Применение и выбор термических расходомеров массы газа

Thread Content

Термические расходомеры массы газа благодаря своим уникальным преимуществам получают все большее признание и используются все чаще; в настоящее время они применяются во многих ситуациях, связанных с измерением расхода газов. Однако в этих приложениях также существует множество проблем и заблуждений. Неответственная реклама со стороны производителей, а также недостатки качества продукции создают множество препятствий и сложностей при использовании устройств. Это приводит к тому, что многие пользователи неправильно понимают принципы работы термических расходомеров. Некоторые считают, что такие расходомеры могут измерять расход газа в любых условиях, в то время как другие отвергают их использование. За эти годы я посвятил себя продвижению и пропаганде термических расходомеров газа. Я познакомился с расходомерами многих отечественных и зарубежных брендов, а в процессе их продвижения столкнулся с множеством проблем, связанных с их использованием. Я собрал большое количество примеров таких случаев, и, проанализировав их, пришел к некоторым выводам, которые хотел бы поделиться с друзьями. В этой статье с профессиональной точки зрения будут даны ответы на вопросы, чтобы помочь специалистам в различных отраслях правильно выбирать термические измерители массового потока газа. Мы рассмотрим это с трех аспектов: 1. Правильное понимание принципа работы термического расходомера массы газа. Происхождение термического расходомера массы газа связано с термическими анемометрами. Температура платиновой нагревательной нити находится в пропорциональной зависимости от скорости потока жидкости: чем выше скорость потока, тем больше тепла уносится. Ниже кратко объясняется, почему путем измерения изменения теплоты можно определить массовый расход газа. Формула: H = m × Cp × ΔT. Здесь H — это количество теплоты, измеренное при фиксированном разнице температур ΔT. Для газа с постоянной удельной теплоемкостью Cp можно напрямую вычислить массовый поток газа m. Далее мы с микроуровня объясним, почему необходимо измерять массовый поток газа напрямую. Как показано на рисунке, молекулы газа вступают в контакт с нагретой поверхностью, что способствует теплопередаче и уносит тепло с датчика. Поскольку способность различных молекул газа уносить тепло различна, при известности способности к теплопередаче молекул газа (значении Cp) можно непосредственно определить количество проходящих молекул газа путем измерения расходуемой электрической мощности. Количество молекул газа соответствует его массовому потоку. Если преобразовать формулу: H = m × Cp × ΔT, то получим: m = H / (Cp × ΔT). Здесь: m — это массовый поток газа; H — величина компенсируемой электрической мощности; Cp — удельная теплоемкость при постоянном давлении, которая зависит от вида газа; ΔT — разница температур между двумя датчиками. Из вышеуказанной формулы можно сделать вывод о двух принципах работы термических датчиков: при постоянной разнице температур в знаменателе путем непрерывного измерения величины тепла, уносимого газом, можно определить его массовый поток. Это и есть принцип работы термических датчиков с постоянной разницей температур, который в настоящее время широко используется на рынке. Если сохранять тепловую энергию молекул H постоянной и измерять в реальном времени величину разницы температур для определения массового расхода газа, это называется методом с постоянной мощностью. Принцип постоянной разницы температур обеспечивает отличные характеристики при низком расходе: даже при скорости потока массы 0,1 Нм/с сохраняется высокая линейность. Кроме того, обладает способностью к быстрой реакции. Принцип постоянной мощности позволяет обнаруживать значительные изменения скорости потока; он отлично себя проявляет в условиях высокой скорости потока. Однако при низкой скорости потока его эффективность уступает принципу постоянной температурной разницы. Кроме того, время реакции при использовании этого принципа хуже, чем при применении принципа постоянной температурной разницы. II. Правильное понимание выдающихся характеристик термических измерителей массового потока газа. Качественный термический измеритель должен обладать двумя основными характеристиками: качественной технологией изготовления датчика и полноценным оборудованием для калибровки в реальных условиях. Давайте рассмотрим по отдельности эти две особенности: а. Технология изготовления датчика: ранее мы говорили о принципе работы термических расходомеров. Из этого принципа можно понять, что датчик является ключевой составляющей всего термического расходомера массы газа. Качество датчика определяет точность измерений, повторяемость результатов, срок службы устройства, а также его способность к работе при низких скоростях потока. Датчик состоит из платиновой нитью-резистора и защитного корпуса из нержавеющей стали. Платиновая нить нагрева является проводником, а изоляционный слой из нержавеющей стали также является проводником. Поэтому вещество, заполняющее пространство между ними, должно обладать отличными теплопроводными свойствами, но в то же время не быть проводником. Это приводит к ключевым аспектам всех термических расходомеров — материалу для заполнения зазора в нагревательном элементе и процессу его упаковки: чем толще слой заполнения, тем лучше его изоляционные свойства, но ухудшается теплопроводность, снижается чувствительность к температуре, а также возникает задержка в реакции. Если заполняющий материал является органическим, он легко стареет, что приводит к появлению трещин в наполнителе; в результате показания расходомера смещаются к нулю. Если в зазорах находится небольшое количество воздуха, то из-за постоянного нагрева этого датчика воздух расширяется, что приводит к колебаниям нулевой точки. В традиционных термических измерителях массового потока датчик скорости нагрева расположен в конце пробойника из нержавеющей стали, а между датчиком и внутренней поверхностью пробойника заполняется специальная смесь. Эта смесь должна быть электрически изолирующей при одновременном обеспечении низкого теплового сопротивления; в качестве таких материалов обычно используются эпоксидные смолы, керамический цемент, термостойкие гели или порошки алюминия оксида, магния оксида и т. д. У этих «влажных» датчиков, использующих вышеупомянутые наполнители, имеются некоторые недостатки: например, тепловое сопротивление их поверхности по мере увеличения времени эксплуатации постоянно растет, в результате чего кривая выходных сигналов имеет тенденцию к снижению. Это приводит к снижению чувствительности датчика, что в свою очередь влияет на точность измерений. “Заполнитель датчика влажности из-за различия коэффициентов теплового расширения с датчиком скорости со временем подвергается старению и появлению трещин, что в конечном итоге приводит к снижению точности измерений датчика и затрудняет поддержание высокой точности в течение длительного времени. При такой упаковке и наполнителе в краткосрочной перспективе разницы не заметно, но через полгода или год могут проявиться проблемы, такие как снижение стабильности и отклонения нуля. Справа представлена схема конструкции датчика расхода теплового типа от американской компании SIERRA. Датчик скорости от компании Сялэ является в настоящее время единственным в мире настоящим «сухим» датчиком. Его уникальная технология упаковки обеспечивает идеальное заполнение пространства между датчиком скорости и внутренней стенкой из нержавеющей стали; в качестве наполнителя не используются органические вещества, а инертные вещества на основе платины и иридия. Сенсоры расхода марки Сялэре обладают оптимальной чувствительностью и воспроизводимостью. В них никогда не возникает трещин в наполнителе, что исключает проблемы с дрейфом из-за появления трещин. Благодаря этому значительно повышается точность измерений, а также сохраняется высокая точность на протяжении длительного времени. В самых важных компонентах термической версии SIERRA используется уникальный наноуровневый изолятор на основе неорганических веществ. Благодаря процедуре высокого давления наполнитель на наноуровне становится ещё более плотным, что обеспечивает отсутствие смещений в течение десяти лет. Два разных технология упаковки также способствуют получению продуктов разного качества. б. Технология калибровки с реальным потоком: сначала давайте поговорим о важности калибровки термических расходомеров массы газа с учетом реального потока. Ранее мы говорили о принципе измерения с использованием теплового метода. Согласно этому принципу, показатели качества измерений массового потока газа с помощью теплового расходомера во многом зависят от теплопроводности исследуемого газа. У каждого газа разные значения удельной теплоемкости при разных температурах и давлениях. Если полагаться исключительно на калибровку с использованием воздуха при нормальном или отрицательном давлении, а затем вносить коррективы для получения измерителя расхода высокой производительности, это всё равно не является научным подходом. К тому же практика показывает, что расходомеры без калибровки по реальному потоку демонстрируют большие отклонения при измерении невоздушных сред. В настоящее время большинство термических измерителей массового расхода газа на рынке калибруются с использованием отрицательного давления воздуха в разомкнутой схеме, после чего производится коррекция для работы при высоком давлении или для других газов, таких как аргон, углекислый газ, кислород, водород, аммиак и т. д. Корректировка калибровки неизбежно приводит к тому, что точность измерений не может быть гарантирована. Счетчики, откалиброванные для низкого давления, следует использовать в условиях высокого давления, а счетчики, откалиброванные с использованием воздуха в качестве среды, — в условиях наличия других газов; в таких случаях точность измерений также не может быть гарантирована. III. Правильный выбор термического расходомера массы газа. Согласно данным, примерно 70% всех неисправностей в работе расходомеров связано с неправильным их выбором, а 30% — с качеством самого устройства или другими причинами. Это показывает, насколько важен правильный выбор расходомера для его эффективной работы. Пользователи термических расходомеров массы газа должны обратить особое внимание на то, чтобы не выбирать определенный тип расходомера самостоятельно, если только речь не идет о замене существующего расходомера. Лучше поручить эту работу продавцу, поскольку он является специалистом в этой области. Вам нужно предоставить как можно более полные данные о условиях эксплуатации и некоторые технические требования. Например, диапазон расхода (рекомендуется использовать единицу измерения — кубический метр), среда, в которой происходит измерение, диаметр трубопровода, материал трубопровода, рабочее давление, рабочая температура, необходимость защиты от взрывов, температура окружающей среды, в которой работает расходомер, требования к источнику питания сигнала, класс точности, область применения (контроль процесса или измерения для целей торговли), степень сухости и чистоты измеряемой среды. При измерении расхода смешанного газа необходимо указывать процентное содержание каждого компонента. В заключение напомним: если на месте есть возможности, выбирайте расходомер интегрированный. Если речь идет о раздельных компонентах, то поскольку кабели для передачи сигналов являются частью измерительной схемы, у них есть сопротивление. Независимо от того, насколько хорошо они сделаны, из-за очень малого сопротивления самого датчика это сопротивление кабелей неизбежно влияет на процессы обработки данных в электронной схеме. Кроме того, под воздействием условий окружающей среды сопротивление может меняться. Если всё же необходимо выбрать раздельную модель, рекомендуется, чтобы расстояние между её составляющими было как можно меньше. Если измеряемый газ — это какой-либо другой газ, отличный от воздуха, рекомендуется выбирать термические расходомеры, калиброванные с использованием реального потока за рубежом. Об этом обязательно следует помнить. Конечно, если у вас низкие требования к точности измерений, и вам безразлична величина отклонений — достаточно просто отслеживать тенденции потока, — тогда можно выбрать более дешевые термические расходомеры. Будьте внимательны к товарам, продаваемым по низким ценам. Рассчитайте базовые затраты, чтобы определить, может ли данный расходомер обеспечить качество продукции. Есть одна основная стоимость, которую невозможно игнорировать: стоимость калибровки расходомера для газа с диаметром менее DN50 составляет примерно 1000 юаней (цены в разных институтах по измерениям отличаются незначительно). Для DN100 и ниже — 1500 юаней. Для диаметров DN100 и выше стоимость калибровки увеличивается примерно на 1000 юаней за каждый дополнительный размер диаметра. Ключевым моментом при правильном выборе термического расходомера массы газа является тщательное изучение материала, понимание принципов измерения и характеристик устройства, а также активное взаимодействие с представителями производителя для выяснения особенностей различных брендов. Только тогда можно опираться на собственные критерии и правильно выбрать продукт в виде термического расходомера газов, соответствующий своим требованиям. (Перепечатано с форума HaiChuan Chemical, авторские права принадлежат оригинальному автору)