Thermal Mass Flow Meter (MFM) หรือ เครื่องวัดการไหลของมวล คืออะไร

การวัดการไหลของมวล แตกต่างจากการวัดปริมาตรเนื่องจากการวัดปริมาตรได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมและสภาวะกระบวนการทั้งหมดที่มีผลต่อปริมาตรของหน่วยหรือส่งผลทางอ้อมต่อความดันลดลงในขณะที่การวัดการไหลของมวลไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความหนืดความหนาแน่นอุณหภูมิหรือความดัน

เครื่องวัดการไหลของมวลความร้อนใช้ในการตรวจสอบและ / หรือควบคุมกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับมวลเช่นปฏิกิริยาทางเคมีซึ่งขึ้นอยู่กับมวลสัมพัทธ์ของส่วนผสมที่ไม่ได้รับปฏิกิริยา ในการตรวจจับการไหลของมวลของไอระเหยและก๊าซที่บีบอัดได้การวัดจะไม่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของความดันและ / หรืออุณหภูมิ หนึ่งในความสามารถของเครื่องวัดการไหลของมวลความร้อนคือการวัดอัตราการไหลของก๊าซต่ําหรือความเร็วก๊าซต่ํา (ต่ํากว่า 25 ฟุตต่อนาที) อย่างแม่นยําซึ่งต่ํากว่าที่สามารถตรวจจับได้ด้วยอุปกรณ์อื่นๆ

Thermal Mass Flow Meter (MFM) มีให้เลือกทั้งแบบแรงดันสูงและอุณหภูมิสูงและในวัสดุพิเศษเช่นแก้วโมเนล®และ PRA การออกแบบการไหลผ่านใช้เพื่อวัดการไหลขนาดเล็กของสารบริสุทธิ์ (ความจุความร้อนคงที่หากก๊าซบริสุทธิ์) ในขณะที่การออกแบบบายพาสและโพรบสามารถตรวจจับการไหลขนาดใหญ่ในท่อกองแฟลร์และเครื่องอบผ้า

Thermal Mass Flow Meter ทํางานโดยการแนะนําปริมาณความร้อนที่ทราบลงในกระแสน้ําและวัดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องหรือโดยการบํารุงรักษาหัววัดที่อุณหภูมิคงที่และวัดพลังงานที่จําเป็นในการทําเช่นนั้น

ส่วนประกอบของเครื่องวัดการไหลของมวลความร้อนพื้นฐานประกอบด้วยเซ็นเซอร์อุณหภูมิสองตัวและเครื่องทําความร้อนไฟฟ้าระหว่างกัน เครื่องทําความร้อนสามารถยื่นออกมาในกระแสของเหลว (รูปที่ 1) หรือสามารถอยู่ภายนอกท่อได้ (รูปที่ 2)

ในรุ่นความร้อนโดยตรงความร้อนคงที่ (q) จะถูกเพิ่มโดยเครื่องทําความร้อนไฟฟ้า เมื่อของเหลวในกระบวนการไหลผ่านท่อความร้อนจะถูกดึงออกมาและเครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทาน (RTDs) จะวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในขณะที่ปริมาณความร้อนไฟฟ้าที่แนะนําจะคงที่ โดยปกติแล้ว RTD ประเภท Pt100 จะใช้สําหรับการวัดอุณหภูมินี้ เมื่อของเหลวเริ่มไหลเวียนในหลอดวัดเซ็นเซอร์อุณหภูมิที่อุ่นจะถูกทําให้เย็นลงโดยการเคลื่อนที่ของของเหลวด้วยความเร็วของการไหลที่กําหนดระดับการระบายความร้อน เป็นผลให้กระแสไฟฟ้าที่จําเป็นในการรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิคงที่เป็นตัวบ่งชี้โดยตรงของการไหลของมวล

การไหลของมวล (m) คํานวณจากความแตกต่างของอุณหภูมิที่วัดได้ (T2-T1) ค่าสัมประสิทธิ์มิเตอร์ (K) อัตราความร้อนไฟฟ้า (q) และความร้อนจําเพาะของของไหล (Cp) ดังนี้: m = Kq / (Cp (T2-T1))

Heated Tube Design

เครื่องวัดการไหลของท่อความร้อนได้รับการพัฒนาเพื่อปกป้องฮีตเตอร์และองค์ประกอบเซ็นเซอร์จากการกัดกร่อนและผลกระทบจากการเคลือบใด ๆ ของกระบวนการ เมื่อติดตั้งเซ็นเซอร์ภายนอกเข้ากับท่อ (รูปที่ 2) องค์ประกอบการตรวจจับจะตอบสนองช้ากว่า และความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของมวลและความแตกต่างของอุณหภูมิจะไม่เป็นเชิงเส้น ความไม่เป็นเชิงเส้นนี้เป็นผลมาจากความจริงที่ว่าความร้อนที่แนะนํานั้นกระจายไปทั่วบางส่วนของพื้นผิวท่อและถ่ายโอนไปยังของเหลวในกระบวนการในอัตราที่แตกต่างกันตามความยาวของท่อ

อุณหภูมิผนังท่อสูงที่สุดใกล้กับเครื่องทําความร้อน (ตรวจพบเป็น Tw ในรูปที่ 2) ในขณะที่ระยะทางห่างออกไปไม่มีความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิผนังและของเหลว ดังนั้นอุณหภูมิของของเหลวที่ไม่มีความร้อน (Tf) สามารถตรวจจับได้โดยการวัดอุณหภูมิผนังที่ตําแหน่งนี้ห่างจากเครื่องทําความร้อน กระบวนการถ่ายเทความร้อนนี้ไม่เป็นเชิงเส้นและสมการที่สอดคล้องกันแตกต่างจากสมการข้างต้นดังนี้: m0.8 = Kq/(Cp(Tw – Tf))

เครื่องวัดการไหลนี้มีโหมดการทํางานสองโหมด: โหมดหนึ่งวัดการไหลของมวลโดยรักษาอินพุตพลังงานไฟฟ้าให้คงที่และตรวจจับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น โหมดอื่นจะเก็บความแตกต่างของอุณหภูมิคงที่และวัดปริมาณไฟฟ้าที่จําเป็นในการรักษา โหมดการทํางานที่สองนี้ให้ช่วงมิเตอร์ที่สูงขึ้นมาก

Bypass-Type Design

เครื่องวัดการไหลของมวลความร้อนรุ่นบายพาสได้รับการพัฒนาเพื่อวัดอัตราการไหลที่มากขึ้น ประกอบด้วยท่อเส้นเลือดฝอยผนังบาง (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 0.125 นิ้ว) และเครื่องตรวจจับอุณหภูมิความต้านทานความร้อนด้วยตนเอง (RTDs) สองตัวที่ทั้งให้ความร้อนแก่ท่อและวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (รูปที่ 3) เซ็นเซอร์ถูกวางไว้ในบายพาสรอบ ๆ ข้อ จํากัด ในท่อหลักและมีขนาดเพื่อทํางานในพื้นที่การไหลแบบลามินาร์ตลอดช่วงการทํางานเต็มรูปแบบ

เมื่อไม่มีการไหลเครื่องทําความร้อนจะเพิ่มอุณหภูมิท่อบายพาสเป็นประมาณ 160 ° F เหนืออุณหภูมิแวดล้อม ภายใต้เงื่อนไขนี้การกระจายอุณหภูมิแบบสมมาตรมีอยู่ตามความยาวของท่อ (รูปที่ 4) เมื่อการไหลเกิดขึ้นโมเลกุลของก๊าซจะนําความร้อนลงสู่ปลายน้ําและโปรไฟล์อุณหภูมิจะถูกเลื่อนไปในทิศทางของการไหล สะพาน Wheatstone ที่เชื่อมต่อกับขั้วเซ็นเซอร์จะแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นอัตราการไหลของมวลตามสัดส่วนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

ขนาดที่เล็กของท่อบายพาสทําให้สามารถลดการใช้พลังงานไฟฟ้าและเพิ่มความเร็วในการตอบสนองของการวัด n ในทางกลับกันเนื่องจากมีขนาดเล็กตัวกรองจึงมีความจําเป็นเพื่อป้องกันการเสียบ ข้อ จํากัด ที่ร้ายแรงอย่างหนึ่งคือแรงดันสูงลดลง (สูงถึง 45 psi) ที่จําเป็นในการพัฒนาการไหลแบบลามินาร์ โดยทั่วไปจะยอมรับได้เฉพาะสําหรับการใช้งานก๊าซแรงดันสูงที่ต้องลดความดันในทุกกรณี

นี่คือความแม่นยําต่ํา (เต็มสเกล 2%) การบํารุงรักษาต่ํา และเครื่องวัดการไหลต้นทุนต่ํา แพคเกจอิเล็กทรอนิกส์ภายในหน่วยช่วยให้สามารถเก็บข้อมูลการบันทึกแผนภูมิและการเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้เป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมแปรรูปเซมิคอนดักเตอร์ หน่วยสมัยใหม่ยังมีให้ในรูปแบบลูปควบคุมที่สมบูรณ์รวมถึงตัวควบคุมและวาล์วควบคุมอัตโนมัติ

Air Velocity Probes

เซ็นเซอร์การไหลของมวลแบบโพรบใช้เพื่อวัดการไหลของอากาศและไม่ไวต่อการปรากฏตัวของฝุ่นในปริมาณปานกลาง พวกเขารักษาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่าง RTD สองตัวที่ติดตั้งบนท่อเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์ด้านบนจะวัดอุณหภูมิแวดล้อมของก๊าซ (รูปที่ 5) และรักษา RTD ที่สองอย่างต่อเนื่อง (ใกล้ปลายหัววัด) ที่ 60 ° F เหนือสภาพแวดล้อม ยิ่งความเร็วของก๊าซสูงขึ้นเท่าใดกระแสก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นเพื่อรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิ

หัววัดความเร็วอีกรุ่นหนึ่งคือ เครื่องวัดการไหลของมวลความร้อนชนิด venturi ซึ่งวางเซ็นเซอร์การไหลของมวลความร้อนที่เส้นผ่านศูนย์กลางต่ําสุดขององค์ประกอบการไหล venturi และหัววัดชดเชยอุณหภูมิปลายน้ํา (รูปที่ 6) หน้าจอทางเข้าผสมการไหลเพื่อให้อุณหภูมิสม่ําเสมอ การออกแบบนี้ใช้สําหรับการวัดทั้งก๊าซและของเหลว (รวมถึงสารละลาย) โดยมีช่วงการไหลเป็นฟังก์ชันขนาดของ venturi แรงดันตกค่อนข้างต่ําและความแม่นยําขึ้นอยู่กับการค้นหาความลึกของการแทรกโพรบที่เหมาะสม

นอกจากนี้ยังมีรุ่นสวิตช์การไหลที่มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิสองตัวที่ปลาย หนึ่งในเซ็นเซอร์ถูกทําให้ร้อนและความแตกต่างของอุณหภูมิคือการวัดความเร็ว สวิตช์สามารถใช้เพื่อตรวจจับการไหลสูงหรือต่ําภายใน 5%