ความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องวัดอัตราการไหลแบบอุณหพลศาสตร์กับความดันและอุณหภู

หากต้องการตอบคำถามของเจ้าของกระทู้ เราต้องเข้าใจหลักการทำงานของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซแบบใช้ความร้อนก่อน แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเครื่องวัดอัตราการไหลของก๊าซแบบใช้ความร้อนมีดังนี้: H = Cp * m * ΔT, m = H / (Cp * ΔT), Qm = K * ΔP / (Cp * ΔT) โดยที่ Qm คืออัตราการไหลของมวลก๊าซ, K คือค่าสัมประสิทธิ์ของเครื่องวัด, ΔP คือค่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการชดเชย, Cp คือค่าความจุความร้อนที่คงที่, และ ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเซ็นเซอร์ทั้งสองตัว เซ็นเซอร์วัดอัตราการไหลประกอบด้วยตัวต้านทานความร้อนสองตัว ได้แก่ เซ็นเซอร์สำหรับอ้างอิง และเซ็นเซอร์สำหรับการให้ความร้อน เมื่อก๊าซไหลผ่านหัวตรวจจับความร้อน ก๊าซจะดูดซับความร้อนบางส่วนไป ทำให้หัวตรวจจับมีอุณหภูมิลดลง โดยปริมาณความร้อนที่สูญเสียไปจะมีความสัมพันธ์กับอัตราการไหลของก๊าซ การควบคุมความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหัวสำรวจการให้ความร้อนกับหัวสำรวจอ้างอิงให้อยู่ที่ค่าหนึ่งที่กำหนดไว้ เพื่อวัดกระแสไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับการให้ความร้อน ซึ่งจะช่วยให้สามารถหาค่าอัตราการไหลของมวลได้ หลักการนี้เราเรียกว่า “หลักการควบคุมความแตกต่างของอุณหภูมิ” ปัจจุบัน เครื่องทำความร้อนแบบใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นหลักในการทำงานนั้น มีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั่วโลก จากแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เราสามารถเห็นได้ว่า ปริมาณการไหลมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับค่าความจุความร้อนของสารที่ถูกวัด และมีความสัมพันธ์แบบเป็นสัดส่วนกับกำลังไฟฟ้าที่ใช้ในการให้ความร้อน กล่าวคือ ยิ่งกำลังไฟฟ้ามากเท่าไร ปริมาณสารก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น หากสื่อที่ใช้ในการวัดมีค่าคงที่ ค่าความจุความร้อนที่คงที่ของสื่อนั้นก็จะมีค่าคงที่เช่นกัน เราสามารถถือว่าค่าความจุความร้อนนี้เป็นค่าคงที่ได้ แต่เราทุกคนก็รู้ดีว่า ค่าความจุความร้อนที่คงที่ภายใต้แรงดันคงที่นั้น ไม่ใช่ค่าคงที่ที่ไม่เปลี่ยนแปลงไปเลย แนวคิดของความจุความร้อนที่คงที่ หมายถึงพลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิขึ้นหนึ่งองศาเมื่อความดันคงที่ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือความสามารถในการดูดซับความร้อนนั่นเอง ตัวกลางแต่ละชนิดมีความสามารถในการดูดซับความร้อนที่แตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ กรุณาดูภาพด้านล่างนี้: ค่าความจุความร้อนจำเพาะภายใต้ความดันคงที่ cp/(kJ/kg·K) ชื่อ สูตรโมเลกุล อุณหภูมิ/°C –40 10 60 110 160 260 360 460 760 1200 ไฮโดรเจน H2 14.83 14.29 14.11 14.09 14.18 14.43 14.67 14.84 15.02 16.25 ออกซิเจน O2 0.9378 0.9169 0.9169 0.9253 0.9420 0.9797 1.013 1.043 1.097 1.147 ไนโตรเจน N2 1.089 1.043 1.026 1.026 1.034 1.059 1.089 1.118 1.172 1.252 แอมโมเนีย NH3 2.005 2.043 2.114 2.186 2.303 2.508 2.700 2.881 3.329 3.869 คาร์บอนมอนอกไซด์ CO 1.084 1.043 1.029 1.030 1.038 1.068 1.101 1.130 1.189 1.264 คาร์บอนไดออกไซด์ CO2 0.7997 0.8289 0.8709 0.9043 0.9546 1.030 1.097 1.147 1.243 1.340 ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ SO2 0.5862 0.6071 0.6322 0.6573 0.6908 0.7411 0.7787 0.8122 0.8541 0.8960 ไฮโดรเจนซัลไฟด์ H2S 0.9839 0.9797 0.9964 1.013 1.051 1.118 1.176 1.235 1.361 1.524 มีเทน CH4 2.077 2.189 2.336 2.466 2.675 3.031 3.383 3.689 4.568 5.355 เอทาน C2H6 1.465 1.692 1.913 2.081 2.336 2.721 3.077 3.395 4.153 4.823 โพรเพน C3H8 1.344 1.603 1.846 2.026 2.290 2.684 3.031 3.337 4.036 4.652 บิวเทน C4H10 1.361 1.612 1.846 2.022 2.282 2.663 3.002 3.295 3.965 4.555 เพนเทน C5H12 1.352 1.603 1.838 2.009 2.265 2.646 2.977 3.266 3.923 4.492 เฮกเซน C6H14 1.339 1.591 1.825 2.001 2.257 2.633 2.960 3.249 3.889 4.455 เฮปเทน C7H16 1.336 1.587 1.821 1.993 2.248 2.625 2.952 3.232 3.869 4.425 ออกเทน C8H18 1.336 1.583 1.817 1.993 2.244 2.617 2.943 3.224 3.852 4.400 นอนาเน C9H20 1.331 1.583 1.817 1.989 2.240 2.613 2.935 3.215 3.839 4.384 เดคาเน C10H22 1.331 1.578 1.813 1.985 2.236 2.608 2.931 3.207 3.831 4.371 ไซโคลเพนเทน C5H10 0.7913 1.105 1.800 1.578 1.863 2.273 2.629 2.935 3.630 4.199 เมทิลไซโคลเพนเทน C6H12 0.9295 1.231 1.499 1.687 1.964 2.361 2.705 3.002 3.663 4.216 เอทิลไซโคลเพนเทน C7H14 0.9504 1.256 1.528 1.721 1.997 2.399 2.738 3.035 3.689 4.442 ไซโคลเฮกเซน C6H12 0.8499 1.181 1.469 1.679 1.976 2.412 2.784 3.107 3.831 4.371 เมทิลไซโคลเฮกเซน C7H14 0.9797 1.294 1.578 1.679 2.072 2.491 2.851 3.161 3.848 4.371 เอทิลไซโคลเฮกเซน C8H16 1.026 1.336 1.612 1.813 2.098 2.512 2.868 3.169 3.839 4.358 เอทิลีน C2H4 1.298 1.495 1.687 1.829 2.043 2.357 2.633 2.872 3.416 3.919 โพรพิลีน C3H6 1.256 1.461 1.658 1.805 2.026 2.353 2.642 2.897 3.479 3.998 บิวทีน-1 C4H8 1.231 1.461 1.679 1.838 2.068 2.412 2.709 2.968 3.546 4.065 เพนทีน-1 C5H10 1.269 1.499 1.712 1.871 2.106 2.449 2.747 3.006 3.588 4.099 เฮกซีน-1 C6H12 1.277 1.507 1.725 1.884 2.123 2.466 2.767 3.031 3.613 4.124 จากภาพข้างต้น เราจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่า ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ค่าความจุความร้อนจำเพาะภายใต้ความดันคงที่จะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย แต่หากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงมาก ค่าความจุความร้อนจำเพาะภายใต้ความดันคงที่ก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ และการเปลี่ยนแปลงนี้ส่งผลต่อการวัดค่า สำหรับสื่อต่างๆ เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป อัตราการเปลี่ยนแปลงของความจุความร้อนที่คงความดันก็จะแตกต่างกันไปด้วย บริษัท SIERRA ของสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นบริษัทแรกในโลกที่พัฒนาผลิตภัณฑ์แบบใช้ความร้อน ได้ทำการศึกษาถึงผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันต่อเครื่องวัดอัตราการไหล และยังระบุค่ามาตรฐานทางเทคนิคของผลิตภัณฑ์ของตนเองไว้อย่างละเอียดอีกด้วย ตามคู่มือการใช้งานของผลิตภัณฑ์ 620S ได้ระบุถึงผลกระทบจากอุณหภูมิและความดันไว้ดังนี้: ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ: ภายใต้เงื่อนไขที่ผู้ใช้กำหนด ค่าการอ่านจะมีความคลาดเคลื่อนประมาณ ±0.02% ต่อทุกๆ 0°F ภายในช่วง ±500°F ภายใต้เงื่อนไขที่ผู้ใช้กำหนด ค่าที่อ่านได้จะอยู่ในช่วง ±500F ถึง 1000F โดยมีความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ ±0.03% ต่อทุก 0F ภายในช่วงอุณหภูมิ ±25℃ ตามเงื่อนไขที่ผู้ใช้กำหนด ค่าความคลาดเคลื่อนของการอ่านค่าจะอยู่ที่ ±0.04% ต่ออุณหภูมิ 1℃ ภายใต้เงื่อนไขที่ผู้ใช้กำหนด ค่าการอ่านจะมีความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ ±0.06% ต่อองศาเซลเซียส ในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ ±25℃ ถึง 50℃ ค่าสัมประสิทธิ์แรงดัน: 0.02% ต่อ psi (สำหรับอากาศ) สำหรับก๊าซชนิดอื่นๆ กรุณาสอบถามผู้ผลิต ผลิตภัณฑ์ในประเทศยังไม่มีการวิจัยอย่างลึกซึ้งในด้านนี้ ดังนั้นข้อมูลเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความดันต่อเครื่องวัดอัตราการไหลจึงไม่ปรากฏอยู่ในแผ่นพับโฆษณาของผลิตภัณฑ์เหล่านั้นด้วย นี่คือเหตุผลว่าทำไมเราจึงให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับการปรับเทียบมิเตอร์ในกรณีที่ใช้กับสารที่มีอุณหภูมิสูง (โดยเฉพาะการวัดปริมาณก๊าซชนิดอื่นที่ไม่ใช่อากาศ) หากการปรับเทียบไม่ได้ทำตามเงื่อนไขการทำงานจริงในสถานที่ การใช้งานมิเตอร์ก็จะไม่มีประสิทธิภาพเท่าที่ควร และมีโอกาสเกิดปัญหาสูงมาก ผลิตภัณฑ์แบบใช้ความร้อนทั้งหมดในประเทศนี้ ไม่มีแม้แต่รุ่นเดียวที่ได้รับการปรับเทียบค่าการไหลจริง หากนำไปใช้กับอากาศ ก็ไม่น่าจะมีปัญหามากนัก แต่หากนำไปใช้กับก๊าซชนิดอื่น ก็มักจะเกิดปัญหาขึ้นได้ และเมื่อเกิดปัญหาขึ้น ก็จะแก้ไขได้ยากมาก ไม่ว่าจะเปลี่ยนตัวเรือนนาฬิกาหรือไม่ก็ตาม ก็ไม่สามารถขจัดปัญหาได้อย่างถาวร นี่คือเหตุผลว่าทำไมผลิตภัณฑ์คุณภาพดีจากต่างประเทศจึงให้ความสำคัญกับการปรับแต่งค่าการไหลของของเหลวเป็นพิเศษ โดยค่าความจุความร้อนที่คงที่ถือเป็นปัจจัยสำคัญ

สำหรับคำถามข้อที่สองที่เจ้าของกระทู้ตั้งไว้ นั่นก็คือ ผลกระทบของความชื้น. เห็นได้ชัดว่าความชื้นมีผลกระทบอย่างมากต่อเครื่องวัดอัตราการไหลแบบใช้ความร้อน เนื่องจากความสามารถในการดูดซับความร้อนของก๊าซที่มีความชื้นกับก๊าซที่แห้งนั้นแตกต่างกันอย่างมาก หากก๊าซที่นำมาวัดมีความชื้นอยู่ด้วย ผลลัพธ์ที่ได้ก็จะผิดเพี้ยนอย่างรุนแรง โดยขนาดของความผิดเพี้ยนนี้จะขึ้นอยู่กับปริมาณความชื้นด้วย หากปริมาณน้ำมีสัดส่วนสูงเกินไป ก็อาจทำให้เครื่องวัดอัตราการไหลเสียหายได้ (เนื่องจากมีไอน้ำ ซึ่งจะทำลายสภาพแวดล้อมด้านอุณหภูมิ ส่งผลให้ลวดหุ้มไฟต้องทำงานภายใต้ภาระที่สูงเกินไปเป็นเวลานาน ทำให้โอกาสที่หัววัดจะเสียหายสูงมาก) ดังนั้น จึงแนะนำให้ใช้ผลิตภัณฑ์แบบร้อนกับก๊าซที่สะอาดและแห้ง การมีฝุ่นละอองไม่ได้ส่งผลกระทบมากนัก แม้แต่ในสภาพที่มีสิ่งสกปรกอยู่บ้างก็สามารถใช้ได้เช่นกัน เพียงแต่จะต้องมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาเพิ่มขึ้นเท่านั้นเอง

จากสมการ Qm = K*ΔP/Cp*ΔT สามารถเข้าใจได้ว่า ในกระบวนการคำนวณอัตราการไหลนั้นไม่มีปัจจัยด้านความดันเข้ามาเกี่ยวข้อง ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องคำนึงถึงปัจจัยด้านความดันในการคำนวณอัตราการไหล

จริงๆ แล้วได้อธิบายไว้อย่างชัดเจนแล้วว่า การวัดค่าด้วยเครื่องวัดอัตราการไหลแบบใช้ความร้อนนั้น เกี่ยวข้องกับความสามารถในการดูดซับความร้อนของสารแต่ละชนิด ซึ่งความสามารถในการดูดซับความร้อนนี้ก็คือค่าความจุความร้อนเฉพาะของสารนั่นเอง. เป็นค่าทางฟิสิกส์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในทฤษฎีอุณหพลศาสตร์ โดยใช้แสดงถึงความสามารถของวัตถุในการดูดซับหรือปล่อยความร้อน ยิ่งค่าความจุความร้อนสูงเท่าไร ความสามารถในการดูดซับหรือปล่อยความร้อนของวัตถุก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น หมายถึงปริมาณความร้อนที่สารหนึ่งๆ ดูดซับหรือปล่อยออกมา เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง ในหน่วยมวลหนึ่งหน่วย ค่าความจุความร้อนของสสารนั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการที่เกิดขึ้นด้วย ในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม โดยทั่วไปจะมีการใช้ค่าความจุความร้อนที่ความดันคงที่ Cp ค่าความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่ Cv และค่าความจุความร้อนในสถานะอิ่มตัว ความจุความร้อนที่คงที่ Cp คือ ปริมาณพลังงานที่สารหนึ่งๆ ดูดซับหรือปล่อยออกมา เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1℃ หรือ 1K โดยที่ความดันยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นี่แหละคือประเด็นสำคัญ ค่าความจุความร้อนที่คงที่นั้นจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อความดันไม่เปลี่ยนแปลง แต่เมื่อความดันเปลี่ยนไป ค่าความจุความร้อนที่คงที่นี้ก็จะไม่สามารถนำมาใช้ได้อีกต่อไป แต่การเปลี่ยนแปลงของความดันมีผลต่อค่าความจุความร้อนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้นโดยทั่วไปเราจึงถือว่าการเปลี่ยนแปลงของความดันไม่มีผลต่อการวัดค่าความร้อน แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของความดันจะไม่มีผลอะไรเลยต่อการวัดค่าความร้อน ยกตัวอย่างผลิตภัณฑ์แบบร้อนของ SIERRA ในสหรัฐอเมริกากันดีกว่า โดยค่าตัวชี้วัดความดันของผลิตภัณฑ์นี้จะถูกแสดงออกมาในรูปแบบตัวเลข เพื่อแสดงถึงผลกระทบที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของความดัน โดยค่าสัมประสิทธิ์ความดันคือ 0.02% ต่อ psi (สำหรับอากาศ) ส่วนก๊าซชนิดอื่นๆ ให้สอบถามจากผู้ผลิตโดยตรง.

จริงๆ แล้วได้อธิบายไว้อย่างชัดเจนแล้วว่า การวัดค่าด้วยเครื่องวัดอัตราการไหลแบบใช้ความร้อนนั้น เกี่ยวข้องกับความสามารถในการดูดซับความร้อนของสารแต่ละชนิด ซึ่งความสามารถในการดูดซับความร้อนนี้ก็คือค่าความจุความร้อนเฉพาะของสารนั่นเอง. เป็นค่าทางฟิสิกส์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในทฤษฎีอุณหพลศาสตร์ โดยใช้แสดงถึงความสามารถของวัตถุในการดูดซับหรือปล่อยความร้อน ยิ่งค่าความจุความร้อนสูงเท่าไร ความสามารถในการดูดซับหรือปล่อยความร้อนของวัตถุก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น หมายถึงปริมาณความร้อนที่สารหนึ่งๆ ดูดซับหรือปล่อยออกมา เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง ในหน่วยมวลหนึ่งหน่วย ค่าความจุความร้อนของสสารนั้นขึ้นอยู่กับกระบวนการที่เกิดขึ้นด้วย ในการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม โดยทั่วไปจะมีการใช้ค่าความจุความร้อนที่ความดันคงที่ Cp ค่าความจุความร้อนที่ปริมาตรคงที่ Cv และค่าความจุความร้อนในสถานะอิ่มตัว ความจุความร้อนที่คงที่ Cp คือ ปริมาณพลังงานที่สารหนึ่งๆ ดูดซับหรือปล่อยออกมา เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1℃ หรือ 1K โดยที่ความดันยังคงไม่เปลี่ยนแปลง นี่แหละคือประเด็นสำคัญ ค่าความจุความร้อนที่คงที่นั้นจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อความดันไม่เปลี่ยนแปลง แต่เมื่อความดันเปลี่ยนไป ค่าความจุความร้อนที่คงที่นี้ก็จะไม่สามารถนำมาใช้ได้อีกต่อไป แต่การเปลี่ยนแปลงของความดันมีผลต่อค่าความจุความร้อนเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ดังนั้นโดยทั่วไปเราจึงถือว่าการเปลี่ยนแปลงของความดันไม่มีผลต่อการวัดค่าความร้อน แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าการเปลี่ยนแปลงของความดันจะไม่มีผลอะไรเลยต่อการวัดค่าความร้อน ยกตัวอย่างผลิตภัณฑ์แบบร้อนของ SIERRA ในสหรัฐอเมริกากันดีกว่า โดยค่าตัวชี้วัดความดันของผลิตภัณฑ์นี้จะถูกแสดงออกมาในรูปแบบตัวเลข เพื่อแสดงถึงผลกระทบที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของความดัน โดยค่าสัมประสิทธิ์ความดันคือ 0.02% ต่อ psi (สำหรับอากาศ) ส่วนก๊าซชนิดอื่นๆ ให้สอบถามจากผู้ผลิตโดยตรง.