氣體特別是壓縮空氣流量的測量是目前很多生產商和貿易商非常關注的領域。他們每天都在和氣體打交道。大多數公司對能源節約和環境保護都有極大的興趣。 

    為保證壓縮空氣系統且有效地運行，儀表生產廠家已開發了新的流量測量系統。這些測量儀器基于不同的原理來測量流量。當前市場上，兩種主要的測量系統是：基于孔板的差壓法系統和利用鉑薄膜電阻感應的熱式質量流量系統。

    在這里我們分別介紹幾種流量測量儀器的工作原理。每一種測量原理都有它的應用范圍、優勢以及不足。

流量測量應用術語簡介

    所有氣體的密度都與壓力和溫度相關。0.5 MPa壓力下10 m3/min的容積流量與0.1 MPa下10 m3/min的容積流量是不同的。為了便于比較，我們必須將容積流量轉換為標準密狀態下的流量，即標準流量。例如在德國壓縮空氣的標準是1000 hPa和20 ºC。在不同的應用領域、不同國家和地區所使用的參考標準會有所不同。相應的計算公式是：

    標準容積流量或實際容積流量

    其中，

    Qs =標準容積流量[m³/h]

    Qact =實際容積流量[m³/h]

    Pact = 實際的壓力[MPa]

    Tact =實際的溫度[K]

    Ps=標準/參考壓力[MPa]

    Ts=標準/參考溫度[K]

    =標準/參考密度[kg/m³]

    =實際密度[kg/m³]

    大多數流量計采用的是差壓法（孔板設計）屬于容積流量計，測量的是實際容積流量。而質量流量計與之不同，其測量的是實際質量流量。實際質量流量可以很方便地通過標準密度（常數）換算為標準容積流量：

    其中，

    q = 質量流量[kg/s]

    = 密度[kg/m³]

    Q=容積流量[m³/s]

    流量測量原理——熱式質量流量傳感器

    當溫度為TA的氣體分子撞擊一個溫度為TH （TH>TA）的加熱體時，氣體分子會從加熱體吸收熱量。加熱體將會有熱量損失。熱量損失的多少與溫差ΔT（ΔT = TH – TA）和一定時間內撞擊加熱板表面分子的數量（質量流量）成正比。

    讓我們從物理層面對其進行詳細的解析。如果使用一個阻值為R的鉑電阻來進行加熱，可以應用金氏定律來描述氣體流動引起的加熱板表面的熱量損失：

     n = 0.4 to 0.5

    觀察這個公式我們發現其物理意義。公式中，

    A*ΔT  自然流動引起的熱量損失、通過連接線引起的熱輻射和熱傳導

    B*ΔT  比例因子，描述強制流動引起的熱量損失（取決于所測氣體的熱導率、比熱容和黏度）

    基于這一公式，質量流量可以被計算出來

    其中，電流是可以測量的。C1和C2的值是在熱式質量流量計校準時決定的。

    實現這一原理zui常用的電路是惠斯登電橋，如圖1.2所示：

    該電橋可以將加熱電阻的溫度保持在一個高于環境溫度的恒定值。這需要傳感器是線性的。zui常用的便是鉑薄膜電阻。環境溫度傳感器通路上的電阻值高出另外一條支路約100倍，因此幾乎全部電流都流過加熱電阻和電阻R2。

    通過測量R2兩端的電壓可以測出加熱電流I_H。電路圖旁邊是一個測量電壓對氣體流速的典型曲線圖。

    事實上，質量流量并非僅由流速決定，而是由流速和密度的乘積決定的。由于密度與壓力成正比，所以壓力p = 1 MPa、流速v=2 m/s時接收到的信號與壓力p = 0.1 MPa、流速v = 20 m/s時接收到的信號是一樣的。

    熱式質量流量計的另外一大特點是其分辨率在低流量時會增大。因此其相對誤差在一個比較大的范圍內是恒定的。通常情況下，zui低到zui大測量值的1/100，典型誤差都可以保持在讀數的2%。 

    流量測量原理——差壓式傳感器

    zui常見的差壓式傳感器采用孔板原理。流體會通過這個孔板。流體的速度受到孔板的影響。

    由于壓縮空氣的流速zui多只是亞音速（速度<0.3馬赫），屬于不可壓縮流體。可利用伯努力方程描述流量：

    P1是在氣流上游一倍管道直徑的地方測量的，P2是在下游一倍管徑的地方測量的。依據流動連續性定律（質量守恒定律），我們可以利用橫截面積和容積流量替換流速。

    其中，

    Q=容積流量[m³/s]

    =密度[kg/m³]

    Δp=差壓[Pa]

    A1=管道的橫截面積[m²]

    A2=孔板的橫截面積[m²]

    上面的公式僅適用于層流。實際氣流存在一定的湍流和黏度，會將流體的動能轉化為熱量。考慮到這些因素，實際的流量會稍微偏小。

    考慮到實際氣流受到的影響，并為了簡化公式我們可以使用下面的公式：

    其中，

    Q=容積流量[m³/s]

    C_f=流量因數

    =密度[kg/m³]

    Δp=差壓[hPa]

    A₀=管道的橫截面積[m²]

    流量因數C_f是通過實驗得出的，在相關的參考書籍可以找到相應的表格。對大多數孔板來說，其值在0.6到0.9之間。由于該值取決于孔板和管道直徑（同樣受到雷諾系數的影響），我們經常利用C_f和β來制表。β 被定義為孔板直徑與管道內徑的比值。

    其中，

    D_O = 孔板直徑[mm]

    D_i = 管道內徑[mm]

    測量原理比較--熱式質量和差壓式流量傳感器

    每一種傳感器技術都有其各自的優勢。沒有那種技術是的或者是*的。他們有各自不同的應用領域和優勢。

    當氣體在純凈度和濕度方面不理想時，差壓式傳感器技術（孔板）有它的優勢。但長期使用時測量還是會受到影響。同時，這種技術在測量高流速氣體方面應用廣泛。

    對于測量范圍大并且需要在測量范圍內保持高精度（量程比需要達到1:100甚至更高）的應用，熱式質量流量傳感器技術具有明顯優勢。熱式質量流量計直接顯示標準流量，而不需要測量壓力和溫度以及另外的計算。這使得其成為通常情況具有更好性價比的解決方案。另外一個重要的爭論點是關于長期穩定性和精度。這需要通過對傳感器部件定期的校正來實現。鑒于熱式質量流量計的小巧尺寸，插入式傳感器允許用戶在帶壓條件下安裝和拆卸傳感器（例如，校驗時的拆卸和安裝）。

    壓縮空氣是zui昂貴的能源形式之一。泄漏檢測對于了解您空壓機的工作效率和效能是非常重要的。統計數據顯示30%壓縮空氣是被泄露了的。熱式質量流量計可以檢測很小的質量流量，從而定位管道的泄漏點，進而優化空壓機的工作性能。

表格比較

差壓式（孔板）和熱式質量流量

   1） 測量范圍基于50 mm內徑的管道

    流量計使用建議

    任何流量計的安裝是否準確到位對于其性能都有很大影響。必須認真查看整個管道系統，找出安裝點上下游的流量障礙。彎管、閥門、變徑、焊接點以及管道銜接不齊等都會對氣流造成干擾。必須預留足夠的上下游直管段，否則額外的測量誤差會高達30%。對于熱式質量流量計，推薦上游預留30到50倍管徑的直管段；而對于差壓式流量計，推薦上下游都預留30到50倍管徑的直管段。這樣可以保證氣流在測量點是穩定的。

    對于插入式熱式質量流量計，正確操作的要點是：保持傳感器和氣體流向一致、確保傳感器在管道中心。如果這兩項操作不當，會引入5-10%的測量誤差。

    結論

    對于大多數商業應用的氣體，熱式質量流量計因為其較高的性價比，成為用戶的*選擇。另外，如果選擇插入式熱式質量流量計，傳感器可以帶壓安裝。當然，也必須考慮現場的應用環境。在比較惡劣的應用環境，如氣體過臟或者濕度很大時，可考慮選用差壓式流量計（孔板）。