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作者:王崇飛 (1999-09-02);修改:王崇飛 (2000-05-05);核可:徐業良 (2000-05-08)
附註:本文為元智大學機械系大四自動化機械設計實務課程教材。

流量感測元件(flow sensors)簡介

一、基本原理

流量感測器最常運用於流體機械、冷凍空調裝置等領域,最常見的流量計就是家庭用自來水水錶,以及加油站之油錶,這大兩類的流量計其實都是利用機構運作的方式達到量測體積流率(volume flow rate)。此外在工程實務應用中諸如系統熱量計算(其實應稱為焓差更為準確)、劑量控制等又與單位時間所通過節點的質量有關,因此一般以量測質量流率(mass flow rate)為主。

(1)為流體在封閉迴路中之連續性方程式,流過一節點的體積流率等於流體速度v與截面積A之乘積,一般以表示體積流率。

                                                                                           (1)

質量流率即單位時間內流過截面之質量,如式(2),一般以表示質量流率。

                                                                                                                (2)

將式(2)展開並以鏈法則微分,可以得到式(3)

                                                                        (3)

其中為流體密度。若為不可壓縮之流體(如水、油等液態工作流體),則密度可視為常數,因此密度對時間之微分為零,故質量流率等於體積流率與密度之乘積,如式(4)

                                                                                            (4)

由式(4)可以發現質量流率與流體的密度有關,而待測流體的溫度、壓力,甚至是不同流體的混合比率等因素都會影響到密度的變化,因此在進行規劃量測系統時就應該事先考慮到以上的變異對密度的影響。

二、相關產品及規格

常見的流量感測器利用有以下五種不同方式獲得流體流速、壓差,或是焓差(enthalpy),這五種方式分別是:面積式、轉輪式、孔口板及噴嘴(orifice plate & nozzle)、超音波式(ultrasonic)、及熱傳導式(heat transfer),以下將一一介紹其原理及優缺點。

q 面積式流量感測器

面積式流量感測器主要原理如圖1所示,係利用壓力差令重錘在不同的流量下有不同的高度位置,在具有錐度之垂直管中放置一重錘,當流體流過重錘後,分別在重錘的上下端產生P2P1之壓力,由於P2P1之壓力具有一重錘之高度差(P1大於P2),使得重錘向上浮動直至平衡為止,此時若藉由錐度之設計則可以調整流體流過重錘的流量,使重錘於不同流量大小時有不同的高度位置。

1 面積式流量計

面積式流量感測器構造簡單,可以量測氣態及液態之流質,同時只需要於選用時注意流體之密度及溫度,一般都能達到最大流量2%的精確度。但由於面積式流量感測器直接利用重錘位置配合預先計算好的流量,直接讀取流量,因此不易利用微電腦系統讀取流量;此外面積式流量感測器需與管路系統串、並聯,往往會造成管路壓降過大,因此在設計類似系統時需額外預留壓降空間。

q 轉輪式流量感測器

轉輪式流量感測器主要係利用量測流體流速進而推算流量,圖2所示為轉輪式流量感測器之基本構造,利用流體驅動轉輪進而獲取流體於管路內之流速。

2 轉輪式流量感測器

轉輪式流量感測器是十分常見的液態流體感測器,對於一般液態流體均能適用,安裝時係於管路中加裝一段管節以安置流量計。由於以轉輪方式獲得流速,因此可以利用純機構的方式將流量顯示,或可以利用轉速發電機、計頻器等方式將機械之轉動能轉換成電子式訊號。

q 孔口板及噴嘴

3所示為孔口板及噴嘴,主要應用於氣體流量之量測,利用流場中截面積變化所造成的壓力差計算流量。

                

3 孔口板流量感測器及噴嘴流量感測器

(5)為孔口板及噴嘴流量感測器之流量計算公式

                                                                                           (5)

其中a為流量係數,係由喉部面積與管內徑之比值查表得,e為空氣因膨脹之修正係數,可由壓力之比值查表得。為空氣之密度,h為壓力差。

與一般流量感測器相同,為達到較為準確的量測,須於孔口板、噴嘴之前設置整流裝置,令流體達到層流後再行量測,此外孔口板、噴嘴多使用於量測氣體流量的實務場合。

q 超音波式流量感測器

超音波式流量感測器利用超音波反射之時間計算流體於管路中之流速,繼而配合流體溫度、動黏度及管厚、材質等推算出流量。如圖4所示,超音波由發射器A射出後依序經過管壁折射、流體折射、管壁反射、流體折射、管壁折射後進入接受器B,由於受到流體流速的影響,使得在不同流質、流速下反射時間會隨之改變,利用此一特性便能計算出流量。

4 超音波流量感測器

超音波流量感測器是唯一可以安置於管路外側之流量感測器,因此不需要在管路上額外施工預留量測孔,同時也具有攜帶方便的特性,一般的超音波流量感測器也能夠達到滿刻度2%的精確性。但超音波流量感測器只能用在具備不可壓縮性的液態流體,同時不同的超音波感測頭所能對應的流體流速也有一定的範圍,更重要的是管路中的流體必須是維持滿管的狀態,而且管路外側的塗裝必須清除才能測試。

q 熱傳導式流量感測器

熱傳導式流量感測器應用半導體技術,主要利用管路中流體焓差(enthalpy)計算流量,如式(6)所示,在封閉系統中系統熱量等於質量流率與焓差之乘積,藉由此一關係便能計算出系統中之質量流率。

                                                                                                             (6)

5為熱傳導式流量感測器之概念示意圖,於管路之外側安置一已知輸出功率之加熱器對管路內流體加熱,並於加熱器之前、後安置一溫度感測器量取溫差,進而求取焓差獲得質量流率。

5 熱傳導式流量感測器

三、熱傳導式流量感測器之應用

6Honeywell所生產之AWM系列熱傳導式流量感測器,只能運用於氣態流體之流量感測,此外AWM系列熱傳導式流量感測器將加熱器、溫度感測器、以及運算放大電路全部設計、整合於一體,運用時相當方便,只需注意到待測流體之穩定以及電源供應的問題。

6 AWM5000熱傳導式流量感測器

AWM系列產品之額定規格有兩種,第一種是立方公分/分鐘(standard cubic centimeters per minute, SCCM),第二種則是公升/分鐘(standard liters per minute, SLPM),輸出電壓則依照不同感測範圍而有所不同。

此外由於採用內建式運算電路,對於不同的氣體需於選配時特別注意,AWM系列產品可量測的氣體分成三大類,第一類為氧氣、空氣、氮氣,第二類則為二氧化碳及一氧化氮,第三類為氬氣。若需量測其他不同種類氣體則可以利用第一類氣體之流量感測器量測後,再以表一所示之修正係數加以修正。

1 氣體修正係數

氣體名稱

修正係數

Helium, He

0.5

Hydrogen, H2

0.7

Argon, Ar

0.95

Nitrogen, N2

1.0

Oxygen, O2

1.0

Air

1.0

Nitric oxide, NO

1.0

Carbon oxide, CO

1.0

Methane, CH4

1.1

Ammonia, NH3

1.1

Nitrous oxide, N2O

1.35

Nitrogen dioxide, NO2

1.35

Carbon dioxide, CO2

1.35

四、實驗設計

設計一系統量測風扇之流量,並且可以經由風速反推流量驗證系統之誤差,系統設計請參考CNS相關風量測試標準。系統要求如下:電腦化取值、電腦化測試報表輸出、風量誤差為滿刻度2%、系統壓降評估。

五、參考資料

1.      Gardner, J.W., Microsensors: Principles and Applications, John Wiley & Sons.

2.      Environmental Condition Sensors, catalog 15, Honeywell, 1998.

3.      CNS 10213, B 7237 壓縮機能力測定,中央標準局。