Ko sem prvič začela delati s dinamiko tekočin, sem bila opozorjena, da je to področje v enaki meri tako umetnost kot tudi znanost. Medtem, ko smo delali na izboljšanju učinkovitosti opreme za nadzor industrijskega onesnaževanja z boljšo porazdelitvijo pretoka, smo proučevali tudi zajete podatke o testih, razvijali različne rešitve, gradili pomanjšane modele za testiranje, nato pa pogosto zadrževali dih, ko je nazadnje prišel trenutek in so rezultati pokazali morebitni napredek.
Izračuni dinamike tekočin pogosto temeljijo na predpostavkah iz idealnih razmer, dejansko stanje pa je lahko daleč od tega. Tudi potem, ko je bilo opravljeno zelo zapleteno računalniško modeliranje se pogosto zgodi, da morajo inženirji na koncu še precej prilagajati modele, ki so jih ustvarili v svojem laboratoriju.
Obnašanje pretoka plina in doseganje stabilnega, natančnega merjenja masnega pretoka je odvisno od številnih dejavnikov. Sestava plina vpliva na gostoto in toplotno prevodnost. Vplivajo tudi okoljski pogoji, kot so temperatura, vlažnost in nadmorska višina, prav tako kot medij, prek katerega se pretaka. Površinska hrapavost cevi senzorjev pretoka/mase je pogosteje omenjena v zvezi s senzorji volumna, kjer je prostornina odvisna od tlaka in temperature, medtem ko maso jemljemo bolj kot „koliko“ (seveda pa ne trdimo, da so senzorji masnega pretoka popolnoma imuni na te spremembe, predvsem od temperature). Če se vrnemo k osnovni termodinamike je zakon o idealnem plinu (PV = nRT) – odličen primer formule ob idealnih razmerah.
Za hitro osvežitev …
Pritisk × Volumen = količina plina (molov) × splošna plinska konstanta × absolutna temperature
Mol = Masa / Molsko Maso. Molska masa je konstanta, ki je odvisna od plina.
Ko vse skupaj preuredimo in združimo konstante, dobimo:
Volumen = Masa × temperatura / tlak × konstanta.
Zakaj so senzorji »masnega pretoka« potem umerjeni v LPM (litrov na minuto)? Če ste pozorno preučili tehnično dokumentacijo, bi morali najti, da so LPM odčitki pri določenih vrednosti „standardnih“ ali „normaliziranih“ vrednostih pritiska in temperature. Ti standardi se razlikujejo glede na organizacijo, na katero se sklicujemo (NIST, IUPAC …). 1 Bar in 0 °C se pogosto uporabljata. Notranjost cevi vpliva na upornost med plinom in steno. Izbira senzorja masnega pretoka, ki je primeren za uporabo, je lahko precejšen izziv in napake so lahko zelo drage. V točkah, ki sledijo, bom poskusila pojasniti številne dejavnike na katere morate biti pozorni. Nekateri bodo ustrezni za različne vrste senzorjev, drugi se bodo osredotočili na senzorje masnega pretoka na temperaturni osnovi.
Sestava plina
Pri izbiri merilnika pretoka najprej razmišljamo o tem, da bo ustrezen glede merilnega območja pretoka. Preverite s katero vrsto plina se senzor kalibrira, saj sestava plina spremeni izhodne veličine mnogih senzorjev. Zrak je najbolj pogost, vendar ni vedno tako. Pri uporabi različnih plinov, se vedno obrnite na proizvajalca senzorja. Ni zagotovila, da pretvorbe veljajo med različnimi vrstami senzorjev. Gostota plina je zagotovo pomemben dejavnik, vendar je za senzorje masnega pretoka na osnovi temperature tudi toplotna prevodnost zelo pomembna. Omron bo na primer zagotovil nadomestne krivulje za nekatere pline (zrak v primerjavi z zemeljskim plinom in argonom), vendar vseeno priporoča tovarniško kalibracijo za doseganje optimalnih rezultatov za druge pline (npr. ogljikov dioksid in dušikovi oksidi). Če se bo sestava plina bistveno spremenila, je treba izbrati senzor, ki je oblikovan posebej za takšne pogoje, saj večina senzorjev ne more razlikovati med spremembo gostote v primerjavi s količino pretoka.
Turbulence in pulziranje v plinskem pretoku
Turbulence in / ali pulziranje v pretoku plina lahko povzroči nestabilno in netočno merjenja pretoka. Ta dva pojava nastaneta pri oblikovanju toka plina okoli senzorja, vendar pa so nekateri senzorji izdelani tako, da so senzorji na ta pojav manj občutljivi.
Več Omronovih vzdolžnih senzorjev je oblikovanih z zasloni -mrežicami (glej sliko 1) na dovodni strani, ki ublažijo turbulentni tok in zagotavljajo zelo enakomeren pretok čez celoten premer senzorja. To se kaže v reprezentativni hitrosti gibanja nad MEMS čipom. Pri namestitvi senzorja je pomembno, da sta dovodna in odvodna cev ravni. Zahtevana dolžina tega ravnega odseka se lahko izračuna z uporabo Reynolds števila, nekateri pa priporočajo približno 10 premerov pred senzorjem in 5 premerov na izhodu. Poleg tega nekateri proizvajalci priporočajo na dovodni strani elementa uporabo posebnega filtra za zaščito, če zasloni niso vgrajeni, s čemer zaščitimo element pred morebitnimi trdnimi delci.
Pri pulzirajočih pretokih, kot so tisti iz membranske črpalke, je mogoče uporabiti več metod. Izven senzorja pred vstopom v merilno napravo ali za izhodno odprtino senzorja sta že dve možnosti. V samem senzorju lahko zadošča, če je nameščen v odprtino senzorja (npr. 70 Omron je 200 LPM D6F 01/02A2 model). Izkazalo se je, da so pretočni senzorji, ki imajo v notranjosti oblikovano premostitev, manj občutljivi na pulzirajoč pretok. Notranja premostitev pomeni, da je majhna količina pretoka speljana od glavne poti pretoka čez element zaznavanja in ne gre za zaznavanje z elementom, ki se nahaja v glavni poti senzorja pretoka (bodite pozorni, Omronov D6F-AB tip bo vsak čas na trgu). Podobna rešitev je uporaba manjšega senzorja v premostitvenem vodu (glej sliko 2). Več podrobnosti o tem je predstavljeno spodaj. Težko je postaviti model pojava pulziranja. Včasih so ponesrečeni poskusi edini način, da se določi najboljši pristop za določen sistem. V izjemno težkih razmerah je včasih potrebna kombinacija zgoraj navedenih metod.
