选择流量仪表的十大参数

本文最初于 2021 年 1 月 8 日发表在 Process Instrumentation 上。请在此处阅读原文。

市场上质量流量计的选择范围很广，找到一款适合某一应用的质量流量计似乎很困难。了解比较仪表时要寻找的内容会让事情变得更容易。
向前跳至 10 个参数
流量计的主要区别在于测量流量的方式。流量计直接或间接测量流量，并且该测量可能取决于也可能不取决于流体特性。例如，一台仪表使用压差测量和已知气体特性间接计算质量流量，而另一台仪表直接且独立于气体特性计算质量流量。

在流体兼容性、工作范围、测量规格和价格方面，仪表之间也存在相当大的差异。本文介绍了四种常见仪表技术的基本工作原理以及为应用选择适合流量计时需要考虑的 10 个参数。

常见质量流量技术的工作原理

科里奥利流量计

科里奥利质量流量计利用科里奥利原理直接测量质量流量，与流体特性无关。这些仪表包含一两个管子，这些管子以管子的谐振频率进行电磁振荡。这种振荡是由沿管长度不同点的传感器测量的。当没有流量时，管子对称振荡，各点之间没有相位差。

当流体通过时，管会扭曲，从而引起点之间的相移，该相移与流体质量流量成正比。这种测量不依赖于压力，唯一的温度影响是机械或电子的，导致零偏移，比其他技术小一个数量级。
什么是科里奥利效应以及它如何让我们测量质量流量？

层流差压流量计

层流质量流量计通过压差间接测量质量流量。这些流量计包含将湍流转换为层流的流量元件。传感器测量这些流量元件的压降，仪表使用该数据以及泊肃叶方程来计算体积流量。

然后，仪表借助预加载的考虑了温度和压力的气体特性表，将体积测量值转换为标准化质量流量。尽管涉及多个变量，但高精度传感器可确保读数准确。由于每种气体的质量流量计算不同，因此选择正确的气体非常重要。
什么是压降？

热式流量计

有两种主要的热式流量计技术，每种技术都使用温度传感器直接测量流量。此外，热式流量计的测量取决于气体特性，气体特性随温度而变化，因此它们加载了气体表。

第一项技术是热旁路流量计。它的工作原理是引导一小部分流体流过包裹在加热元件中的毛细管，两侧均配有温度传感器。当没有流量时，传感器之间没有温差。但传入的冷流通过第一个传感器，温度下降。然后，气流在经过加热元件时被加热，从而提高了第二个传感器的温度。传感器之间的温差与流量成正比。

第二种技术是热式 MEMS或 CMOS 流量计。它通过维持加热传感器和流动温度传感器之间的温差来工作。当没有流量时，传感器两端的温差是恒定的。流量导致流量温度传感器冷却，并添加加热电流来补偿变化。该电流与质量流量成正比。MEMS 仪表相对于热旁路仪表的明显区别就是响应速度快且封装尺寸小。

选择质量流量计的10个参数

1. 流量
2. 使用的气体或气体
3. 温度
4. 运行压力
5. 压降
6. 价格
7. 准确性
8. 响应时间
9. 预热时间
10. 稳定的测量范围（量程比）

流量、气体选择和温度

图 1. 每种技术的可用流量和温度范围。注意 x 轴上的对数刻度。

首先确保流量计与应用的流速、气体选择和温度兼容非常重要，各种技术的这些范围如图 1 所示。

科里奥利流量计可在很大的流量和温度范围内运行，对于某些极端高流量、高温应用来说，它是一个可行的选择。对于极低流量应用，层流和热旁路流量计是更好的选择。在气体兼容性方面，所有仪表均适用于常见气体。但科里奥利流量计是唯一与某些较难处理的气体（例如 NO _{2 ）兼容的仪表，NO 2 与 N 2} O ₄处于未知比例的平衡状态。

工作压力和压降

图 2. 每种技术的静压和差压可用的最大压力额定值。注意 x 轴上的对数刻度。

接下来要考虑的参数是工作压力和压降。由于压力调节器和泵通常价格低廉，因此在大多数应用中压力控制都很容易调节。尽管如此，有些应用需要严格调节工作压力，例如化学反应或压降，例如体积计校准。

图2显示热旁路和科里奥利流量计在高压应用中具有优势，而科里奥利流量计实际上在低压降应用中变得不兼容。

价格/精度权衡

图 3. 更高的准确度（更低的百分比）需要更高的技术成本。

精度越高的仪表成本越高，并且根据仪表类型和流量，即使稍微提高精度也可能会很昂贵，如图 3 所示。例如，在流量的低端，层流流量计的成本约为 1,000 美元，而层流流量计的成本约为 1,000 美元。精度更高的科里奥利流量计成本约为 5,000 美元。然而，在高端流量下，仪表的价格相当。

对于某些应用，高精度是不容妥协的。以一个应用程序为例，其中有人在一个小型生物制药实验室工作，该实验室计划扩大规模以进行大规模生产，并希望尽量大限度地减少不准确性的扩大。但在其他应用中，精度较低的仪表就足够了，这可以节省很多钱。

价格/响应时间权衡

图 4. 对流量和操作条件变化的响应时间较短通常会带来较高的成本。注意 y 轴上的对数刻度。

仪表之间的响应时间可能存在显着差异，并且改进这一点的成本也可能很高，如图 4 所示。科里奥利仪表的响应时间从 1 毫秒到 500 毫秒不等，具体取决于尺寸、处理器和固件。较大的流量管通常以较低的频率振荡并且具有较长的响应时间。

层流计在中等流量范围内具有优秀的响应时间。对于极低的流量，由于流体尺寸较大，层流计需要更长的时间来检测压差的微小变化。对于较大的流量，层流计软件会执行平均以消除测量噪声，但这也会减慢响应时间。

现在，想象一下在光​​缆制造工厂工作，通常有多个预制棒被净化，并且多根光纤被同时拉制，所有这些都来自同一个压力源。在长时间运行期间，可能会因其他运行停止和启动而导致几次压力骤降和尖峰，并且这些压力变化可能会导致延迟和浪费批次。快速响应时间可以快速纠正压力变化，从而尽量大限度地减少时间和资源的浪费。

价格与预热时间

图 5. 不同技术的预热时间存在明显差异，而快速和慢速预热时间则有低成本和高成本选项。注意 y 轴上的对数刻度。

设备的预热时间可能从几秒到几分钟不等。对于某些应用，较长的预热时间可能只不过是一个小小的不便。但想象一下，有一个设备用于在恶劣天气的地方校准室外空气采样器。在这种情况下，快速预热时间至关重要，因为这意味着每个站点的时间更少。

在这里，热式 MEMS 和层流流量计是不错的选择，因为它们的预热时间只需几秒而不是几分钟。此外，如图 5 所示，MEMS 成本较低，如果满足所有其他应用需求，它是理想的选择。

价格/调节率权衡

图 6. 市场上理想调节比的范围与各种技术的价格。

量程比的确切含义可能因制造商而略有不同，但本质上是仪表的操作范围。如图 6 所示，该比率将根据设备和气体选择的不同而有所不同。例如，一些制造商可能拥有标准气体调节比为 10,000:1 的仪表，但防腐版本的调节比可能仅为 100:1。如果应用在大范围流量下运行或使用不常见的气体，则可能需要具有大量程比的仪表，甚至需要两个单独的仪表，以较便宜的为准。
当我们谈论调节比时，我们在谈论什么？

结论

选择适合应用的质量流量计似乎很复杂，但了解哪些参数是重要的考虑因素以及按什么顺序排列可以使决策变得更加简单。

首先确保满足流量、温度和气体的要求，可以显着缩小选择范围。然后，考虑合理调节的参数，如压力和压降。之后，考虑预算和特定于应用的参数，例如精度、响应时间、预热时间和调节比。

有了这些指南，根据应用的独特要求选择正确的质量流量解决方案应该会变得更加简单。