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[align=center][font='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]流量控制原理与维护[/font][/font][font=宋体] [font=宋体]—— 电子流量控制器中的流量传感器 —— 差压式流量计[/font][/font][/align][align=center][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]概述[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的[/font][/font][font=宋体]电子[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量控制[/font][/font][font=宋体]单元的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量测量[/font][/font][font=宋体]原理[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]和[/font][/font][font=宋体]常见流量传感器[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的原理[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]差压式流量计(节流式流量计)[/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体] 采用电子流量控制方式[/font][/font][font=宋体]的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url],[/font][/font][font=宋体]进样口、检测器或者其他辅助部件单元中,均安装有[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]电子流量控制[/font][/font][font=宋体]单元[/font][font='Times New Roman'][font=宋体],[/font][/font][font=宋体]可以给进样口、色谱柱、检测器以及特殊部件提供准确和稳定的气体流量。[/font][font=宋体] 气体流量的大小可以由流量控制单元内置的流量计予以测定,流量计的具体形式较多,其中[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]比较常见的为差压式流量计。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体] 差压式流量计是工业生产中[/font][/font][font=宋体]用以测定[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体、液体和蒸汽流量的[/font][/font][font=宋体]较为常见[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的[/font][/font][font=宋体]一类[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量计[/font][/font][font=宋体],包括节流式流量计、均速管流量计、弯管流量计等。其中使用最多的是节流装置和差压计组成的节流式流量计[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体] 节流式流量计具有结构简单、工作可靠、成本低、易标准化的优点,在工业生产中应用较为广泛。其[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]基本原理如图[/font]1[font=宋体]所示,管路中如果存在截面积小于管路的[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman']R[font=宋体],[/font][/font][font=宋体]当[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流体通过[/font][/font][font=宋体]该节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]时,在[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]的前后[/font][/font][font=宋体]两端[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]将产生一定的压力差。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体] 在一定的流体参数条件之下([/font][/font][font=宋体]节流装置的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]尺寸、压力测量位置、[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]前后的管路状况),[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]前后的压力差[/font][/font][font='Times New Roman']Δ[/font][font='Times New Roman']p[/font][font=宋体]与流体[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量[/font]F[/font][sub][font='Times New Roman']v[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]之间有[/font][/font][font=宋体]确[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]定的函数关系。因此可以通过测量[/font][/font][font=宋体]节流装置[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]前后的差压来确定流体的流量。[/font][/font][align=center][img=,298,176]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010911348571_4335_1604036_3.jpg!w684x403.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1 [/font][font=宋体]差压式流量计结构示意图[/font][/font][/align][font='Times New Roman'][font=宋体] 对于可压缩流体([/font][/font][font=宋体]例如[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]气体),体积流量[/font]F[/font][sub][font='Times New Roman']v[/font][/sub][font='Times New Roman'][font=宋体]与[/font][/font][font=宋体]节流装置两端[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]压力差[/font][/font][font=宋体]的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流量关系式为:[/font][/font][align=center][img=,170,52]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010913553235_7720_1604036_3.jpg!w559x133.jpg[/img][font=宋体] [font=宋体]([/font][font=Times New Roman]1-1[/font][font=宋体])[/font][/font][/align][font=宋体] [font=宋体]公式[/font][font=Times New Roman]1-1[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]中[/font][/font][font=宋体]:[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']Α[/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]—— [/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流体的流量系数[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']ε[/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [font=宋体]—— [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]可膨胀性系数[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [/font][font='Times New Roman']A[/font][sub][font='Times New Roman']0[/font][/sub][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体] [font=宋体]—— [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]管路截面积[/font][/font][font='Times New Roman'] ρ [/font][font=宋体] [font=宋体]—— [/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]流体密度[/font][/font][font='Times New Roman'] Δ[/font][font='Times New Roman']p[/font][font=宋体] [font=宋体]—— 节流装置两端的压力差[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman] F[/font][/font][sub][font=宋体][font=Times New Roman]v [/font][/font][/sub][font=宋体]—— 流体的体积流量[/font][font=宋体] 该公式中流量系数、可膨胀系数与流体的粘度、可压缩性、温度均有关。[/font][font=宋体] 差压式流量计适用于性质和状态均匀的牛顿流体的流量测量,一般不适用于流体脉动较大的场合。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font=宋体]差压式流量传感器[/font][/align][font=宋体][font=宋体] 随着微电子[/font][font=宋体]——微机械系统的发展,差压式流量计目前可以被制作成体积较小的单个电子元件——流量传感器,可以安装于[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的进样口流量控制单元或者系统辅助流量控制单元中,其结构原理如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][font=宋体] 流量传感器内置有微气体阻尼器,代替经典差压式流量计的节流装置,阻尼器的两端集成两个微压力传感器,测定阻尼器两端的压力差。[/font][font=宋体] [url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]系统根据实际工作过程中使用的气体种类(不同的气体粘度和可压缩系数)、环境温度等参数,对阻尼器压力差进行计算和修正,获得正确的气体流量。[/font][align=center][img=,389,98]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010911232086_5053_1604036_3.jpg!w690x204.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2 [/font][font=宋体]流量传感器原理示意图[/font][/font][/align][font=宋体][font=宋体]流量传感器一般安装在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的进样口电子流量控制单元或辅助流量控制单元内部,与微电磁阀等部件构成负反馈控制系统,在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]系统的指令协调下多个部件联合工作,用以提供流量准确、重现性良好的气体,如图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]所示。[/font][/font][align=center][img=,526,177]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209010911470920_3574_1604036_3.jpg!w690x232.jpg[/img][font='Times New Roman'] [/font][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]3 [/font][font=宋体]流量传感器在流量控制单元中的位置[/font][/font][/align][font=宋体] [/font][font=宋体] [/font][align=center][font=宋体]差压式流量计的特点和使用注意事项[/font][/align][font=宋体][font=宋体] 与传统的机械阀方式调节流量控制器相比较,电子流量控制器有更高的精密度和重现性,在保留时间要求较高的分析应用场合下(例如复杂样品的[/font][font=Times New Roman]PONA[/font][font=宋体]分析,多阀多柱的复杂[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]分析系统等),有更好的应用表现。[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 差压式流量计组成元件较少,结构比较简单,长期运行的可靠性较高,装配差压式电子流量计的电子流量控制器的故障率较低。通过良好的电气[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]气流控制设计,差压式流量计可以获得较好的惯性,压力[/font][font=Times New Roman]-[/font][font=宋体]流量调节速度较快。差压式流量计的流量测量范围较大,适用色谱分析方法的范围较广。[/font][/font][font=宋体] 使用带有电子流量传感器的[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url],需要注意以下几个方面的问题:[/font][font=宋体][font=Times New Roman] 1 [/font][font=宋体]气体类型的配置信息必须准确[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 由公式[/font][font=Times New Roman]1-1[/font][font=宋体]可知,气体流量与节流装置(阻尼器)两端的压力差与气体种类、环境温度等参数有关,使用不同种类的气体,流量——压力差的特性不同。[/font][/font][font=宋体][font=宋体][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]的硬件[/font][font=Times New Roman]/[/font][font=宋体]软件配置需要正确指定正确的气体类型,否则最终测定的气体流量数值不正确。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman] 2 [/font][font=宋体]流量——压力需要进行校准[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 色谱系统在长时间运行之后,有可能存在电子元件电气性能变化,从而造成流量传感器测定的阻尼两端的压力值的偏差,进而导致流量值测定发生错误,在必要的情况下需要运行压力[/font][font=宋体]——流量的校准。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman] 3 [/font][font=宋体]气源的要求[/font][/font][font=宋体][font=宋体] 流量传感器要求气源洁净,操作时尽可能去除气体中的水分、[/font] [font=宋体]油污等有机物杂质和固体颗粒物,以避免损坏压力传感器和堵塞阻尼,造成流量测量产生一定误差。[/font][/font][font=宋体]避免气源或管路气流压力、流量的瞬间剧烈变化,可能对流量计造成较大的压力和流量冲击。[/font][font=宋体]气源压力不可超出色谱系统允许输入压力,避免损坏流量计中的压力传感器。[/font][font='Times New Roman'] [/font][font='Times New Roman'] [/font][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]小结[/font][/font][/align][font=宋体]本文简单介绍压差式流量测量的原理,和压差式流量传感器的原理和使用注意事项。[/font][font='Times New Roman'] [/font]
微差压传感器又可称为风压差传感器、气压差传感器、管道风压差传感器、室内气风压差传感器等。其中微差压传感器的核心部件是一个电容式压力敏感元件,由不锈钢膜片与固定电极构成一个电容,其值随压力变化而变。微压差传感器具有零点、满度可调、精度高、温漂小、抗干扰能力强、稳定可靠、价廉物美等特点。 微差压传感器采用进口差压集成感差芯片,电路部分的关键元器件选用国际著名品牌的元器件,全封闭式电路,具有防潮、防结露、防渗漏、防雷功能。微差压传感器外壳为铝合金或有锈钢两种结构,两个压力接口为螺纹或旋塞结构,可直接安装在测量管道上或通过引压管连接。非常狭窄的微流体通路降低了流进气体的流速,极低的气体流速保证了微压差传感器连接管路和滤器后不必重新校正。 微差压传感器可用于测量炉内压等微小差压,然后转变成4~20mA DC信号输出,以及有气压要求的实验室、消防工程用的室内气压力控制领域。微差压传感器广泛应用于锅炉送风、井下通风、中央空调、风管风力、楼宇自控等电力、煤炭行业压力过程等领域。
摘要:介绍气相色谱中有关流量传感器的原理和应用场景…… 气相色谱是常用的分析仪器,主要是利用物质的物理化学性质差异,对多组分混合物进行分离和测定,目前作为有机定量分析方法中最重要的分支,在石油化工、医药工业、食品安全和环境监测等方面具有广泛的应用。作为精密仪器而言,在气相色谱的仪器实现中,仪器需要接受光、声、热、电、磁等多种信号,因此需要安装多种多样的传感器,用以将各种信息转化为电信号,从而进行仪器各种功能的实现,并输出响应的结果。 气相色谱中常用的传感器有十多种,主要有温度传感器、压力传感器、流量传感器等,其原理各不相同,本节主要介绍有关流量传感器的原理和应用场景等内容。 1 传感器概述 根据国家标准《GB/T 7665-2005 传感器通用术语》的定义,传感器(transducer/sensor)指“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。其中,敏感元件(sensing element),指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件(transducing element),指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 。 2 流量传感器工作原理 流量传感器有多种类型,[/font]测量原理涉及流体力学、热力学、光学、电动力学、声学等多个方面。在气体流量测量领域,根据关键元件的工作方式的不同,气体质量流量传感器大致可以分为科里奥利流量传感器;基于热学原理的质量流量传感器:包括热分布型、热损失型和热脉冲型;差压式质量流量传感器等。本文主要介绍基于MEMS技术的热分布型流量传感器。 2.1 MEMS技术 微机电系统(micro-electro-mechanical systems ,MEMS)及其工艺在气相色谱相关方面得到了广泛的应用,涉及仪器的多个方面,如富集器/进样器、色谱柱、检测器/传感器、色谱辅助设备(催化转化炉)等;其类似于半导体芯片技术,在微小尺度上制造设备部件,具有“微机械” 、“微电子” 和“系统” 三类特质。 以色谱柱为例,MEMS技术工艺流程包括以下几个步骤:清洗硅基底晶圆,沉积铝/氮化硅/ SiO2等为掩模层,涂胶(光刻胶/光致抗蚀剂,Photoresist)[/size];光刻图形化;刻蚀铝掩膜层;刻蚀体硅;去除铝掩模层和光刻胶层;键合 Pyrex 7740 玻璃。完成上述步骤后,即MEMS色谱柱制造完成后,采用静态或者动态方法将固定相微型色谱柱内部。(袁欢. MEMS微型气相色谱柱的研制及应用研究.电子科技大学,2017.) https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/10/202410080920231622_1000_1856270_3.png 2.2 基于MEMS的热分布型流量传感器原理 微机电系统(micro-electro-mechanical systems ,MEMS)应用在气体流量传感器中,主要是需要在硅基衬底上沉积薄膜加热电阻和测温电阻。以热分布型为例,核心结构包括加热电阻和测温电阻。主要是通过测量加热电阻两端的温度差来获得流量数据,具体来说是当加热电阻工作时,温度升高会在加热板周围形成一个稳定的热场分布,当没有气体流过时,热场均匀分布,上下游测温电阻位置处的温度相同;一旦有气体流过,气体的流动破坏了原先稳定的热场,造成上下游测温电位置处的温度不均匀,在传感器工作流量范围内会造成下游测温电阻位置的温度高于上游位置处,并且随着流速的增加,上下游之间的温度差值也在线性增加。温度差值可以以一定的方式转化为电信号——即通过[size=16px]测温电阻将气体流动导致的温度变化转化为电信号的变化,最终实现对流量的测量。 以三电阻式结构热分布型流量传感器为例,其简单结构示意如下: https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/10/202410080920232888_4905_1856270_3.png 热分布型流量传感器具有灵敏度高、功耗小、尺寸小、量程大、集成度高等特点,但是当气体种类改变时,不同气体的导热系数、粘度、比热容都有差别,因此需要针对不同的气体单独做校准;另外,要求气体干燥无污染,因为湿度较大的气体对传感器表面的热量交换有影响,进而影响到输出结果;同时,颗粒物对传感器的输出结果也有影响。 有关热分布型流量传感器测量流量的理论计算,可参考下述文献;同时,本小节内容也参考了该文献:肖世瑾. MEMS热式质量流量传感器研制. 山东大学, 2021. DOI:10.27272/d.cnki.gshdu.2021.004000. 2.3 基于[size=16px]MEMS的热分布型流量传感器示例 以常见的某型号流量传感器为例,其结构图示如下(以下图示来源自网络): https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/10/202410080920239180_5905_1856270_3.png https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/10/202410080920237914_2001_1856270_3.png https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/10/202410080920259065_5116_1856270_3.png 工作时,加热控制电路保持加热电阻温度恒定高于周围环境温度160℃,可以减小由于周围环境温度变化而引起的输出温漂,降低气体密度或气体压缩变化的影响。当没有气流通过时,上下两个游测温电阻在中间热源的影响下保持温度一致,电阻值没有发生变化;当气流通过时,由于两个测温电阻(温度敏感材料,阻值与温度相关)和加热电阻的相对位置不同,使两个测温电阻的温度不一样,测温电阻[size=16px]的阻值随温度的变化而改变,因此两个电阻的阻值也不同;测温电阻接入惠斯登电桥电路,电桥的输出电压与气体流量成比例变化。 3 气相色谱中流量传感器的应用场景 在气相色谱分析中,流量传感器常用于电子流量控制装置(EPC)中,如毛细柱进样口中主要用于测量进样口的总流量,下图为某厂家毛细柱进样口分流进样流路图: https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/10/202410080920263135_5295_1856270_3.png 图中Valve为比例阀,FS表示流量传感器,PS表示压力传感器。在仪器毛细柱进样口工作过程中,可以通过流量传感器的反馈调整比例阀开度,控制进入毛细柱进样口的总流量,使之达到设定值要求。 说明:本文首发于公众号“气相色谱分析”。