光纤生产过程中的精准性和重复性

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光纤生产过程中需要绝对的精准性和重复性,就好比射箭过程,射中靶心代表精度高,如果你每次都射中靶心,就称之为精准性。重复性是指能够证明你每次走到射击点前都能以同样的精准性完成射击任务的能力。下面我们就来了解下光纤是怎样生产的?以及艾里卡特质量流量控制器在光纤生产过程中发挥的关键性作用。

光纤生产是怎样一个过程?

光纤生产的第一步是光纤预制棒的制备。在光纤预制棒制备过程中,纯度极高的玻璃被加工成层状,需要精准地控制每一层玻璃上用于气相沉积的不同种类的气体的流量,而每一层玻璃都对最终光纤的不同属性有着至关重要的作用。利用质量流量控制器控制燃烧气体的流量从而控制火焰在某一指定温度,使分层在最佳过程中进行。玻璃分层有时需要耗费几个小时,取决于光纤预制棒的尺寸大小。

Alicat艾里卡特质量流量控制器助力光纤生产过程中的精准性和重复性光纤预制棒的制备完成后,接下来的一步就是光纤拉丝。由于光纤预制棒的一端已经被加热,通常采用惰性气体来保护加热元件在整个过程中不燃烧。当玻璃熔化后开始滴落,就形成了一条非常细的光纤,随后在充满氮气的冷却管内进行冷却,并沿着光纤拉丝塔下降。

完成光纤的厚度测量、质量检查后,根据最终光纤用途的不同,需在玻璃光纤表面镀上一层极薄的聚合物或丙烯酸树脂涂覆层。该涂覆层用于将光纤与外界环境隔离,从而保护玻璃光纤内部的重要属性。通常采用控制压力的方式来调解液体聚合物的流量大小。光纤涂覆通常在一个类似挤压的过程中进行,这就要求极其精密并且重复性极高地控制液态聚合物的压力,从而使得光纤表面涂覆层始终如一,一个极其微弱的压力波动将导致涂覆层厚度出现几微米的差异,而这微米级的涂覆层差异却会严重影响最终光纤成品的性能属性。随后进行的紫外辐射或热固化过程中,通常采用质量流量控制器控制热固化腔体内的惰性气体的流量,从而确保稳定的光纤热固化过程。

根据不同尺寸大小的光纤预制棒,最终拉丝成形的光纤长度可能从几千英尺到几百英里不等。请注意,我们正在讨论的是如何以每秒钟90英尺产量的速度生产一根粗细跟人类头发差不多、长度几百英里的均匀的光纤。这就是为什么初始阶段的光纤预制棒制备如此重要,只有质量流量控制器精准且重复地控制不同层玻璃的气相沉积的气体流量,才能实现最终光纤生产成品的均匀一致性。

质量流量控制器助力光纤生产关键步骤的精准性和重复性

光纤生产过程中从光纤预制棒的制备到光纤拉丝,其中好几个不同的生产过程都需要用到艾里卡特质量流量计控制器压力控制器。在光纤预制棒制备过程中,艾里卡特质量流量控制器用于控制燃烧器内燃烧气体的流量,而燃烧器是用于加热光纤预制棒,从而控制每一层玻璃的的气相沉积。在光纤拉丝过程中,艾里卡特质量流量控制器用于控制喂入石墨炉内的氩气,从而保持炉内稳定的气氛。(最终冷却成形的的光纤拉丝成品取决于圆锥形容器的形状。)

在艾里卡特质量流量控制器内,信号每隔5毫秒就从传感器输送一次到处理器。按照不同的终端应用需求和不同的工作压力,艾里卡特质量流量控制器的响应速度可能不同,一般不超过50毫秒。(可通过调节质量流量控制器PID将控制响应时间调至50毫秒以下。)50毫秒到底有多快?1毫秒=1/1000秒,人类眨一下眼睛的平均时间是300~400毫秒。也就是说,就在您眨眼的这一片刻功夫,艾里卡特质量流量控制器内部的处理器已经接收到了数百次的气体质量流量的测量信号。响应速度如此之快的质量流量控制器在光纤拉丝过程到底意味着什么呢?这意味着冷却塔内气体喷嘴的质量流量以每秒钟200次的速度被精准稳定地控制着。这也就是为什么光纤生产厂家可以极高的精准性和重复性、每秒钟90英尺的速度生产光纤。

利用质量流量控制器的多变量过程数据分析光纤生产关键性步骤

高能率的特种光纤需要具备十分特殊的光学属性,而这些光学属性取决于原材料的密度与混合程度。因此,光纤生产厂家的工程师们总是希望能采集到光纤生产过程中尽可能详细的数据。艾里卡特质量流量控制器除了输出光纤过程中需要的质量流量,还同时测量绝对压力、体积流量和温度,便于光纤生产厂家的工程师们监测并掌控整个光纤生产过程。另外,从质控角度来说,还可以通过这些数据分析出哪一些数据变化将导致最终成品瑕疵的惯性规律。

举一个比较典型的场景,质量流量控制器输出的上述数据信号传输到PLC后,PLC即可立即解读并作出响应。打个比方,倘若气体的质量流量出现忽高忽低或者流量为零,艾里卡特质量流量控制器将信号传输到PLC,PLC随即可做出反应将气路关断,而不是继续生产从而导致最终几百英尺甚至几英里长的瑕疵光纤成品。

质量流量控制器补偿时刻变化的光纤生产环境因素

光纤生产厂家所在地的环境因素可以彻彻底底地影响整个光纤生产过程。不幸的是,有一些光纤生产厂家至今仍然采用原始的方法生产光纤,并且对周围环境因素造成的变化毫无招架应对能力。举个例子,曾有一家光纤生产厂家,其工厂所在地经常遭受雷暴天气,也就是说,当地的大气压变化频繁,这就导致了最终生产出来的光纤在均匀一致性方面相当不如人意。其实,当光纤生产的工厂及周边街区正好处于雷暴区内时,是不应该启动需要连续进行12小时的光纤生产过程的。而艾里卡特质量流量控制器却能够克服并补偿外界环境因素引起的压力波动,无论什么样的气候环境下,都能保证整个光纤生产过程的稳定性、精准性,从而实现最终高质量光纤成品的重复性,因为艾里卡特质量流量控制器测量和控制的是压力变化下的气体流量的大小。

质量流量控制器在其它玻璃制品生产过程中的应用

除了光纤生产,还有许多玻璃制品的生产加工过程中需要控制气体的质量流量。例如:玻璃容器或玻璃器皿生产商利用质量流量控制器控制器控制玻璃熔化过程中的气体流量;一些生产厂家用质量流量控制器控制燃烧气体的质量流量从而控制火焰温度来进行玻璃纤维的结构塑形。建筑玻璃的生产过程中也需要用质量流量控制器来控制过程气体的流量,典型的建筑玻璃是那种巨大的、一片式平面玻璃,建筑玻璃的生产过程都需要经过一台长度达几百英尺的巨形烤箱,烤箱内的温度需要被精密地控制从而保证生产出来的玻璃成品的性能品质始终如一,烤箱内的每一个区域所需要的温度都被是精准规定的,要实现如此精准的温度控制并且稳定重复地保持,就必须采用质量流量控制器精密控制燃烧气体的流量。此外,建筑玻璃生产商还利用艾里卡特质量流量控制器控制玻璃表面镀膜所用气体的质量流量,玻璃表面镀膜的作用是为了实现最终玻璃成品的不同功能属性。

在没有工业自动化的年代,一些“老法师”们通常凭借自身累计了一辈子的工作经验通过肉眼观察火焰的颜色来判断温度,并且十分精细得手动慢慢调节。对企业来说,如果这些拥有丰富经验及特殊技能的“老法师”们休假或者退休了该怎么办呢?这就是为什么现在越来越多工业过程引入了数字式质量流量控制器。自动化的工业过程让人们可以从要求高度精准性和重复性的工作中抽身出来,有时间将时间和精力花在监测反应炉内的过程数据,思考如何使整个过程更加经济有效、如何优化生产过程等。当玻璃光纤生产过程中的每一个步骤的参数都被精准地设定,就很容易了解比如某一个过程中的火焰温度需要达到几摄氏度、而这个规定的温度所需要的燃烧气体的质量流量是多少。光纤生产厂家还可以从过程数据来分析出现瑕疵光纤产品的问题所在步骤,实现精准性的同时更保证了玻璃光纤生产过程的重复性。

艾里卡特在质量流量控制器用于光纤生产的应用方面有着丰富的案例和成熟的解决方案。如果您正打算提升光纤生产过程的精准性和重复性,请告诉我们

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恶劣气候环境下大气颗粒物监测仪的流量校准

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大气环境监测工程师们助力FP-25大气采样校准仪雏形诞生

呼吸一口清爽冰冷的空气,感受雪花拍打在脸上的瞬间。。。这样的场景是不是很美呢?你可知道这样的气候环境几乎导致所有流量校准仪的既定精度极限失效。幸运的是,FP-25大气采样校准仪不受丝毫影响。多亏所有现场大气环境监测工程师不断提出的宝贵意见,FP-25大气采样校准仪实乃为这类变化多端的气候环境量身定制的流量校准仪。

接下来我们就来讲讲FP-25大气采样校准仪如何诞生的故事。艾里卡特全新大气采样校准仪FP-25从研发到上市,几个测试版本经过美国国内具有代表性气候特点的环境监测站数轮反复试用,聆听了众多一线大气环境监测工程师的核心意见,才有了如今这台专用于所有大气颗粒物在线监测仪流量校准的FP-25大气采样校准仪

故事始于几个曾用过艾里卡特便携式流量校准仪的大气环境监测工程师,几位工程师在校准内含质量流量控制器的动态气体发生器的过程中颇为受挫,冗长的20个校准点过程极为繁琐,于是便将容积式流量计替换成了艾里卡特便携式流量校准仪,至此以后每个点的校准过程仅需短短几秒钟,即便在流量低至5 sccm时。

此后不久,艾里卡特推出了低压损便携式流量校准仪,其中一些工程师便将其用于工作在室外的大气颗粒物采样仪的流量校准。对一台实验室级别的高精度流量校准仪来说,要在室外苛刻的气候环境下工作实为不易。由此,我们便产生了设计一台既具有实验室级别的精度同时又能工作于恶劣气候环境下的流量校准仪的想法。

如何缩短热平衡时间

用过低压损便携式流量校准仪的工程师们告诉我们,校准仪在室外需花较长时间才能与环境温度达到平衡,尤其是在阳光照射强烈的晴天。被不锈钢整个包裹的内置的温度传感器十分适用于实验室内,挪到室外环境下就有点不济了。由此,我们将不锈钢换成了铝,相应减少包裹面积,但还是无法克服因热辐射产生的问题。

为了缩减热平衡时间,最初的设想是改动内部温度传感器的位置,将其往下垂直移动些便可更加精确地测量空气温度,即便只是人为地消除因太阳热辐射而造成的长时间热平衡问题。后来我们为FP-25大气采样校准仪增加了快速相应的外置温度探针,将气道内的空气温度修正至大气环境温度。作此改良后,FP-25大气采样校准仪即可于室外酷热的阳光直射环境下迅速启动开始流量校准并长时间工作,即便从开着暖气的车中取出马上置于冰点以下的环境温度工作,也仅需几分钟温度平衡。

如何保证零点以下的流量测量精度

大气环境是要全年监测的,美国北部和加拿大地区的工程师们常常需要在零下30度的室外环境下对大气颗粒物监测仪进行流量校准。零点以下温度环境对电子仪器设备有严重的破坏性,电池续航时间变短、LCD显示屏变暗甚至模糊、橡胶密封圈脆化等。在冰点以下的环境工作,活塞式流量校准仪将直接结冰从而无法工作,文丘里管式流量校准仪的压力传感器则变得无法预计的响应缓慢,从而导致流量测量的精度偏差。

在零度以下的工作环境保证流量测量精度十分具有挑战性。零点以下的温度变化将使电子压力传感器自身发生形变,从而导致响应偏差。对于这一广为熟知的棘手问题,艾里卡特的工程师们最终想出一创新的解决方案。我们对每一台FP-25大气采样校准仪的压力传感器在-30°C ~ +60°C整个温度量程范围内进行测试,于多个点监测其响应性能,最终生成每一台FP-25大气采样校准仪独有的压力-温度响应曲线,并将曲线融为此台FP-25大气采样校准仪最终流量与压力标定的一部分。得益于这一独特的设计,FP-25大气采样校准仪的流量测量精度相比于Alicat标准精度的流量校准仪更胜一筹,其流量读数精度在-30°C ~ +60°C这个温度量程范围内始终优于1%。

如何克服刮风、灰尘、雪花。。。对流量校准的影响

据几位工作在一线的大气环境监测工程师告诉我们,风力的影响在大气颗粒物在线监测仪的流量校准过程中由始至终都是一个不容小觑的严重问题,一片小小的雪花即能阻塞文丘里管流量计从而导致无法正常工作。这是因大气颗粒物在线监测仪的流量校准依据是体积流量,测量体积流量时伴随的最典型的特征就是气路中前后压差极小,从而不至于影响体积流量读数。也正是因为这极小的压损,使其对风异常敏感。确实如此!因为此时此刻我桌上的一台低压损便携式流量标定仪的显示屏上正跳动着由于办公室内开着空调而产生的空气流量的读数。灵敏至此无疑是绝对保证了流量测量的精度,但若处于有风的环境下工作却又衍生了另一个麻烦。此外,有风的天气还将把空气中的灰尘或雪花也一起带进流量标定仪中。

为解决这个问题,我们首先想到的是从大气颗粒物在线监测仪的制造商们那里找突破,因为大气颗粒物在线监测仪本身的防风防尘问题是很久以前就已被攻克的。每一台大气颗粒物监测仪的入口处都有滤膜用以过滤大颗粒尘埃,百叶窗式的设计使得进口管以下的空气流量不受风力影响。艾里卡特FP-25大气采样校准仪正是充分利用了上述这些大气颗粒物监测仪既有的防风防尘性能,将FP-25大气采样校准仪直接嵌入连接于大气颗粒物监测仪的进气管道下方,我们称之为直接模式。采用此连接模式,FP-25大气采样校准仪直接被接在PM10监测仪入口管段下方或PM2.5监测仪气旋切割器(VSCC)上方(如果有VSCC的话),彻彻底底地保护了流量传感器免遭刮风、灰尘、雨水、雪花的影响,从而确保FP-25大气采样校准仪校准流量读数时所处于的工况环境总是无限接近于大气颗粒物监测仪在正常工况下测得的流量读数。

大雪纷飞、狂风暴雨、艳阳高照。。。FP-25大气采样校准仪能在任何气候环境下正常稳定地校准每一台大气环境监测仪的流量。若您需要在其它特殊环境工况下校准气体流量,也欢迎告诉我们,艾里卡特十分乐意帮您排忧解难。

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气体的实际质量到底有什么特别?

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气体的体积、标准体积以及实际质量之间的区别

气体或液体的“流量测量”通常分为以下几种:

  • 体积流量:是指物质所占空间的大小,可看作“单位时间内的体积单位”(例:升/分钟)
  • 摩尔质量流量:通常简称为“质量流量”,即一定工况下单位体积内的气体分子数量,标准化的工况下表述为“单位时间内标准化的单位体积”(例:标准升/分钟、升/分钟)
  • 实际质量流量:是指摩尔分子的质量的测量,即:单位时间内的质量单位(例:克/分钟)

上述测量模式各有其应用场合,伴着测量复杂性的增加,对测量技术的挑战也是逐一升级,难度系数最高、测量成本最高的就是实际质量流量的测量。

正因为如此,艾里卡特质量流量计特有的可切换测量单位所赋予用户的利益才尤为显著,实际质量、标准(摩尔)质量、体积流量等,几乎涵盖了所有常用气体计量单位,从本质上来讲,其实是将原先的多变量测量仪器升级成为了多功能测量与控制设备。

为什么不是所有质量流量计都能测量气体的实际流量?

气体质量的测量是一个间接测量的过程,须测量气体的动力、重量或热容量。测量方法有好几种,其中一些方法仅适用于流动着的流体,比如:科里奥利质量流量计通过在一振动着的管道内测量因流过管道的流体所引起的振动差异从而测量流体流量。科里奥利原理的测量不受流体种类、流体是否洁净或管道粗细等影响,但设备极其昂贵,几倍于艾里卡特质量流量计的售价。另外,此方法只能测量流体的质量,其它任何诸如流过管道内流体的分子量等参数都无从获取,因为设备对流经管道内的介质一无所知。

固件版本升级为6v的艾里卡特质量流量计质量流量控制器即可测量预置气体列表中任意气体或用户自定义混合气体的实际质量,并按规定的测量单位输出。市场上其它质量流量计品牌也不乏有测量实际质量流量的功能,但仅限于已知的单一气体,通常的做法是出厂前将某一种气体参数预置于设备中,若用户欲改测其它气体,须将设备送回原厂重新设置,原因是此类质量流量计内无任何其它气体的粘度数据,因此无法进行自动补偿与修正,一旦换成其它气体,原先的气体标定溯源链即失效。

对艾里卡特质量流量计和质量流量控制器而言,用户切换气体时,设备将自动切换至相应的气体粘度值,即相当于切换气体后重新校准了设备。也正因为基于此原理,只要是在预置的98~130种气体列表内进行气体切换,艾里卡特质量流量计和质量流量控制器不存在同类品牌中常见的精度下滑问题。用户可在应用现场随时将质量流量计切换至实际质量的测量模式或切换气体种类,设备的精度将始终如初。用户再也无需为了测量气体的实际质量流量而特地采购昂贵的科里奥利质量流量计。

哪些应用要气体的实际质量流量?

上图所示的生化反应釜一例中,系统工程师会关注反应产生的气体总量(例如反应产生的甲烷总量),这类测量以千克为单位比以升为单位更为直观。反之,腔体内的反应过程最好通过控制质量流量的方式加以调节,这样便于计算气体的消耗和计算最终的产出。比如:反应产生的气体总量已有4千克,未来24小时需要2千克二氧化碳参与反应。

制药行业大量用到各种气体和液体,一个常见的应用就是氢化,用于化合生成薄膜。已知薄膜厚度、薄膜材料的密度、质量及镀膜面积可计算出需要参与反应的气体质量,因此,与其测得气体的标准体积后再换算成气体质量,若能直接测量进入过程系统中反应气体的实际质量则要方便许多。

艾里卡特质量流量计 流量单位切换界面测量单位时间内气体的实际质量着实为一全新、重磅的亮点 ,尤其在生化反应釜和制药行业中那些需要测量气体的实际分配质量或总量的应用中颇为重要。

 

 

操作简单

一些用户觉得测量气体实际质量这一性能十分受益,一些用户则对预置了气体的体积控制、标准体积控制或压力控制的智能型仪器情有独钟,简易的测量单位切换却是任何一个流体系统都能从中获益的性能,通过显示屏或串口通讯的几个简单操作步骤即可实现。今后,一台质量流量计或质量流量控制器即可辗转工作于多个应用项目、或重设流量单位用于各种计算需要。

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流量累加器助力于温室效应气体排放控制

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六氟化硫(SF6)无色无味、对人类及动物无毒性、绝缘与灭弧性能极佳,常用于电力工业中。电气配电开关箱内填充六氟化硫后再密封可提高设备的安全性与寿命。

然而,六氟化硫对于环境而言是不利的,虽然它不会消耗臭氧,但却被联合国政府间气候变化专门委员会(简称IPCC)确认为是以质量为计算单位的最强的温室效应气体,其导致全球变暖的力度约为二氧化碳的22000倍!因此,六氟化硫的使用在世界各地一直受环境保护法规的严格控制。

当发电厂或配电公司的配电箱面临老化退役需要更换时,必不可少的一步就是向相关管制局证明从当前配电箱内所移除的六氟化硫的量与多年前填充的量完全相等,即精密回收测量——这里就需要用到艾里卡特质量流量计、质量流量控制器的流量累加器了。

流量累加器如何工作

质量流量计、质量流量控制器的读数单位通常为SLPM(每分钟标准升)或SCCM(每分钟标准毫升)。假设某配电箱容积为5升,以5SLPM(即每分钟标准升)的流速充气,一分钟充满,这时配电箱内有5个标准升的气体,流量累加器将计算并动态显示所耗费的总的气体流量,而非流速。可通过质量流量计显示屏周期性地读取累计流量数据,亦可通过串口通讯轮询设备来采集数据。对于质量流量控制器而言,流量累加器的亮点在于帮助您实现精密批量控制,可将流量累计器设置为往每个配电箱内充5升气体,启动流量累加器,此时质量流量控制器开始工作,并在通过5升(预先设置的流量设定值)气体时关闭阀门,用户无需实时监测屏幕,也不需要使用秒表。

流量累加器还有哪些应用?

需要计算气体累计流量的应用无处不在,您家里的煤气表内有流量累加器(但可能只能计算一定管道压力下的体积流量),汽车的气泵中也有流量累加器。

工业生产中,以下应用常要用到气体的累计流量计算

  • 酿酒:添加糊状酵母
  • 气体隔层:气罐内充入氮气以防止有毒或易燃的烟气排放
  • 制药:加氢反应器内氢气的批量分配
  • 食品包装:袋装薯条内充入安全的惰性气体使其不易碎
  • 运输监管:用于商业用途的丙烷气罐;或研究实验室内部气体运输时的流量监测
  • 高海拔地区气球充气:精密测量气球升空飞行所需的气体质量流量
  • 生物反应器:调节充气量或虹吸从而控制反应

选配流量累加器时需考虑的因素

该流量累加器可以实现精密批量分配吗?

流量累加器是一个需通过编程来实现流量累计循环触发的选配功能。艾里卡特流量累加器可实现批量循环,也就是通过远程软件来实现触发,类似于FlowVision软件的应用。

该流量累加器实现批量分配时阀门能自行调节吗?

实现批量分配最为关键的部分就是让阀门适时关断。您可能希望在到达指定流量时阀门能迅速关断,从而方便迅速进入下一工作环节,但如果流量较大时,在接近总流量值时逐渐减小流量、随后在无限接近的那一点关断更为可取。

无论哪种方法都需要调节PID值以优化阀门性能。艾里卡特质量流量计、质量流量控制器出厂时将按照用户特定的应用情况设置适当的PID值,也允许用户根据现场工作需要自行调节PID。由于艾里卡特质量流量计、质量流量控制器均预置了98~130种气体,用户自行切换气体、切换应用极为常见,我们建议您对PID进行适当调节,从而优化每一项应用中质量流量控制器的控制性能。

哪一种设备更佳?流量累加器与阀门集成于一体的质量流量控制器,还是质量流量计外接远程阀门?

集成于质量流量控制器内的流量累加器,其质量流量计与阀门之间的闭合回路运算更为有效、精确。此外,用户也无需自己编程!需要连接及维护的设备数量亦减至最少。

但也有一些用户已有现存的阀门,只是缺少流量累计功能或者因为其他原因需要两台独立的设备。

我要测量的是体积流量累计值,质量流量累计值,还是气体的实际质量?

通常来讲,上述各不同测量值需采用不同的流量测量设备。然而,艾里卡特质量流量计、质量流量计控制器可同时测量并显示多种多种参数:体积流量、温度、绝对压力以及质量流量。流量累加器可显示体积值或标准质量值。只要知道气体密度便可计算得出气体的实际质量,即单位时间内的质量流量(例如:千克每小时)。如果您希望您的艾里卡特质量流量计或质量流量控制器能输出气体的实际质量值,请联系我们

无论是精密批量分配,还是温室效应气体的回收,或者大气监测采样仪的校准(利用流量累加器获取一段时间内的平均流量值),又或是测量每分钟进入生物反应器内的氧气克数以取代燃料生产,艾里卡特质量流量计、质量流量控制器的流量累计功能将帮助您优化您的应用系统。

 

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绝压与表压 —— 选择正确的压力控制器

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艾里卡特学院绝对压力还是表压力?如您打算搭建一个压力控制的系统,应该参照哪一个压力呢?大多数应用一般选择沿用既定的惯例。然而,某些应用中,需要控制的压力刚好等于大气压或仅比大气压高一点点,例如过程分析仪上的背压控制,或香烟滤嘴的流通性能测试,此类应用中,采用绝对压力还是表压力对过程系统的运行起着至关重要的作用。

绝对压力和表压力

压力是指作用于物体表面的力,是由物体表面的分子在运动时产生的动能而形成。由理想气体状态方程(PV=nRT)可知:压力与气体的温度、质量成正比,与气体体积成反比。假设将一刚性容器内抽成绝对真空,内部不含任何物质,即没有压力。往该容器中注入一定量气体,则运动的气体分子将产生作用于容器壁的压力,如图1。若将气体分子数翻倍,则作用于容器壁的压力亦翻倍,如图2。然而,若将容器体积增大一倍,气体分子具有了双倍的空间,那么压力则会减小一半,如图3。气体温度升高也会导致压力上升,因为温度的上升将使得气体分子的动能增大,从而增大气体分子间的相互间作用力,如图4。反之,降低温度会导致压力减小,这也就是为什么冬天的早晨汽车轮胎内的压力比较低。

 

 

 

 

 

上述例子中开头提到的绝对真空是相对于绝对压力而言。绝对压力的数值一定不会是负数。表压的数值是相对于当地大气压而言,而该大气压力的数值为一绝对压力。换句话说,表压力代表您的系统压力比当地大气压力高多少或低多少。如测量的是表压力,则实际压力值等于表压读数加上当地的大气压力(大气压值为一绝对压力)。

按照惯例,高于大气压的系统一般测量其表压力。比如汽车轮胎的压力就用表压力来描述,因为我们想知道轮胎内单位体积内的空气比轮胎外多多少。漏气轮胎的表压力为零,因为轮胎内的压力就等于大气压。真空沉积应用中通常采用绝对压力,因为须将系统压力控制在高于绝对真空的某一压力处。至此,还没有完结。

压力、温度与海拔

您是否在冬天的早晨出行时发现汽车轮胎压力比较低?并不是您的轮胎压力检测系统发生了故障。由理想气体状态方程(PV=nRT)可知,压力与气体的温度、质量成正比、与体积成反比。较低的气温使得汽车轮胎内空气分子的动能减少,从而轮胎内压力下降。去年冬天AFC冠军赛上的“漏风门”也是一样的道理,橄榄球内部的气压在寒冷的气温下会降低多达1.8psi的压力。

更糟糕的是,大气压力会随着海拔上升而减小,因为随着海拔上升,气体分子的数量会随之减少。处于真空的太空其实没有压力,而海平面处的平均压力为14.696 psia (绝对压力)。因此,位于海平面的城市的大气压力比位于山上的城市高。如果测量的是绝对压力,其读数会因为海拔的变化而有很大的不同。

举个例子,我们在艾里卡特总部所在地 —— 海拔2160英尺、平均大气压13.67 psia (绝对压力)的美国亚利桑那州图森市,将一个空水瓶的瓶盖拧紧,瓶子内部的压力等于环境压力:绝压13.67 psia、表压0 psig。随后我们将该水瓶携带至位于图森北部、海拔9159英尺的雷蒙山山顶上,那里的绝对大气压为10.44 psia,而此时密封瓶子内的绝对压力仍为13.67 psia,表压力则为3.23 psig (13.67-10.44=3.23)。

根据热力学第二定律,流体总是从压力高的地方运动到压力低的地方。倘若我们在雷蒙山山顶上将上述空瓶的瓶盖拧开,瓶子内、外的压力差会将部分瓶内空气排至瓶外,直至瓶内绝对压力到达与外界大气压相同的压力10.44 psia,此时瓶内表压力为0。我们再次将瓶盖拧紧,然后下山回到绝对大气压为13.67 psia的艾里卡特总部所在地,此时瓶内的绝对压力(10.44 psia)比外界大气压(13.67 psia)低,表压力为-3.23 psig(10.44-13.67=-3.23 psig)。我们再将瓶盖拧开,此时瓶外空气将因为压差的关系往瓶内运动,直至瓶内的绝对压力上升至13.67 psia。

大气压力与温度的关系

气温对大气压力的高或低也略有影响。一天中的大气压力是波动的,通常上午10点达到峰值、下午4点位于谷值,其差异在赤道地区最为显著,因为赤道附近的地球自转与一天内的温度波动最大。除了一天内大气压本身的波动外,气温的因素也会使其高于或低于平均值。同一地点的大气压力在一年之间会产生0.3psi的上下浮动。那些暴风雨频繁、热带低气压或时常有龙卷风光顾的地区,甚至会出现极短时间内大气压波动很大的现象。

还是以艾里卡特总部所在地美国亚利桑那州图森市为例,图森的平均大气压为13.7 psia,峰值13.8 psia、谷值13.6 psia。倘若要将目标系统控制在一个仅高于大气压0.3 psi的压力点上,应该选表压压力控制器还是绝压压力控制器呢?如左下图所示,表压将受到大气压变化的影响而变得不稳定,但这些波动并不可视,因为表压读数始终为0.3 psig。绝压控制则呈现稳定的控制,如右下图所示,尽管大气压是波动的,但绝对压力以真空作为参照,而非大气压。

被控压力值越高于大气压,上述大气压波动产生的影响越小。在图森,若压力设定值为100 psig,则压力将在113.6 ~ 113.8 psia区间内波动;若压力设定值为113.7 psia,那么仅+/- 0.1 psi的浮动对过程系统的影响是微乎其微的。

选择正确的压力参照标准

上面的例子说明了在测量与控制压力时选择正确压力参照标准的重要性。若要在过程系统内生成一不受外界大气压影响的、绝缘的压力环境,则须使用绝压压力控制器;若要维持一相对于大气压而言的某一压力数值,则选用表压压力控制器。当大气压力发生上升或下降波动时,表压压力控制器将通过增加或排除空气来维持目标压力差。如我们所见,那些被控压力与大气压力相差无几的应用,采用绝压压力控制器效果可能更好。

如果您有任何压力控制方面的困扰,请联系我们,我们的工程师将为您找到最经济可靠的方案。

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质量流量控制器的控制响应速度与稳定控制时间

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我们宣称艾里卡特质量流量控制器的控制响应速度全球最快。然而,面对众多也称自己设备‘很快’的同行,我们该如何证明自己呢?快速的控制响应不仅能确保设备迅速到达设定值,同时还能维持稳定的流量,以避免受到压力波动的影响。毫无疑问,一台设备的响应速度对测量精度及稳定的流量控制有着至关重要的作用。下面就让我们一起来见证艾里卡特是否真的为全球最快。

在下面这个时长1分钟的视频中,我们将为您演示艾里卡特®质量流量控制器从一个设定值到另一个设定值的整个控制响应过程。

物理时间常数 (Tau)

物理时间常数用希腊字母Tau来表示,是现今为数不多的用来描述响应时间的标准之一,即:控制器到达设定值某个百分比所需要的时间,被定义为1-1/e, 其中e是作为自然对数底数的无理数,其值为2.72,所以1-1/e即为设定值的63.2%。虽然该定义是一个物理标准,可能说明不了什么问题,因为余下的设定值的36.8%所花费的时间可能多于或少于之前的63.2%。从下面示波器截图中可以看到:艾里卡特®质量流量控制器仅用了7.4毫秒便到达了设定值的63.2%。

艾里卡特质量流量控制器控制响应速度

任意指定设定值百分比变化区域 

不少质量流量控制器的技术参数采用设定值某一百分比区间内的变化来定义设备响应速度,比如:从设定值的10%到达90%所需要的时间。由于最初和最后的 10%控制响应曲线变化最大,由此而得出的控制响应速度可能无法与实际的控制性能等同。如下图所示,艾里卡特®质量流量控制器用了11.4毫秒到达设定值, 从示波器波形图中可以清晰地观察到:50%那段跨度最大,低于10%和高于90%那两段的跨度则小了很多。就该图而言,如果按照从设定值10%到达90%所用的时间来定义设备响应速度的话,那么结论是6~7毫秒。

艾里卡特质量流量控制器设定值

稳定时间

由于到达设定值后控制器可能会发生超调,所以通常制造商用到达设定值且稳定后所需要的时间作为设备响应速度,并赋予波形振荡幅度一个容许范围。举个例子, 容许范围2%表示流量波动在设定值的2%以内即为稳定。一般质量流量控制器的精度在0.5%~2%之间,但一些制造商却将稳定容许范围扩大到10%。在艾里卡特®,我们认为如果用户要将流量控制在期望的设定值,那么其稳定容许范围也必须落在设备精度范围内。如下面示波器截屏图所示,控制器在27.6毫秒时到达了与设备精度(满量程的1%)等同的稳定容许范围。

艾里卡特质量流量控制器稳定时间

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安装位置对质量流量计精度的影响

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一些用户对便携式质量流量计(比如艾里卡特的新型可充电便携式质量流量计)工作位置发生变化是否影响测量精度存有疑问。艾里卡特可用电池供电的便携式质量流量计问世多年以来,一直被使用于各种苛刻的转角处,因为总是有工程师需要验证某一狭小空间内设备的流量。下面我们就来解释一下为什么艾里卡特设备不受安装位置的限制。

热式质量流量计的安装位置与精度

设备工作位置这个问题由一位过去使用热式质量流量计的用户提出。基于热量发散原理的热式质量流量计通过测量插入气路中的加热元件散热量来计算质量流量,倘 若质量流量计位置发生显著变化,热量则可能会由于热气上升而不成比例地朝远离或靠近流量传感器的方向聚集。因此,当流量计被卧倒放置或上下倒置时,测量精 度将大打折扣,其程度因内部流通结构而异。也是因为这个原因,热式质量流量计的校准取决于流量计预计的工作位置,用户采购时也必须将流量计安装位置设定为其特殊的工作位置。

压差式质量流量计的安装位置与精度

与上述热式质量流量计截然不同,艾里卡特层流压差式质量流量计不受安装位置对精度影响的限制。由压力驱使流体流动的设备在测量流量时不引入任何动态因子 (例如热量发散),取而代之的是测量层流区内两点间的绝对压力和压差、以及气体流动过程中的平均温度,均为被动过程。无论气体流动方向是水平、垂直或倾斜,两个测量点间的压力差始终相同,因为该两点受到均衡的重力和气流作用力。此外,管道内的压力总是均匀地作用在各个方向的管道壁上,因此不管传感器相对于管道的位置如何变化,最终测得的压力差始终相同。

基于这些流体特性,所有艾里卡特压差式质量流量计可以在任何位置工作,并且丝毫不影响设备精度和重复性。艾里卡特的许多质量流量计和质量流量控制器都被垂 直、平躺或上下颠倒安装,从来不用考虑因此而对设备进行特殊校准。正是由于这样的品质,才使得艾里卡特便携式质量流量计成为需对项目现场狭小空间内的流量 或位于较高位置的流量进行验证的项目工程师的理想选择。也就是说,艾里卡特便携式质量流量计可以被手持着工作,且无需固定于某一特定位置。

倘若下次您不小心将艾里卡特设备碰倒,不必担心,测得的流量还是一样精确!

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质量流量计:坚固性 vs. 耐用性

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艾里卡特质量流量计到底有多坚固?多耐用?坚固与耐用,这两者意义等同吗?
上周,当我们打算录制一个质量流量计在4米高处的抛落试验时,我们也这样问自己。
下面就来看下整个试验过程:

艾里卡特质量流量计抛落试验视频中,一台1SLPM便携式质量流量计分别从1米、2米、3米、4米和5米高度被抛向水泥地面,并于每次着地后用设定值同为1SLPM的质量流量控制器检验其精度。之所以用便携式流量计来试验是因为现场使用时手持型设备往往最容易因不小心而掉落,初始试验高度定为1米也是因为这是通常的手持高度,之后逐渐每次将试验高度抬高1米直至4米高的竖杆顶部,由于此时该便携式流量计仍能正常工作,我们随即继续挑战,将其从5米高处往下仍,结果读数为0.994SLPM —— 仅0.6%误差。

还是同一个问题:这个试验证明了坚固性还是耐用性?毫无疑问这两者是相互关联的,但却有着细微的差别。在材料学研究中,坚固的反义词不是柔软,而是脆弱,坚 固性强的物体承受一定冲击力时只会暂时变形而不至于爆裂。当我们将流量计往水泥地上扔时,其内部组件吸收了大部分冲击力,以至于在连续五次抛落后其精度仍 在标定范围内,充分证明了该设备的结构足够坚固。

那么这个试验是否也证明了设备的耐用性呢?耐用这个词起源于持续地忍耐,是描述事物随时间推移的承受能力。您可能也看过艾里卡特抗振动测试视频,该试验即证明了艾里卡特层流压差式流量测量的稳定性和重复性,即便在钢板上反复冲击,读数误差也始终保持在0.5%以内,其实也就是设备耐用性测试,因为它很好地证明了随着时间推移,设备在承受持续冲击后性能始终如一。

坚固性与耐用性对艾里卡特流量计而言是息息相关的,但也不总是如此。一台可承受巨大冲击力的仪器,其内部组件可能因长期使用而耗损;反之,一台使用多年、性能始终如一的设备也可能因为一不小心从极端高度掉落后瞬间损坏。在许多工业应用中,流量设备必须同时兼有坚固性与耐用性。

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什么是压损、压损的计算方法、压损演示、压损为什么重要?

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什么是压损?压损是指气体通过管道时大量管道压力永久性损失,压损是由于气体与管路组件接触所产生的摩擦力引起,与气体接触的每一个管路组件,包括管道接头、管道壁等,都会产生压损。

压损的计算方法

压损的计算方法

通过计算设备入口压力和出口压力之差可求得压损,最简单的方法就是将设备入口及出口端分别连到P-PSID系列压差计的两端,测量时需考虑下面因素:

  • 层流状态下压损与体积流量成正比,流量翻倍时压损也翻倍
  • 湍流状态下压损与体积流量的平方成正比,流量翻倍时压损翻四倍
  • 增大压力通常可减小压降
  • 气体粘度增大会导致压损变大,气体温度升高会使得粘度值变大,压损也会将随着温度的升高而增大

为使压损参数标准化,艾里卡特所有设备参数表都列有设备通过满量程流量、出口端为标准大气压工况时的最大压损,即为设备通过满量程流量且出口端为标准大气压时所需要的最小入口压力。

压损为什么重要

过程气体处理设备的管路压力须大于由各管路组件引起的压损之和,若入口压力过低,气体则无法克服满量程流量时各管路组件所产生的阻力。若同一系统中使用多种过程气体,粘度最大的气体压损最大。

这也是艾里卡特选择阀门的主要准则。阀门孔径越宽,则阀门全开时所产生的压损越小,而控制精度在阀门开度最大时达到最高,因此,我们在为质量流量控制器或压力控制器选配阀门时,首要原则就是要选择一款可通过其满量程流量的最小阀门。

倘若入口端压力很低或者背压很高,我们标准的流量设备将由于压损过高而无法达到其满量程状态,这种情况下,我们会推荐Whisper系列低压损质量流量计&质量流量控制器。通过增大流量设备本体、调整层流片间距和数量可以大大地降低压损,通常可降低一个数量级。Whisper 系列采用一款更加灵敏的压力传感器以充分利用其低压读数的优势。

艾里卡特流量设备压损演示

以下视频即为您演示了如何测量不同流量时的压损,以及标准流量计与Whisper系列之间压损的不同。

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质量流量计、质量流量控制器的量程可调比

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Turndown ratio is a measure of the useable range of an instrument, expressed as the full-scale range divided by the minimum point of measure. It indicates how much of the instrument range can produce accurate readings, which is very important when you want to measure or control a very wide flow range without having to change instruments.

如何计算量程可调比

量程可调比

Consider a 12″ ruler that is graduated to a quarter of an inch. Since the smallest ...

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