رابطه بین دبی سنج حرارتی و فشار و دما

برای پاسخ به سوال اصلی پوستر، ابتدا باید اصل اندازه گیری جریان سنج جرمی گاز حرارتی را درک کنیم. مدل ریاضی فلومتر جرمی گاز حرارتی به شرح زیر است: H=Cp * m * ΔT，m=H/Cp * ΔT，Qm=K * ΔP/Cp * ΔT Qm: جریان جرمی گاز K: ضریب K ابزار ΔP: اندازه توان الکتریکی جبرانی Cp: ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت ΔT: سنسور جریان اختلاف دما بین دو پروب شامل دو مقاومت حرارتی است: یکی پروب مرجع و دیگری پروب گرمایشی است. هنگامی که گاز از طریق پروب گرمایش جریان می یابد، بخشی از گرما را از بین می برد. پروب خنک می شود و گرمای از دست رفته تابعی از سرعت جریان جرمی است. اختلاف دما بین پروب گرمایش و پروب مرجع همیشه در یک مقدار مشخص کنترل می شود و جریان گرمایشی مورد نیاز برای به دست آوردن دبی جرمی مربوطه تشخیص داده می شود. این اصل کار، اصل اختلاف دمای ثابت نامیده می شود. در حال حاضر اکثر مدل های حرارتی در دنیا بر اساس اصل اختلاف دمای بالا تولید می شوند. از طریق مدل ریاضی، می‌توان دید که نرخ جریان با ظرفیت گرمایی ویژه محیط اندازه‌گیری شده نسبت معکوس دارد و با توان الکتریکی گرمایش نسبت مستقیم دارد. یعنی هر چه توان الکتریکی بیشتر باشد جرم آن بیشتر است. اگر محیط اندازه گیری شده ثابت باشد، ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت محیط اندازه گیری شده نسبتاً ثابت است. ما می توانیم این ظرفیت گرمایی ویژه را به عنوان یک ثابت در نظر بگیریم. با این حال، همه ما می دانیم که ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت ثابت نیست. مفهوم ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت به انرژی مورد نیاز برای اندازه گیری افزایش دما به میزان یک درجه در زمانی که فشار ثابت است، یعنی توانایی جذب گرما اشاره دارد. هر محیطی قابلیت جذب حرارت متفاوتی در دماهای مختلف دارد. لطفا تصویر زیر را ببینید.: ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت یک گاز ایده آل cp/(kj/kg·K) نام فرمول مولکولی دما/℃ -4010601101602603604607601200 هیدروژن H214.8314.2914.1114.0914.1814.4314.6714.8415.0216.25 Oxygen O20.93780.91690.91690.92530.94200.9111400.9719710 N21.0891.0431.0261.0261.0341.0591.0891.1181.1721.252 آمونیاک NH32.0052.0432.1142.1862.3032.5082.7002.7002.8 CO1.0841.0431.0291.0301.0381.0681.1011.1301.1891.264 دی اکسید کربنCO20.79970.82890.87090.90430.95461.0301.414.09 دی اکسید SO20.58620.60710.63220.65730.69080.74110.77870.81220.85410.8960 سولفید هیدروژن H2S0.98390.97970.99641.0131.0511.1181.1761.2351.3611.524 متان CH42.0772.1892.3362.4662.6753.0313.0313.394.1892.3362.4662.6753.0313.394 C2H61.4651.6921.9132.0812.3362.7213.0773.3954.1534.823 Propane C3H81.3441.6031.8462.0262.2902.6843.0742.0313 C4H101.3611.6121.8462.0222.2822.6633.0023.2953.9654.555 n-پنتان C5H121.3521.6031.8382.0092.2652.0023.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.0092.2652.002.2654.555 n-هگزان C6H141.3391.5911.8252.0012.2572.6332.9603.2493.8894.455 n-هپتان C7H161.3361.5871.8211.9932.2482.6252.9523.2323.8694.425 n-اکتان C8H181.3361.5831.8171.9932.2442.9523.2442.43325 nonaneC9H201.3311.5831.8171.9892.2402.6132.9353.2153.8394.384 n-Decane C10H221.3311.5781.8131.9852.2362.6082.9313.2073.8314.371 Cyclopentane C5H100.79131.1051.8001.5781.8632.9313.273 متیل سیکلوپنتان C6H120.92951.2311.4991.6871.9642.3612.7053.0023.6634.216 اتیل سیکلوپنتان C7H140.95041.2561.5281.7211.9972.3992.7383.0353.6894.442 CyclohexaneC6H120.84991.1811.4691.6791.9762.7383.412 متیل سیکلوهگزان C7H140.97971.2941.5781.6792.0722.4912.8513.1613.8484.371 اتیل سیکلوهگزان C8H161.0261.3361.6121.8132.0982.5122.8683.1693.8394.358 Pro C3H61.2561.4611.6581.8052.0262.3532.6422.8973.4793.998 Butene-1C4H81.2311.4611.6791.8382.0682.4122.8973.709 Pentene-1C5H101.2691.4991.7121.8712.1062.4492.7473.0063.5884.099 Hexene-1C6H121.2771.5071.7251.8842.1232.4662.7673.0313.6134.124 به وضوح از شکل بالا می بینیم که در شرایط خاص، مقدار تغییر ظرفیت حرارتی فشار ثابت بسیار ناچیز است، اما اگر فشار به طور قابل توجهی روی ظرفیت حرارتی تغییر کند، تغییر قابل توجهی در فشار ایجاد می کند. اندازه گیری محیط های مختلف تغییرات دمای نسبی متفاوتی دارند و نرخ تغییر ظرفیت حرارتی ویژه فشار ثابت آنها نیز متفاوت است. SIERRA، یک شرکت آمریکایی که برای اولین بار محصولات حرارتی را در جهان تولید کرد، در مورد اثرات تغییرات دما و فشار بر دبی سنج ها تحقیق کرده است و نشانه های بسیار دقیقی از شاخص های فنی محصول خود دارد. به عنوان مثال، دفترچه راهنمای محصول 620S اثرات دما و فشار را به شرح زیر نشان می دهد:: ضریب دما: ± 0.02٪ از خواندن در هر 0F در محدوده ± 500F تحت شرایط مشخص شده توسط کاربر. محدوده ± 500F تا 1000F ± 0.03٪ از خواندن در هر 0F در شرایط مشخص شده توسط کاربر است. در محدوده ± 25 درجه سانتیگراد در شرایط مشخص شده توسط کاربر، 0.04 ± درصد از خواندن در هر درجه سانتیگراد است. در شرایط مشخص شده توسط کاربر، محدوده 0.06 ± درصد خواندن در درجه سانتی گراد در محدوده 25 ± تا 50 درجه سانتی گراد است. ضریب فشار: 0.02% در psi (هوا)، برای سایر گازها با کارخانه مشورت کنید. محصولات داخلی در این زمینه تحقیقات عمیقی انجام نداده اند، بنابراین تاثیر تغییرات دما و فشار بر دبی سنج ها در بروشور محصولات آنها ظاهر نخواهد شد. به همین دلیل است که ما تاکید ویژه ای بر کالیبراسیون جریان واقعی برای کاربردهای حرارتی (به ویژه اندازه گیری گازهای غیرهوا) داریم. اگر کالیبراسیون مطابق با شرایط فرآیند در محل انجام نشود، استفاده از فلومتر چندان ایده آل نخواهد بود و احتمال بروز مشکلات زیاد است. هیچ یک از محصولات حرارتی داخلی برای جریان واقعی کالیبره نشده است. اگر روی هوا اعمال شود، مشکل بزرگ نیست، اما وقتی روی گازهای دیگر اعمال شود، احتمالاً برخی از مشکلات رخ می دهد. هنگامی که یک مشکل رخ می دهد، حل آن واقعا دشوار است. تغییر یا عدم تغییر ساعت نمی تواند اساساً مشکل را برطرف کند. به همین دلیل است که محصولات خارجی خوب توجه ویژه ای به کالیبراسیون جریان واقعی دارند و ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت عامل کلیدی است.

با توجه به سوال دوم مطرح شده توسط پوستر اصلی: اثر رطوبت. بدیهی است که رطوبت تاثیر زیادی بر دبی سنج های حرارتی دارد، زیرا ظرفیت جذب حرارت گازهای مرطوب و خشک بسیار متفاوت است. گاز اندازه گیری شده حاوی بخار آب است و مستقیم ترین نتیجه یک انحراف جدی در داده های اندازه گیری است. اندازه این انحراف به محتوای رطوبت مربوط می شود. اگر نسبت محتوای آب زیاد باشد صدمات جدی به دبی سنج وارد می شود (زیرا وجود بخار آب باعث از بین رفتن میدان دما می شود، سیم گرمایش الکتریکی در حالت اضافه بار برای مدت طولانی کار می کند و احتمال آسیب دیدن پروب بسیار زیاد است). بنابراین توصیه می شود از محصولات حرارتی در گازهای خالص و خشک استفاده شود. وجود گرد و غبار تاثیر زیادی ندارد. حتی می توان از آن در موقعیت هایی با مقداری کثیفی استفاده کرد. این فقط میزان نگهداری را افزایش می دهد.

با توجه به معادله Qm=K* ΔP/Cp * ΔT، آیا می توان فهمید که هیچ فشاری در فرآیند محاسبه دبی وجود ندارد، بنابراین نیازی به در نظر گرفتن ضریب فشار در محاسبه جریان نیست؟

در واقع، همانطور که قبلاً به وضوح گفته شد، اندازه گیری جریان سنج حرارتی با ظرفیت جذب حرارت هر محیط مرتبط است و ظرفیت جذب گرما، ظرفیت گرمایی ویژه محیط است. این یک کمیت فیزیکی است که معمولاً در ترمودینامیک استفاده می شود و نشان دهنده توانایی جسم در جذب یا دفع گرما است. هر چه ظرفیت گرمای ویژه بیشتر باشد، توانایی جسم برای جذب یا دفع گرما قوی‌تر است. به مقدار گرمای جذب یا آزاد شده توسط یک واحد جرم یک ماده اشاره دارد که با یک واحد دما افزایش یا کاهش می یابد. ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده به فرآیندی که انجام می شود مربوط می شود. معمولاً در کاربردهای مهندسی استفاده می شود: ظرفیت حرارتی ویژه فشار ثابت Cp، ظرفیت حرارتی ویژه حجم ثابت Cv و ظرفیت حرارتی ویژه حالت اشباع. ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت Cp: انرژی جذب یا آزاد شده توسط یک واحد جرم ماده است که در شرایط فشار ثابت دما به میزان 1 درجه سانتیگراد یا 1K افزایش یا کاهش می یابد. این اصل مشکل است. ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت نیاز به فشار ثابت دارد. اگر فشار تغییر کند، ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت را نمی توان تعیین کرد. با این حال، تأثیر تغییرات فشار بر ظرفیت گرمایی بسیار ناچیز است، بنابراین ما به طور کلی فکر می کنیم که تغییرات فشار را می توان در اندازه گیری های حرارتی نادیده گرفت، اما این بدان معنا نیست که تغییرات فشار تأثیری بر اندازه گیری های حرارتی ندارد. بیایید محصولات حرارتی آمریکایی SIERRA را به عنوان مثال در نظر بگیریم. تأثیر یکی از نشانگرهای فشار آن برای تعیین کمیت تأثیر تغییرات فشار استفاده می شود.: ضریب فشار: 0.02% در psi (هوا)، برای سایر گازها با کارخانه مشورت کنید.

در واقع، همانطور که قبلاً به وضوح گفته شد، اندازه گیری جریان سنج حرارتی با ظرفیت جذب حرارت هر محیط مرتبط است و ظرفیت جذب گرما، ظرفیت گرمایی ویژه محیط است. این یک کمیت فیزیکی است که معمولاً در ترمودینامیک استفاده می شود و نشان دهنده توانایی جسم در جذب یا دفع گرما است. هر چه ظرفیت گرمای ویژه بیشتر باشد، توانایی جسم برای جذب یا دفع گرما قوی‌تر است. به مقدار گرمای جذب یا آزاد شده توسط یک واحد جرم یک ماده اشاره دارد که با یک واحد دما افزایش یا کاهش می یابد. ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده به فرآیندی که انجام می شود مربوط می شود. معمولاً در کاربردهای مهندسی استفاده می شود: ظرفیت حرارتی ویژه فشار ثابت Cp، ظرفیت حرارتی ویژه حجم ثابت Cv و ظرفیت حرارتی ویژه حالت اشباع. ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت Cp: انرژی جذب یا آزاد شده توسط یک واحد جرم ماده است که در شرایط فشار ثابت دما به میزان 1 درجه سانتیگراد یا 1K افزایش یا کاهش می یابد. این اصل مشکل است. ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت نیاز به فشار ثابت دارد. اگر فشار تغییر کند، ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت را نمی توان تعیین کرد. با این حال، تأثیر تغییرات فشار بر ظرفیت گرمایی بسیار ناچیز است، بنابراین ما به طور کلی فکر می کنیم که تغییرات فشار را می توان در اندازه گیری های حرارتی نادیده گرفت، اما این بدان معنا نیست که تغییرات فشار تأثیری بر اندازه گیری های حرارتی ندارد. بیایید محصولات حرارتی آمریکایی SIERRA را به عنوان مثال در نظر بگیریم. تأثیر یکی از نشانگرهای فشار آن برای تعیین کمیت تأثیر تغییرات فشار استفاده می شود.: ضریب فشار: 0.02% در psi (هوا)، برای سایر گازها با کارخانه مشورت کنید.