidaktepatan ini bergantung pada kandungan kelembapan dalam gas tersebut. Jika nisbah kandungan airnya tinggi, ia boleh menyebabkan kerosakan pada alat pengukur aliran. Ini kerana wap air akan merosakkan medan suhu, manakala wayar pemanas pula akan beroperasi dalam keadaan beban yang berlebihan untuk jangka masa yang lama, sehingga meningkatkan kemungkinan kerosakan pada probe tersebut. Oleh itu, produk jenis termal disyorkan untuk digunakan dalam gas yang bersih dan kering. Kehadiran debu tidak memberi kesan yang ketara, malah ia juga boleh digunakan dalam keadaan yang terdapat kotoran, cuma ia akan meningkatkan kos penyelenggaraan.

Berdasarkan persamaan Qm=K*ΔP/Cp*ΔT, bolehkah dianggap bahawa dalam pengiraan aliran, tekanan tidak memainkan peranan, jadi faktor tekanan tidak perlu diambil kira semasa mengira aliran?

Sebenarnya, sudah dijelaskan dengan jelas sebelum ini bahawa pengukuran yang dilakukan oleh alat pengukur aliran jenis termal adalah berkaitan dengan keupayaan sesuatu bahan untuk menyerap haba. Keupayaan menyerap haba inilah yang dikenali sebagai kapasiti haba spesifik bahan tersebut. Ia merupakan kuantiti fizik yang sering digunakan dalam termodinamik, dan ia menunjukkan keupayaan sesuatu objek untuk menyerap atau melepaskan haba. Semakin besar kapasiti haba sesuatu bahan, semakin kuat pula kemampuannya untuk menyerap atau melepaskan haba. Ia merujuk kepada jumlah haba yang diserap atau dilepaskan oleh sesuatu bahan per unit jisim, apabila suhunya meningkat atau menurun sebanyak satu unit suhu. Kapasiti haba sesuatu bahan adalah berkaitan dengan proses yang berlaku padanya. Dalam aplikasi kejuruteraan, yang sering digunakan ialah kapasiti haba pada tekanan tetap Cp, kapasiti haba pada isipadu tetap Cv, dan kapasiti haba dalam keadaan jenuh. Kapasiti haba pada tekanan tetap, Cp: Ia merupakan tenaga yang diserap atau dilepaskan oleh seunit jisim sesuatu bahan, apabila suhunya meningkat atau menurun sebanyak 1℃ atau 1K, dengan syarat tekanannya kekal tidak berubah. Itulah inti masalahnya. Kapasiti haba pada tekanan tetap memerlukan keadaan di mana tekanan tidak berubah. Jika tekanan berubah, maka konsep kapasiti haba pada tekanan tetap ini tidak lagi boleh digunakan. Namun, perubahan tekanan memberi kesan yang sangat kecil terhadap kapasiti haba. Oleh itu, kita biasanya menganggap bahawa perubahan tekanan boleh diabaikan dalam pengukuran berdasarkan prinsip haba. Namun, ini tidak bermakna perubahan tekanan sama sekali tidak mempengaruhi pengukuran tersebut. Mari kita ambil produk jenis haba SIERRA dari Amerika Syarikat sebagai contoh. Kesan daripada petunjuk tekanan tersebut dapat dijelaskan melalui angka-angka yang menunjukkan perubahan tekanan: Koefisien tekanan: 0.02% untuk setiap psi (udara); untuk gas-gas lain, sila rujuk pengilang.

Sebenarnya, sudah dijelaskan dengan jelas sebelum ini bahawa pengukuran yang dilakukan oleh alat pengukur aliran jenis termal adalah berkaitan dengan keupayaan sesuatu bahan untuk menyerap haba. Keupayaan menyerap haba inilah yang dikenali sebagai kapasiti haba spesifik bahan tersebut. Ia merupakan kuantiti fizik yang sering digunakan dalam termodinamik, dan ia menunjukkan keupayaan sesuatu objek untuk menyerap atau melepaskan haba. Semakin besar kapasiti haba sesuatu bahan, semakin kuat pula kemampuannya untuk menyerap atau melepaskan haba. Ia merujuk kepada jumlah haba yang diserap atau dilepaskan oleh sesuatu bahan per unit jisim, apabila suhunya meningkat atau menurun sebanyak satu unit suhu. Kapasiti haba sesuatu bahan adalah berkaitan dengan proses yang berlaku padanya. Dalam aplikasi kejuruteraan, yang sering digunakan ialah kapasiti haba pada tekanan tetap Cp, kapasiti haba pada isipadu tetap Cv, dan kapasiti haba dalam keadaan jenuh. Kapasiti haba pada tekanan tetap, Cp: Ia merupakan tenaga yang diserap atau dilepaskan oleh seunit jisim sesuatu bahan, apabila suhunya meningkat atau menurun sebanyak 1℃ atau 1K, dengan syarat tekanannya kekal tidak berubah. Itulah inti masalahnya. Kapasiti haba pada tekanan tetap memerlukan keadaan di mana tekanan tidak berubah. Jika tekanan berubah, maka konsep kapasiti haba pada tekanan tetap ini tidak lagi boleh digunakan. Namun, perubahan tekanan memberi kesan yang sangat kecil terhadap kapasiti haba. Oleh itu, kita biasanya menganggap bahawa perubahan tekanan boleh diabaikan dalam pengukuran berdasarkan prinsip haba. Namun, ini tidak bermakna perubahan tekanan sama sekali tidak mempengaruhi pengukuran tersebut. Mari kita ambil produk jenis haba SIERRA dari Amerika Syarikat sebagai contoh. Kesan daripada petunjuk tekanan tersebut dapat dijelaskan melalui angka-angka yang menunjukkan perubahan tekanan: Koefisien tekanan: 0.02% untuk setiap psi (udara); untuk gas-gas lain, sila rujuk pengilang.