質量流(liú)量計在(zài)氣液兩(liang)相測量(liang)中的應(yīng)用分析(xi)

1 常見(jian)流體的(de)測量方(fang)法  
1.1氣體流(liu)量的測(cè)量方法(fǎ)  
需(xu)要測量(liang)流量的(de)氣體種(zhǒng)類繁多(duo)，其測量(liàng)的儀器(qì)儀表也(yě)有☂️很大(da)的差别(bié)。以天然(rán)氣流量(liàng)的測量(liang)爲例：目(mù)前，天然(rán)氣貿易(yì)🙇‍♀️計量分(fèn)爲體積(jī)計量、質(zhì)量計量(liàng)和能量(liàng)計量 3種，工(gōng)業發達(da)國家質(zhì)量計量(liàng)和能量(liàng)計量兩(liǎng)種方法(fǎ)👈都在使(shi)用，而我(wǒ)國目前(qian)基本上(shang)以體積(ji)計量爲(wèi)主。  
1.2 液體流(liú)量的測(ce)量方法(fǎ)  
常(cháng)見的液(ye)體有水(shui)、石油、液(yè)化氣體(ti)等。水流(liu)量的測(ce)量難度(du)不高，不(bu)同原理(lǐ)的流量(liàng)計大多(duō)數都可(ke)以測量(liàng)☂️水的㊙️容(róng)量🏒，但也(ye)不是♻️随(suí)便裝一(yi)台就肯(ken)定能用(yòng)好的。這(zhe)是因爲(wei)水的潔(jie)淨程度(du)不同，流(liu)體工💃🏻況(kuang)條件各(ge)異🛀🏻，流量(liang)測量👉的(de)範圍就(jiù)會出現(xian)懸殊；石(shi)油具⭐有(you)一定的(de)黏稠度(dù)，因此不(bú)同黏度(du)的石油(yóu)産品所(suo)選擇的(de)計量🆚儀(yí)器不同(tong)，高黏度(dù)油品如(rú)原油、重(zhòng)油、渣油(yóu)，爲了便(bian)于輸送(song)，往往㊙️被(bèi)加熱到(dào)較高的(de)溫度。流(liu)體中含(han)有固态(tài)雜質，測(ce)量前還(hai)需要過(guo)濾；液化(huà)氣體屬(shu)于🤟高飽(bao)和蒸📧氣(qi)壓液體(tǐ)，測量時(shí)必須考(kao)慮氣化(hua)的問題(ti)，因此使(shi)用的流(liu)量計也(yě)比較💃特(tè)殊，如渦(wō)街流量(liàng)計、渦輪(lun)流量計(jì)、容積式(shì)流量計(jì)、科氏質(zhì)量流量(liang)計等。  
1.3 氣液(yè)多相流(liu)體的測(cè)量方法(fǎ)  
氣(qì)液兩相(xiang)流體的(de)流量測(cè)量從制(zhi)造商的(de)資料可(ke)看出，有(yǒu)幾種儀(yí)🌐表可用(yòng)來測量(liàng)離散相(xiang)濃度不(bu)高的兩(liǎng)🌈相流體(tǐ)的🧡流量(liàng)，在實際(ji)應🏒用中(zhōng)也有一(yī)些成功(gong)應用☎️的(de)實例💞，但(dàn)目前使(shi)用的流(liu)量計都(dou)是在單(dān)相流動(dong)狀态下(xia)評定其(qí)測量性(xìng)能，現在(zai)還沒有(yǒu)以單相(xiàng)流标定(ding)的流量(liang)計用✌️來(lai)測量兩(liǎng)相流時(shí)系統變(bian)化的評(ping)定标準(zhun)，因此這(zhè)樣的應(ying)用究竟(jing)帶來多(duō)大的誤(wu)差還不(bu)很清楚(chǔ)，僅有一(yī)些零星(xing)的數🈲據(jù)和一些(xie)定性的(de)分析。常(cháng)用的氣(qì)液兩相(xiang)流量💞測(cè)量儀器(qi)有：電磁(cí)流量計(jì)、科氏力(lì)質量流(liu)🐕量計、超(chāo)聲流🚩量(liàng)計等。  
1.4 科氏(shi)質量流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏力(li)的形成(chéng)  
由(you)科氏加(jiā)速度作(zuò)用産生(sheng)科氏力(li)。該加速(su)度是法(fa)國工程(chéng)師科裏(li)⛱️奧利斯(si)在研究(jiū)水輪機(ji)的機械(xie)理論時(shí)發現的(de)。科氏力(lì)，是對旋(xuán)轉體系(xì)中進行(hang)直線運(yun)動的質(zhi)點由于(yú)慣性相(xiang)對于旋(xuan)轉體系(xì)産生的(de)直線運(yùn)動👉的偏(pian)移的一(yī)種描述(shù)，科裏奧(ao)利力來(lái)自于物(wù)體運動(dòng)📐所具有(yǒu)的慣性(xing)。  
在(zài)旋轉體(ti)系中進(jìn)行直線(xian)運動的(de)質點，由(yóu)于慣性(xing)，有沿著(zhe)原有運(yùn)動方向(xiàng)繼續運(yùn)動的趨(qu)勢，但是(shi)由于體(tǐ)系本身(shen)是旋轉(zhuǎn)的，在經(jing)曆了一(yi)段時間(jian)的運動(dong)之後，體(tǐ)系中💔質(zhi)點的位(wèi)置會有(you)所變化(hua)，而它原(yuan)有的運(yun)動趨勢(shi)的方向(xiang)，如果以(yǐ)旋轉體(ti)系的視(shì)角去觀(guān)察，就會(hui)發生一(yī)定程度(du)的偏離(lí)。  
當(dāng)一個質(zhì)點相對(duì)于慣性(xing)系做直(zhí)線運動(dòng)時，相對(dui)于旋轉(zhuǎn)🈚體系，其(qi)軌迹是(shì)一條曲(qǔ)線。立足(zú)于旋轉(zhuan)體系，我(wo)們認爲(wei)有一個(gè)力驅使(shǐ)質點運(yùn)動軌迹(jì)形成曲(qu)線，這個(ge)力就是(shi)科裏奧(ào)利力。  
科裏(li)奧利力(li)的計算(suàn)公式爲(wei)： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科裏(lǐ)奧利力(li)； m爲(wèi)質點的(de)質量； Vr爲相(xiang)對于靜(jing)止參考(kǎo)系質點(dian)的運動(dong)速度（矢(shǐ)量）； ω爲旋轉(zhuǎn)體系的(de)角速度(du)（矢量）； ×表示(shì)兩個向(xiàng)量的外(wai)積符号(hao)（ Vr×ω：大(dà)小等于(yu) v·ω·sinθ，，方(fāng)向滿足(zú)右手螺(luo)旋定則(ze)）。  
1.4.2 彎(wān)管流量(liang)計的原(yuan)理  
原理上(shang)，當被測(cè)介質通(tōng)過振動(dong)的測量(liàng)管道時(shí)，科氏力(lì)能直接(jie)用于質(zhi)量流量(liàng)的測量(liang)。測量管(guǎn)道經常(chang)呈 U形如圖(tu)所示。管(guǎn)道用剛(gang)性固定(dìng)件支撐(cheng)，并經激(ji)勵器 E沿 A-A\'軸産(chan)生振動(dòng)，形成沿(yán)該軸的(de)一個旋(xuán)轉參考(kǎo)系統。如(rú)果在入(ru)口段觀(guān)察一小(xiǎo)團流體(tǐ)，那麽它(ta)的質量(liàng)元流🈲出(chū)固定端(duan)。該質量(liàng)元随管(guǎn)道半徑(jing)逐漸增(zeng)大而作(zuò)圓弧軌(guǐ)迹運動(dong)。當彎管(guan)向上運(yùn)動時，形(xíng)成⭕一個(ge)方向朝(chao)下的科(kē)氏力。同(tóng)時，觀察(chá)出口段(duàn)的狀态(tai)，質❤️量元(yuan)流入固(gù)定端。同(tóng)樣産生(shēng)一個方(fang)向朝上(shàng)的科氏(shi)力。由 B稱的(de)配置在(zài)兩邊呈(cheng)現出相(xiàng)同數值(zhí)但不同(tong)符号的(de)科👉氏🏃力(lì)。在流體(ti)流動時(shí)，由于力(li)矩的作(zuo)用，導緻(zhi)測量管(guan)道👌沿 B-B\'軸産(chǎn)生一個(gè)附加的(de)扭曲運(yùn) B動(dòng)。在入口(kou)段和出(chū)口段分(fèn)别安裝(zhuang)傳感器(qì) S1和(he) S2檢(jiǎn)測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wèi)移量。信(xìn)号過零(ling)點的時(shí)間差事(shì)管道扭(niǔ)曲的🔞檢(jian)測量，它(ta)與通過(guò)管道的(de)質量流(liú)量成正(zhèng)比。
科氏質(zhì)量流量(liàng)計原理(li)的結構(gou)

1.4.3 單(dān)直管流(liú)量計的(de)測量原(yuán)理  
兩端拉(lā)緊固定(dìng)的測量(liàng)管道是(shì)直徑 d和長(zhang)度 l的钛合(he)金管。由(yóu)安裝在(zài)管道中(zhong)間的振(zhen)動裝置(zhì)以一階(jie)模式方(fang)式🏃‍♀️産生(sheng)振動。工(gōng)作頻率(lǜ) fB=ωB/2π接(jie)近于一(yi)階頻率(lü)。在傳感(gǎn)器檢測(cè)位置 ±z=±l/3處，振(zhen)動幅度(du)調整約(yuē)爲 x±m（ ±z）。如(ru)果流體(tǐ)質量元(yuán) m以(yǐ)速度 v流過(guo)由角速(sù)度 ω振動的(de)管道，那(na)麽這質(zhi)量元就(jiù)會在管(guan)壁上産(chǎn)生科氏(shi)力，即 FC=2mv×ω在管(guan)道的前(qián)後半段(duàn)上，除了(le)一階諧(xie)振外，還(hái)産生作(zuo)✨用力方(fang)形🔅相反(fǎn)的二階(jie)模式振(zhèn)動。一階(jie)和二階(jie)模式振(zhèn)動的疊(dié)加在時(shi)間上産(chǎn)生 90°的相移(yí)。因此，當(dāng)管道中(zhōng)存在質(zhì)量流量(liang)時，測量(liàng)管道産(chan)🐕生擺動(dong)運

1.4.4 雙直管(guan)流量計(ji)的測量(liang)原理  

雙直(zhi)管質量(liang)流量計(jì)有 2根測量(liàng)管道、優(you)化的流(liú)速分配(pei)器、 4個位移(yí)傳感器(qi)和 2個電磁(cí)式振蕩(dang)驅動器(qì)組成。其(qi)原理是(shi)： 2個(gè)電磁式(shì)振蕩驅(qū)動器以(yi)諧振頻(pín)率使兩(liǎng)根測量(liang)管道同(tóng)步的相(xiàng)向振動(dòng)。每個電(diàn)磁式驅(qu)動器兩(liǎng)邊的對(dui)稱位置(zhi)各安裝(zhuang)有一個(gè)位移檢(jiǎn)測傳感(gǎn)器用于(yu)測量科(kē)氏力效(xiao)應。當沒(mei)有介🆚質(zhi)流過測(ce)量管道(dao)時，測量(liàng)管道處(chu)于自然(ran)諧振狀(zhuàng)态。 2個位移(yi)傳感器(qi)所測到(dào)的位移(yi)正弦信(xìn)号無相(xiang)位差。 當有(yǒu)介質流(liu)過時，由(you)于有科(ke)氏力 FC的作(zuò)用，測量(liang)管道有(yǒu)微小的(de)變形，從(cóng)而使 2個位(wèi)移傳感(gǎn)器有相(xiang)位偏差(cha)。該相位(wèi)偏差與(yǔ)科氏力(li) FC成(chéng)正比，即(ji)與流過(guò)測量管(guan)道的質(zhi)量流量(liang)成正比(bǐ)。相當于(yu)🌍 2個(ge)單直管(guǎn)質量流(liú)量計軸(zhou)向對稱(chēng)地同步(bu)工作。  

2 科氏(shì)質量流(liu)量計的(de)優缺點(dian)  

2.1 科(kē)氏質量(liang)流量計(ji)的優點(diǎn)  

時(shi)間差與(yu)測量效(xiào)應成線(xiàn)性關系(xì)；直接測(cè)量質量(liang)流💃🏻量；測(ce)量儀還(hai)可附加(jia)檢測流(liu)體密度(du) ρ 和(he)介質溫(wen)度 T ；測量結(jie)果有很(hen)高的精(jing)度（典型(xíng)的精度(du)：質量流(liú)量爲 ±0.1%+ 末端(duān)值的 ±0.005% ；密度(dù) ρ爲(wei) ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結(jié)果與壓(yā)力和溫(wen)度無關(guān)；測量結(jie)果與流(liu)體的性(xing)能（密度(dù)、黏度、電(diàn)導率和(he)熱導率(lü)）無關；測(ce)量結果(guǒ)與流速(sù)分布無(wú)關，即不(bú)需要特(te)殊的入(ru)口引導(dǎo)管道，流(liú)🌈量計能(neng)📧測量真(zhen)正的質(zhi)量流量(liàng)平均值(zhi)；出口端(duān)不需要(yao)施加反(fan)壓力，也(yě)就不需(xu)要出口(kǒu)引導導(dǎo)💜管；安裝(zhuang)位✨置可(ke)以任意(yi)選擇；可(kě)進行雙(shuāng)向測量(liang)；所有可(kě)加壓力(li)的介質(zhi)都能測(ce)量，如液(yè)态和氣(qì)🥵态介質(zhi)，特别是(shi)受污染(rǎn)有腐蝕(shí)性的介(jie)質。  

2.2 科氏流(liú)量計的(de)缺點  

除了(le)上述大(dà)量優點(diǎn)外，同樣(yang)也存在(zai)不足，如(rú)：流量計(ji)價格貴(gui)，複雜幾(jǐ)何形狀(zhuàng)的測量(liàng)管道使(shi)壓力損(sun)耗增📱大(dà)；除🔴單直(zhí)管外🐪，有(you)些流量(liàng)計彎頭(tóu)較多，很(hen)難清洗(xǐ)，而且自(zì)行🔞排空(kong)能力差(cha)；測量管(guǎn)道的材(cái)料與被(bèi)測介質(zhì)🍓要注意(yì)它們的(de)相容性(xing)；可測量(liàng)zui大的流(liu)量限制(zhì)爲 680T/h ；強烈的(de)振動和(hé)沖擊會(hui)影響流(liú)量計的(de)機械裝(zhuang)置，嚴⭕重(zhong)💛時産生(shēng)較大的(de)測量誤(wu)差；有些(xie)流量計(jì)的安裝(zhuāng)受到安(an)裝規程(chéng)的🔞限制(zhì)；采用流(liu)量分配(pei)器的流(liu)量計，在(zài)測量不(bú)均勻的(de)介質時(shí)，會産生(shēng)較大的(de)測量誤(wu)差；測量(liang)高黏度(dù)介質要(yào)求附加(jiā)激勵能(neng)量和需(xu)㊙️要特殊(shū)的🈲标定(dìng)等。  

3 科氏質(zhi)量流量(liang)計在氣(qi)液兩相(xiang)測量中(zhong)的應用(yong)  

科(ke)氏質量(liàng)流量計(jì)的應用(yong)已遍及(ji)幾乎所(suǒ)有工業(ye)領🥵域。主(zhǔ)要原因(yīn)是高精(jing)度和大(dà)量程，這(zhe)是大多(duo)數其他(tā)流量測(ce)量方法(fa)㊙️所沒有(yǒu)的。通常(cháng)科氏質(zhì)量流量(liàng)計的精(jīng)度如下(xià)：  

液(ye)體： ±0.10%（示值相(xiàng)對誤差(cha)） ± 零(ling)點的穩(wen)态值。  

氣體(ti)： ±0.50%（示(shi)值相對(duì)誤差） ± 零點(dian)的穩态(tai)值。  

3.1 丙烯氣(qi)液兩相(xiang)流量測(cè)量技術(shù)參考  

丙烯(xi)（ propylene）常(cháng)溫下爲(wei)無色、無(wú)臭、稍帶(dài)有甜味(wei)的氣體(ti)。分子量(liang) 42.08，在(zai)标準大(dà)氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰(bīng)點 -185.3℃ ，沸(fèi)點 -47.4℃ 。丙(bing)烯在輸(shū)送和儲(chu)存中必(bi)須進行(háng)加壓處(chù)理，另外(wài)，這種流(liú)🏃‍♂️體的🌈流(liu)😘量測量(liàng)中容易(yi)因儀表(biao)的壓力(li)損失而(ér)在流量(liang)計的出(chū)口處産(chan)生氣穴(xue)和伴随(suí)而來的(de)氣蝕🥰現(xian)象，引起(qǐ)流量計(ji)示值😘偏(pian)高和流(liú)量一次(ci)裝置受(shou)損。  

3.2 丙烯流(liu)量測量(liàng)系統誤(wù)差的生(sheng)成與處(chù)理  

在輸送(song)過程中(zhong)當溫度(du)将降低(di)或由于(yú)調節閥(fa)突然關(guān)小導緻(zhì)管道内(nèi)壓力增(zēng)加時，丙(bing)烯會處(chù)于氣液(yè)兩相狀(zhuang)态。此時(shí)，丙烯氣(qì)液混合(he)物密度(du)相應會(hui)發生變(bian)⛷️化，因而(ér)給質量(liàng)流量計(jì)測量帶(dài)來誤差(cha)。誤差可(ke)以通過(guo)密度補(bu)償來處(chu)理💋。  

一常用(yong)壓力爲(wei) 1.0MPa 的(de)丙烯氣(qi)體，其流(liú)量爲 qm，假設(shè)經長距(ju)離輸送(song)後有 10%qm冷凝(ning)成液态(tài)，令其爲(wei) qml，而(ér)保持氣(qi)态的部(bu)分爲 qms，從定(dìng)義知，此(ci)時濕氣(qi)的幹度(dù)爲

采用溫(wēn)度補償(chang)，所以按(an)照臨界(jiè)飽和狀(zhuang)态查表(biǎo)，得到此(cǐ)👣時的🔞丙(bǐng)㊙️烯氣體(ti)密度爲(wèi) ρs，液(yè)體密度(dù)爲 ρL，顯然液(yè)體與氣(qi)體部分(fèn)的體積(ji)流量爲(wèi)

式(shì)中 qvl表示丙(bǐng)烯液體(tǐ)的體積(ji)流量， m3/s； qvs表示丙(bing)烯氣體(ti)部分的(de)體積流(liú)量， m3/s。  

由(you)定義知(zhī)，氣體幹(gan)部分流(liu)量占氣(qì)液兩相(xiàng)總體積(ji)流量 qv之比(bǐ) Rv爲(wei)

因(yin)爲

所以

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此(ci)可見，在(zài)氣液混(hùn)合中，液(yè)體部分(fen)占的體(tǐ)積基本(ben)可♻️以忽(hū)略不計(ji)。  

另(lìng)外，爲了(le)避免丙(bǐng)烯流量(liàng)測量時(shí)出現氣(qì)液兩相(xiang)混🛀合現(xian)象，選用(yòng)下面的(de)設計和(hé)安裝方(fang)法将是(shi)有效的(de)。  

3.2.1 選(xuan)用更的(de)儀表  

近年(nian)來，科氏(shì)力流量(liang)計的制(zhì)造技術(shu)獲得了(le)快速發(fa)展，例如(ru) CMF100傳(chuan)感器與(yǔ) 2700變(biàn)送器配(pei)用，測量(liàng)液體時(shi)，流體的(de)質量流(liu)量度可(ke)達流量(liang)值的 ±0.05%，而且(qiě)已延伸(shēn)到氣體(tǐ)流量的(de)測量。應(yīng)用上述(shù)配置的(de)流量計(ji)測量氣(qì)體質量(liàng)流量，度(du)可達流(liú)量值的(de) ±0.35%。并(bìng)且能直(zhi)接顯示(shì)質量流(liu)量。  

3.2.2 合理選(xuan)擇安裝(zhuāng)位置  

流量(liàng)傳感器(qi)安裝位(wei)置應選(xuǎn)擇在槽(cáo)的頂部(bu)出口管(guǎn)道上。保(bao)證直管(guan)段的前(qián)提下，與(yu)槽的出(chū)口處盡(jin)量近些(xiē)。這樣，丙(bing)烯在輸(shū)送過程(cheng)中，可減(jian)少經輸(shū)送管道(dào)從大氣(qì)中🍓吸收(shōu)熱量。同(tóng)時，安裝(zhuāng)位置應(yīng)盡量低(dī)些，這樣(yang)可提高(gāo)過冷深(shen)度。  

3.2.3 将調節(jiē)閥安裝(zhuang)在流量(liàng)計後邊(biān)  

丙(bǐng)烯中間(jian)槽與丙(bǐng)烯分離(li)器之間(jiān)有較大(dà)壓差，此(ci)壓🏃‍♀️差🥰絕(jue)大部分(fèn)降落在(zài)調節閥(fa)上。丙烯(xī)流過此(ci)閥時，壓(yā)力突然(rán)升高，一(yi)定數量(liàng)的氣體(ti)液化，從(cong)而出現(xian)氣液兩(liǎng)相流🔴。爲(wèi)了避免(mian)流過流(liú)量計的(de)流體中(zhong)存在兩(liang)相♋流，節(jie)流閥✉️必(bì)須裝在(zai)🎯流量計(jì)下遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流(liu)量測量(liàng)度的方(fāng)法  

大部分(fen)質量流(liu)量計制(zhì)造商以(yǐ) “量(liàng)程誤差(cha)加零點(diǎn)不穩定(ding)度 ”的方式(shì)表達基(jī)本誤差(chà)，這是因(yīn)爲這種(zhǒng)儀表零(ling)點穩定(ding)性較差(cha)。這🈲種表(biao)達方式(shi)初看上(shang)去度很(hěn)高，但計(ji)入零點(dian)♌不穩🐪定(dìng)度後，度(dù)并不👅那(nà)麽高。  

零點(diǎn)不穩定(dìng)性通常(cháng)以 %FS表示，也(ye)有以流(liú)量值 kg/min表示(shì)，零點不(bu)穩定度(dù)一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲(wei)下限流(liu)量時，因(yīn)零點不(bú)穩定性(xìng)引入的(de)👄誤差是(shì)很可觀(guan)的，所以(yi)儀表選(xuan)用時，應(yīng)将口徑(jing)選得盡(jìn)可能小(xiao)一些，這(zhè)樣可将(jiāng)零點不(bu)穩定度(dù)的數值(zhi)㊙️減小，提(tí)高實際(jì)得到的(de)測量度(dù)。  

參(can)考文獻(xiàn)  
[1]張(zhāng)可欣 .城鎮(zhèn)供水排(pái)水行業(ye)流量計(jì)量儀表(biao)的選型(xíng)與應用(yòng)技術 [M].北京(jīng)：中國建(jiàn)築工業(yè)出版社(shè)， 2010， 5. 
[2]梁國(guo)偉 蔡武昌(chang) .流(liú)量測量(liang)技術及(ji)儀表 [M].北京(jīng)：機械工(gong)業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
[3]紀(ji)綱 .流量測(ce)量儀表(biao)應用技(ji)巧 [M].北京：化(hua)學工業(ye)出版社(shè)， 2009， 7. 
[4]鄭德(de)智，樊尚(shang)春，刑維(wei)魏 .科氏質(zhì)量流量(liang)計相位(wei)差檢測(ce)新方法(fa) [J].儀(yi)器儀表(biao)學報， 2005， 26(5).(end)