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迟滞现象对各类质量流量计的影响
发布时间:2017-12-25   点击次数:504次

响应速度是质量流量计的一项关键性能指标,那么,响应速度对流量测量或控制精度究竟有什么影响呢?下文我们就来探讨下一般质量流量计的迟滞现象。

  迟滞现象将使得一台质量流量计对完全相同的输入值作出不同的响应,从而导致流量测量精度偏差。什么是迟滞现象呢?简单来讲,迟滞现象就是某一系统经过某一输入路径之运作后,即使换回zui初的状态时同样的输入值,状态也不能回到其初始。举个例子,通常我们在室温下吃的巧克力是条形、块状或球形的。有时候自己动手做个蛋糕或烤个曲奇饼也会用到巧克力,这时需要将巧克力棒加热熔化成巧克力酱。您有没有发现即便冷却后回到室温状态下,化了的巧克力再也恢复不到原来的形状了。一块正常的巧克力和被加热冷却过后的巧克力,在同样的输入路径(即温度)下处于两种不同的形态(固态和液态),这就是迟滞现象。迟滞现象将阻碍事物获得可重复的结果。

上图为橡皮筋拉伸后的弹性迟滞现象。蓝色与红色曲线中间的部分即为橡皮筋被拉伸后由于摩擦力而无法恢复至原始形状的倾向。

 

  科里奥利质量流量计中的迟滞现象

  了解了什么是迟滞现象,接着我们就来探索下不同测量原理的质量流量计呈现出来的迟滞现象有何不同。科里奥利质量流量计通过振动U形管来测量流体的流量。增大流量将增加系统内介质的质量并产生与被测介质的密度与质量直接相关的二级振动,即称为科里奥利效应力。就像流量迅速增大时通过系统的介质的质量将增大,从而二级振动增强,反之亦然,流量减小时二级振动减弱。然而,当流量从一个点急剧下降至一个相对低很多的点时就会出现迟滞现象,因为二级振动需要一定的时间恢复归位才能对新的、较低的流量值作出振动响应。

  其实,在您家中墙上挂钟的钟摆上就可以“看见”科里奥利质量流量计的迟滞现象。不妨试一下从垂直方向轻敲一下钟摆,此时,即已在钟摆的摆动上引入了二级振动,尽管只是被碰了一下,但钟摆上的外力影响却要过一会儿才能被完全消除。倘若在钟摆停止摆动前再轻敲一下,那么又再一次引入了外力振动,这一次外力产生的振动效应与前面一次也多少会有不同。

 

 

上图为热式质量流量计测量原理

 

  热式质量流量计中的迟滞现象

  热式质量流量计是根据流体的热力性能采用间接测量的方式测量质量流量。与直接检测流经管道的被测流体的分子数不同,热式原理检测的是经过的流体所带走的热量,即热分散原理。热式质量流量计有好几种类型,比较典型的测量方法是将一小部分气体分离出来从一加热的毛细管内通过,毛细管内有多个温度传感器,当流量增大时,气体分子通过毛细管道被加热后并将热量一路带至管道末端,直到温度恢复至被加热前。大流量携带至毛细管后端的热量较多,小流量则携带的热量较少。携带走多少热量还取决于气体分子的热力性能、压力以及未被加热前的温度。若被测介质从一较高流量突然降至低流量,那么大流量通过毛细管时携带的热量则需要一定时间才能复原。为了能够测量低流量,热式质量流量计中使用的毛细管导热性能都超强,在流量下降时也较能维持住升高的温度。一些热式质量流量计厂家采用平均法或预测算法来解决迟滞现象,也不失为一个不错的方法,前提是您需要的只是一个估算的质量流量值。

  厨房里的燃气灶其实就可以演示热式质量流量计中的迟滞现象。试一下在点火前用手指轻触下燃烧嘴后拿开,随后点火并开到zui大火焰,一秒钟后关火,这时再用手指轻触下燃烧嘴,是不是感觉比之前热?该热量就是在留在燃气灶上的剩余热量。若再次点燃并将火开到zui大持续一秒钟后关掉,燃烧嘴摸上去就更烫了。如果此时您准备点燃燃气灶烹饪晚餐,那么其实灶头已经被预热,升温会很快,但关火后的热量消散则会比较久一点,这就是迟滞现象。

 

  差压式质量流量计中的迟滞现象

  差压式流量计通过测量两点间的压力差来计算流量。差压式流量计有很多种,皆是通过伯努利定律来测量流量,即流体流动过程中的压力衰减。实际上,正是初始的压力差驱动了流体的流动,也因为如此,这种类型的流量测量方法zui具还原性。差压式质量流量计测量的就是形成气体流动的压力差。差压式质量流量计也不直接测量气体分子,而是通过非理想气体状态方程将测得的压力差计算至质量流量。

  质量流量计中的压力传感器采用的膜片可两边受力变形,即在所有流量测量技术中有着zui微小的偏差。倘若一台热式质量流量计工作时突然流量大小突然发生变化,那么被加热的毛细管即在还未恢复至初始温度的情况下就接受新的指令。在一台未消除原先振动的科里奥利质量流量计上气体流量大小发生变化也是同样的道理。以上种种均会产生迟滞现象。相比较而言,压力传感器的膜片在发生物理形变后的可迅速弹回,因此气体流量大小发生变化而产生的迟滞现象微乎其微,但压差的变化还是会使传感器膜片前后振动,这就是为什么您看到在一些压差式质量流量计产品手册上标注的测量响应速度为5毫秒。

  不知道大家有没有玩过非洲鼓?膜片型压力传感器的迟滞现象其实有点类似打鼓。重击一下鼓面(即可看成压力较大时)将使鼓面振动并弯曲变形,振动在空气中传播即形成声音。张紧的鼓面可迅速恢复至变形前,这个过程其实也是需要一点点时间的,也就是迟滞现象。鼓面的张紧程度决定了迟滞现象的强弱。松弛的鼓面恢复速度较慢,花费较长时间才能停止振动,而张紧的鼓面则恢复较快。

  由此我们可以知道快速的测量响应速度和微乎其微的迟滞现象是高精度流量测量的关键。微小的迟滞现象可确保您正在进行的气体流量测量过程不受先前测量的影响,甚至不受10毫秒前进行的测量的影响。这就是为什么差压式质量流量计非常擅于测量瞬变现象,比如测量油井或气井现场一些气压传动装置的瞬间峰值流量或探空火箭中的姿态调节喷嘴。

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