匹配科學工作者的質量流量計
適用大多數實驗室的標準型流量控制器
高品質配套過程控制的質量流量控制器
我們首先介紹一個比較經典的基于努塞爾數(Nusselt)的經驗公式,克拉曼斯在1946通過大量的實驗,將實驗數據擬合后獲得了在一個小范圍內使用的換熱經驗公式,如下所示:
將公式14帶入公式13可得如下公式:
公式15叫做半經驗公式是因為上式中的系數(0.42、0.2、0.57、0.33、0.5)是實驗擬合出來的而不是通過理論推導出來的。那么它的試用范圍就必然有限,這就是我上文中提到的,要么縮小適用范圍,要么降低精度。由于流量計本身需要較高的精度,所以上式的試用范圍就很窄,可以說并不適用于熱式流量計的流量計算,只具有指導意義。那么為了獲得較高的精度,必須通過大量的實驗,從而獲得特定條件下適用滿足精度要求的流量計。如果要擴大適用范圍必須成倍甚至成數量級的增加實驗數量。
下面我們看看哪些因素會對流量精度產生影響。
它們分別是1、不同流量(或流速);2、不同來流溫度;3、不同來流壓力;4、不同探頭溫差;5、不同環境溫度;6、不同管徑;7、不同探頭形狀;8、不同探頭材質;9、不同氣體工質;10、不同探頭安裝結構等等。
為什么是“等等”吶?因為如果需要繼續提高精度,很多本來比較次要的因素就不得不考慮,從而使得需要測試的項目急劇增加。現在我們先忽略掉次要因素,看看就這10條主要因素。
假設我們把每一個因素看作一個變量,每個變量變化測試10次(已經非常少了),那么使用物理實驗最基本的單變量測試法,為了遍歷整個測試域,我們需要100億次實驗。就算是我們采取仿制的方法(流量計的物理結構完全不變,這只是假設,這往往涉及專利侵權),去掉后邊的四個因素,那么我們要遍歷這個縮小的測試域,也需要至少100萬次的實驗。而且前提條件是每個測試變量只做10個變化,而這樣的變化是顯然無法達到我們所希望的1%測量精度的。如果只將每個變量的測試變化提高到20次,那么就算是縮小版的測試域,遍歷之后測試的總實驗次數也需大幅提高到六千四百萬次。所以說,熱式流量計的精度建立在大量的實驗數據之上,特別是可靠的實驗數據和工程實踐使用數據之上,這就是熱式原理氣體質量流量計的“數據量陷阱”。需要強調的是,如果想大幅提高熱式流量計的性能,必然涉及改進探頭的設計結構,材質,溫度等等因素,那么所有的實驗數據都必須重新進行實驗,從而更新數據庫。也就是說熱式流量計的物理結構與數據庫是一一匹配的。這也是為什么熱式流量計的升級換代非常緩慢,往往需要十年以上的原因。
通過分析我們不難看出為什么國外熱式流量計的研發歷程和較大進步動則需要半個世紀,這是客觀基礎研究水平制約的,沒有基礎原理性的突破,這種現狀無法得到根本改變。從原理分析繼續提高熱式質量流量計的性能和精度已經非常困難,幾乎是時間和經費開支所不允許的。國內想在這個領域取得全面的突破,在沒有數據庫的情況下,需要大量的投資和長時間的數據積累,保守估計這個實驗數據庫的測試次數在10億次這個量級。就現有理論來講本質是貼近固體壁面的一個薄層內氣體分子碰撞固體壁面的吸熱(實質是分子統計意義上平均動能的增加,這是氣體導熱的過程),薄層內的溫度梯度很大,我們通常把這一氣體分子薄層叫做溫度邊界層。這一薄層的氣體分子再把熱量通過分子碰撞轉移到主流區的過程則稱為所謂的“傳質”過程(速度邊界層的梯度越大,熱邊界層的薄層越薄,對流換熱速度越快)。溫度邊界層的厚度與溫度分布受到流動邊界層(一個從壁面到主流區流速劇烈變化的薄層)的密切影響。總的來說流動速度越快,流動邊界層速度梯度越大,溫度邊界層越薄,傳熱越劇烈,這就是我們常常感受到的“風速越快越涼快”的原因。這是整個熱式流量計對流換熱的核心,由于涉及到的知識太過于深奧,在這里不再展開。