负压工况对流量测量有何影响?

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Alicat-U一位用户向我们反映他的质量流量计在二分之一大气压下测得的流量不准确。这是怎么回事呢?由于体积流量变化的关系,在低于大气压的环境下测量质量流量确实具有一定挑战性。下面我们就来探究下负压状态下会发生什么,以及如何选择合适量程范围的质量或体积流量计。

压力对静态气体质量与体积流量的影响

压力是指作用于物体表面的力。根据理想气体定律PV=nRT,气体的体积(V)随压力(P)增大而减小。因为气体是可压缩的,当压力增大时,气体分子间的间距会缩小;反之则分子间距变大,从而气体体积增大。但无论如何,其中所包含的空气分子数(即摩尔质量)是恒定不变的。

2 atm时的空气分子 质量: 500 scm3 体积: 250 cm3

2 atm时的空气分子
质量: 500 scm3
体积: 250 cm3

想像一下,在标准大气压(1 atm≈14.696 psia)25°C时往一个有韧性非弹性的容器(比如:聚酯薄膜气球)内充入500 cm3空气。若增大压力至2 atm时,空气分子间的间距会缩小,体积将被压缩至250cm3;若减小压力至0.5 atm,空气体积将膨胀至1000 cm3;若继续减小压力至0.25 atm,体积则将增大至2000 cm3;在整个过程中,空气本身的量并无增加或减少,容器内空气的摩尔质量亦保持500 scm3恒定不变。

1 atm时的空气分子  质量: 500 scm3  体积: 500 cm3

1 atm时的空气分子
质量: 500 scm3
体积: 500 cm3

0.5 atm时的空气分子 质量: 500 scm3 体积: 1000 cm3

0.5 atm时的空气分子
质量: 500 scm3
体积: 1000 cm3

0.25 atm时的空气分子 质量: 500 scm3 体积: 2000 cm3

0.25 atm时的空气分子
质量: 500 scm3
体积: 2000 cm3

 

管道压力对动态气体的影响

当空气进入运动状态,其体积随着压力而不断变化着,就如上文提到的压力翻倍时体积流量减半,压力减小时体积流量增大,但流动着的空气分子的数量(即质量流量)却始终不变。

不同大气压下气体体积流量不同

选择适当量程范围的质量流量计用于负压应用

压差式质量流量计内已为可能会流经的最大的体积流量预设通路,当流量计用于负压应用时,须加大该通路以保证扩张的体积流量顺利通过。

以一台满量程为500 sccm (scm3)的艾里卡特质量流量计(型号M-500SCCM-D)为例,若在两倍大气压下流过质量流量为500 sccm的气体,其体积流量仅为250 ccm,缩小的体积流量并不会对流量的测量产生任何影响,因为该流量计实际上可处理两倍于该数值的流量。

若二分之一大气压下气体的质量流量为500 sccm,那么体积流量将翻倍至1000 ccm,这时采用满量程为500 sccm的质量流量计就太小了,须选择1000 sccm (型号M-1SLPM-D)。为确保质量流量仍具有最佳的测量分辨率,我们会将设备体积流量标定至1000 ccm、而质量流量标定至500 sccm。以此类推,四分之一大气压下须采用四倍于目标量程的质量流量计,即:M-2SLPM-D,并将设备的质量流量标定至500 sccm、体积流量至2000 ccm。

一般来说,艾里卡特质量流量计用于不低于0.8个大气压(即11.5 psia)的工况时无需进行量程扩容;最大可扩容至5倍量程用于0.2个大气压(即2.9 psia)的工况下。

选择适当量程范围的质量流量控制器用于真空及负压应用

不同于质量流量计,压差式质量流量控制器用于负压应用时无需进行量程扩容,只须将比例控制阀后置即可,从而形成音速屏障以避免流量传感器遭受气体体积扩张带来的冲击。从下面的图形示例中可以看到,质量流量控制器内部的测量端子与大气相通(1个大气压),气体进入负压(四分之一大气压)工况并于通过阀门后才发生体积膨胀,如上文所述,工况从1个大气压变化至四分之一大气压时,气体的质量流量维持恒定不变。

不同大气压下的气体体积流量不同

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