質量流(liú)量計在(zài)氣液兩(liǎng)相測量(liàng)中的應(ying)用分析(xi)

1 常見(jiàn)流體的(de)測量方(fāng)法  
1.1氣體流(liú)量的測(ce)量方法(fǎ)  
需(xu)要測量(liang)流量的(de)氣體種(zhong)類繁多(duo)，其測量(liang)的儀器(qi)儀表也(yě)有很♈大(da)🏃的差别(bié)。以天然(ran)氣流量(liang)的測量(liang)爲例：目(mù)前，天然(rán)氣貿易(yì)計量分(fen)爲體積(jī)計量、質(zhi)量計量(liang)和能量(liàng)計量 3種，工(gong)業發達(dá)國家質(zhi)量計量(liang)和能量(liang)計量兩(liang)種方法(fa)都在使(shǐ)用，而我(wǒ)國目前(qian)基本上(shang)以體積(ji)計量爲(wei)主。  
1.2 液體流(liu)量的測(ce)量方法(fǎ)  
常(chang)見的液(yè)體有水(shuǐ)、石油、液(ye)化氣體(ti)等。水流(liú)量的測(ce)量難度(dù)不高，不(bu)同原理(li)的流量(liang)計大多(duo)數都可(ke)以測量(liàng)水的容(rong)量，但也(yě)不是🚶随(sui)便裝一(yī)台就肯(ken)定能用(yòng)好的。這(zhe)是因爲(wèi)水的潔(jie)淨程度(dù)不同，流(liu)體工況(kuang)條件各(ge)異，流量(liang)測量👨‍❤️‍👨的(de)範圍就(jiu)會出現(xian)懸殊；石(shí)油具有(you)一定的(de)♉黏稠度(du)，因此不(bu)同黏度(du)的石油(you)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(biàn)于㊙️輸送(sòng)，往往🌐被(bei)加熱到(dào)較高👈的(de)溫度。流(liú)體中含(han)有固态(tài)雜質，測(ce)量前還(hai)需要過(guò)濾；液化(huà)氣體屬(shu)于高飽(bao)和蒸氣(qi)壓液體(ti)，測量時(shi)必須考(kǎo)慮氣化(hua)的問題(tí)，因此使(shi)用的流(liu)量計也(yě)比較特(tè)殊，如渦(wo)街流量(liàng)計、渦輪(lún)流量計(ji)🐉、容積式(shi)流量計(jì)、科氏質(zhi)量流量(liàng)計等。  
1.3 氣液(yè)多相流(liú)體的測(ce)量方法(fa)  
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(kě)看出，有(you)幾種☂️儀(yí)☀️表可用(yong)來測量(liàng)離散相(xiang)濃度不(bú)高的兩(liang)相流體(ti)的🐕流量(liàng)，在實際(jì)應用中(zhong)也有一(yi)些成功(gōng)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(dòng)狀态下(xia)評定其(qi)測量性(xìng)能，現在(zai)還沒有(you)以單相(xiang)流标定(ding)✊的流量(liàng)計用來(lái)測量兩(liǎng)相流時(shi)系統變(bian)化的評(ping)定标準(zhun)，因此這(zhè)樣的應(ying)用究竟(jìng)帶來多(duo)大的誤(wù)差還不(bu)很清楚(chu)，僅有⭐一(yi)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(ce)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(yuán)理  
1.4.1 科氏力(li)的形成(cheng)  
由(you)科氏加(jiā)速度作(zuo)用産生(sheng)科氏力(li)。該加速(su)度是法(fa)國工程(chéng)師科裏(lǐ)奧利斯(si)在研究(jiu)水輪機(jī)的機械(xiè)理論時(shi)🏒發現的(de)。科氏力(lì)☁️，是對旋(xuan)轉體系(xì)中進行(hang)直線運(yùn)動的✨質(zhi)點由于(yú)慣性相(xiàng)對于旋(xuan)轉體系(xì)産生的(de)直線運(yun)動📧的偏(piān)移的一(yi)種描述(shù)，科裏奧(ao)利❤️力來(lái)自于物(wu)體運動(dòng)所具有(yǒu)的慣🔱性(xìng)。  
在(zai)旋轉體(ti)系中進(jin)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(yun)動的趨(qu)勢，但是(shi)由于體(tǐ)💰系本身(shēn)是旋轉(zhuan)的，在經(jing)曆了一(yi)段時間(jiān)的運動(dong)之後，體(ti)系中質(zhi)點的位(wèi)置會有(yǒu)所變💃化(huà)，而它原(yuan)有的運(yùn)動趨勢(shi)的方🏃‍♂️向(xiàng)，如果以(yǐ)旋轉體(ti)系的視(shì)角去觀(guan)察，就會(hui)發生一(yī)定程度(dù)的偏離(li)。  
當(dāng)一個質(zhi)點相對(duì)于慣性(xìng)系做直(zhi)線運動(dong)時，相對(dui)于🈚旋🔆轉(zhuan)體系，其(qi)軌迹是(shì)一條曲(qǔ)線。立足(zu)于旋轉(zhuǎn)體系，我(wo)🏃🏻‍♂️們認爲(wei)有一個(gè)力驅使(shi)質點運(yun)動軌迹(jì)形成曲(qu)線，這個(ge)力就是(shì)科裏✏️奧(ao)利力。  
科裏(lǐ)奧利力(li)的計算(suàn)公式爲(wèi)： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科裏(lǐ)奧利力(li)； m爲(wei)質點的(de)質量； Vr爲相(xiang)對于靜(jìng)止參考(kao)系質點(diǎn)的運動(dong)速度（矢(shi)量）； ω爲旋轉(zhuan)體系的(de)角速度(dù)（矢量）； ×表示(shì)兩個向(xiang)量的外(wai)積符号(hào)（ Vr×ω：大(dà)小等于(yu) v·ω·sinθ，，方(fāng)向滿足(zú)右手螺(luo)旋定則(zé)）。  
1.4.2 彎(wan)管流量(liang)計的原(yuán)理  
原理上(shang)，當被測(cè)介質通(tōng)過振動(dong)的測量(liàng)管道時(shi)，科氏力(li)能直接(jie)用💛于質(zhi)量流量(liang)的測量(liàng)。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(chēng)，并經激(ji)勵器 E沿 A-A\'軸産(chan)生振動(dong)，形成沿(yán)該軸的(de)一個旋(xuan)轉參考(kao)系統。如(ru)果🔴在入(rù)口段觀(guan)察一小(xiǎo)團流體(ti)，那麽它(ta)的質量(liàng)元流出(chu)固㊙️定端(duan)。該質量(liang)元随管(guǎn)道半徑(jing)逐漸增(zeng)大而作(zuo)圓弧軌(gui)迹運動(dòng)。當彎管(guan)向上運(yun)動時，形(xing)成一個(ge)方向朝(cháo)下的科(ke)氏力。同(tóng)時，觀察(chá)出口段(duan)的狀态(tài)，質😘量元(yuán)流入固(gù)定端。同(tóng)樣産生(sheng)一個方(fāng)向朝上(shang)的科氏(shì)力。由 B稱的(de)配置在(zai)兩邊呈(cheng)現出相(xiàng)同數值(zhí)但不同(tong)符号的(de)科氏力(li)。在流體(tǐ)流動時(shí)，由于力(li)矩的作(zuò)用，導緻(zhì)測量🏃‍♂️管(guǎn)道沿 B-B\'軸産(chan)生一個(gè)附加的(de)扭曲運(yun) B動(dòng)。在入口(kǒu)段和出(chū)口段分(fen)别安裝(zhuāng)傳感器(qì) S1和(hé) S2檢(jiǎn)測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wèi)移量。信(xìn)号過零(líng)點的時(shí)間差事(shi)管道扭(niǔ)曲的檢(jiǎn)🔞測量，它(tā)與通過(guo)管道的(de)質量流(liú)量成正(zheng)比。
科氏質(zhì)量流量(liàng)計原理(lǐ)的結構(gòu)

1.4.3 單(dān)直管流(liu)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(zhǎng)度 l的钛合(he)金管。由(yóu)安裝在(zai)管道中(zhōng)間的振(zhen)動裝置(zhì)以一🐅階(jie)模式方(fāng)式💚産生(shēng)振動。工(gōng)作頻率(lü) fB=ωB/2π接(jiē)近于一(yī)階頻率(lü)。在傳感(gan)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(rú)果流體(ti)質量元(yuán) m以(yǐ)速度 v流過(guò)由角速(su)度 ω振動的(de)管道，那(nà)麽這質(zhì)量元就(jiù)會在管(guan)壁上産(chan)生科氏(shi)力，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的前(qian)後半段(duan)上，除了(le)一階諧(xié)振外，還(hái)産生作(zuo)用力方(fāng)形📧相反(fǎn)的二階(jie)模式振(zhen)動。一階(jiē)和二階(jie)模式振(zhèn)動的疊(die)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(zhi)量流量(liang)時，測量(liang)管道㊙️産(chǎn)生擺動(dong)運

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計(ji)的測量(liàng)原理  

雙直(zhi)管質量(liang)流量計(ji)有 2根測量(liàng)管道、優(yōu)化的流(liu)速分配(pei)器、 4個位移(yí)傳感器(qì)和 2個電磁(ci)式振蕩(dàng)驅動器(qi)組成。其(qí)原理是(shì)： 2個(ge)電磁式(shì)振蕩驅(qu)動器以(yi)諧振頻(pin)率使兩(liang)根測量(liang)管道同(tóng)步的相(xiang)向振動(dong)。每個電(dian)磁式驅(qū)動器兩(liang)邊的對(duì)稱位置(zhi)各安裝(zhuang)有一❗個(gè)位移檢(jiǎn)測傳感(gan)器用于(yu)測量科(kē)氏力✂️效(xiào)應。當👈沒(méi)有介質(zhì)流過測(ce)量管道(dao)時，測量(liàng)管道處(chu)于自然(ran)諧振狀(zhuang)态。 2個位移(yí)傳感器(qì)所測到(dao)的位移(yi)正弦信(xin)号無相(xiàng)位差。 當有(you)介質流(liú)過時，由(you)于有科(ke)氏力 FC的作(zuò)用，測量(liàng)管道有(yǒu)微小的(de)變形，從(cong)而使 2個位(wèi)移傳感(gǎn)器有相(xiàng)位偏差(chà)。該相位(wèi)偏差與(yu)科氏力(lì) FC成(cheng)正比，即(jí)與流過(guò)測量管(guǎn)道的質(zhì)量流量(liang)成正比(bi)。相💯當于(yú) 2個(ge)單直管(guǎn)質量流(liú)量計軸(zhóu)向對稱(cheng)地同步(bù)工作。  

2 科氏(shi)質量流(liú)量計的(de)優缺點(diǎn)  

2.1 科(kē)氏質量(liàng)流量計(ji)的優點(diǎn)  

時(shi)間差與(yu)測量效(xiào)應成線(xian)性關系(xì)；直接測(ce)量質量(liàng)流量；測(ce)量✌️儀還(hai)🈲可附加(jiā)檢測流(liú)體密度(du) ρ 和(he)介質溫(wēn)度 T ；測量結(jie)果有很(hen)高的精(jing)度（典型(xíng)的精度(dù)：質量流(liu)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(ya)力和溫(wēn)度無關(guān)；測量結(jié)果與流(liu)體的性(xìng)能（密度(du)、黏度、電(diàn)導率和(he)熱導率(lǜ)）無關；測(cè)量結果(guo)與流速(sù)分布無(wú)關🌏，即不(bu)需要特(te)殊的入(ru)口引導(dǎo)管道，流(liu)⁉️量計能(neng)測量真(zhen)正的質(zhì)🌈量流量(liàng)平均值(zhi)；出口端(duān)不需🌂要(yao)施加反(fǎn)壓力，也(yě)就不需(xū)要出口(kou)引導導(dao)管；安裝(zhuāng)位✨置可(ke)以任意(yì)選擇；可(ke)進行雙(shuāng)向測量(liàng)；所有可(kě)加壓力(li)的介質(zhi)都能測(ce)🔱量，如液(ye)态和氣(qì)态介質(zhi)，特别是(shi)受污染(rǎn)有腐蝕(shi)🤟性的介(jie)✔️質。  

2.2 科氏流(liu)量計的(de)缺點  

除了(le)上述大(da)量優點(diǎn)外，同樣(yàng)也存在(zài)不足，如(ru)：流量計(jì)價格貴(guì)，複雜幾(ji)何形狀(zhuàng)的測量(liàng)管道使(shi)壓力損(sun)耗增🌈大(da)；除單直(zhi)管外，有(you)些流量(liang)計彎頭(tou)較多，很(hěn)難清洗(xǐ)，而🎯且自(zi)行排空(kong)能力差(chà)；測🌐量管(guan)道的材(cái)料與被(bei)測介質(zhì)要注意(yì)它🔴們的(de)相容性(xìng)；可測量(liang)zui大的流(liú)量限制(zhi)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(zhòng)時産生(shēng)較大的(de)測量誤(wu)差；有些(xiē)流量計(jì)的安裝(zhuang)受到安(ān)裝規🤩程(chéng)的限制(zhì)；采用流(liu)量分配(pèi)器的流(liú)量計，在(zai)測量不(bu)🌈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(du)💜介質要(yào)求附加(jia)激勵能(néng)量和需(xū)要特殊(shū)的标定(dìng)等。  

3 科氏質(zhi)量流量(liàng)計在氣(qi)液兩相(xiàng)測量中(zhong)的應用(yòng)  

科(kē)氏質量(liàng)流量計(ji)的應用(yòng)已遍及(ji)幾乎所(suǒ)有工業(ye)領域。主(zhǔ)要原因(yin)是高精(jing)度和大(dà)量程，這(zhè)是大多(duo)數其他(tā)流量🚶‍♀️測(ce)量方法(fǎ)🐪所沒有(yǒu)的。通常(chang)科氏質(zhì)量流量(liàng)計的精(jīng)度如♈下(xià)：  

液(yè)體： ±0.10%（示值相(xiang)對誤差(chà)） ± 零(líng)點的穩(wěn)态值。  

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

3.1 丙烯氣(qì)液兩相(xiang)流量測(ce)量技術(shù)參考  

丙烯(xi)（ propylene）常(chang)溫下爲(wèi)無色、無(wú)臭、稍帶(dài)有甜味(wei)的氣體(ti)。分子量(liang) 42.08，在(zài)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(shu)送和儲(chu)存中必(bi)須進行(háng)加壓處(chu)理，另外(wai)，這種流(liu)體的流(liú)🈲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(chu)口處産(chǎn)生氣穴(xué)和伴随(sui)而來的(de)氣蝕現(xiàn)象，引起(qǐ)流量計(ji)示值偏(piān)高和流(liú)量一次(cì)裝置受(shòu)損。  

3.2 丙烯流(liú)量測量(liàng)系統誤(wu)差的生(shēng)成與處(chu)理  

在輸送(sòng)過程中(zhong)當溫度(du)将降低(di)或由于(yú)調節閥(fá)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(shi)，丙烯氣(qi)液混合(he)物密度(dù)相應會(hui)發生變(biàn)化，因而(er)給質量(liàng)流量計(ji)🍓測量帶(dai)🙇🏻來誤差(cha)。誤差可(ke)以通過(guo)密度補(bu)🐆償來處(chù)理。  

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

采用溫(wēn)度補償(cháng)，所以按(an)照臨界(jiè)飽和狀(zhuang)态查表(biao)，得到此(ci)時的丙(bǐng)烯氣體(ti)密度爲(wei) ρs，液(ye)體密度(du)爲 ρL，顯然液(yè)體與氣(qi)體部分(fèn)的體積(jī)流量爲(wèi)

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

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

因(yin)爲

所以

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此(ci)可見，在(zai)氣液混(hùn)合中，液(ye)體部分(fèn)占的體(tǐ)積基本(ben)可📱以忽(hū)💘略不計(ji)。  

另(ling)外，爲了(le)避免丙(bing)烯流量(liàng)測量時(shi)出現氣(qì)液兩相(xiang)混❓合現(xian)象，選💔用(yong)下面的(de)設計和(hé)安裝方(fang)法将是(shì)有效的(de)。  

3.2.1 選(xuǎn)用更的(de)儀表  

近年(nian)來，科氏(shi)力流量(liang)計的制(zhì)造技術(shu)獲得了(le)快速發(fā)展💁，例如(ru)☂️ CMF100傳(chuan)感器與(yu) 2700變(biàn)送器配(pèi)用，測量(liàng)液體時(shi)，流體的(de)質量流(liu)量度可(ke)達⁉️流🌈量(liàng)值的 ±0.05%，而且(qiě)已延伸(shen)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(qi)體質量(liàng)流量，度(dù)可達流(liu)量值的(de) ±0.35%。并(bìng)且能直(zhi)接顯示(shi)質量流(liu)量。  

3.2.2 合理選(xuan)擇安裝(zhuāng)位置  

流量(liang)傳感器(qì)安裝位(wèi)置應選(xuǎn)擇在槽(cao)的頂部(bù)出口管(guǎn)道上。保(bǎo)🚶‍♀️證直管(guǎn)段的前(qian)提下，與(yǔ)槽的出(chū)口處盡(jin)量近些(xie)。這樣，丙(bǐng)⚽烯在輸(shū)送過程(chéng)中，可減(jiǎn)少經輸(shu)送管道(dào)從⛷️大氣(qì)中吸收(shōu)熱量。同(tóng)時，安裝(zhuang)位置應(ying)盡量低(dī)些，這樣(yang)可提高(gao)過冷深(shēn)度。  

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

丙(bǐng)烯中間(jian)槽與丙(bǐng)烯分離(lí)器之間(jian)有較大(dà)壓差，此(cǐ)壓差絕(jué)大部分(fèn)降落在(zài)調節閥(fa)上。丙烯(xi)流過此(cǐ)閥時，壓(ya)力突然(ran)升高，一(yī)定數量(liang)的氣體(tǐ)液化，從(cong)而出現(xiàn)氣液兩(liang)相流。爲(wei)了避免(miǎn)流過流(liu)量計的(de)流體中(zhōng)存在兩(liǎng)相流，節(jiē)流閥必(bì)須裝在(zài)流量計(jì)下遊。  

3.3 提高(gao)丙烯流(liu)量測量(liàng)度的方(fang)法  

大部分(fen)質量流(liú)量計制(zhì)造商以(yǐ) “量(liang)程誤差(cha)加零點(diǎn)不穩定(ding)度 ”的方式(shi)表達基(jī)本誤差(cha)，這是因(yin)爲這種(zhǒng)儀表零(ling)點穩定(ding)性較差(cha)。這種表(biao)達方式(shì)初看上(shang)去度很(hen)高，但計(jì)入🤟零點(dian)🛀🏻不穩定(ding)度♌後，度(dù)并不那(na)麽高。  

零點(diǎn)不穩定(ding)性通常(cháng)以 %FS表示，也(ye)有以流(liú)量值 kg/min表示(shi)，零點不(bu)穩定度(dù)一般在(zai) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dang)流量爲(wei)下限流(liu)量時，因(yīn)零點不(bú)穩定性(xing)引入的(de)誤差是(shì)很可觀(guān)的，所以(yǐ)儀表選(xuǎn)用時，應(yīng)将口徑(jìng)選得盡(jìn)‼️可能小(xiǎo)一些，這(zhè)樣可💃🏻将(jiang)零點不(bú)穩定度(dù)的數值(zhí)減小，提(ti)高實際(jì)得到的(de)測量度(du)。  

參(can)考文獻(xiàn)  
[1]張(zhāng)可欣 .城鎮(zhèn)供水排(pai)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(jian)築工業(yè)出版社(she)， 2010， 5. 
[2]梁國(guó)偉 蔡武昌(chāng) .流(liu)量測量(liàng)技術及(ji)儀表 [M].北京(jīng)：機械工(gong)業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
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[4]鄭德(dé)智，樊尚(shàng)春，刑維(wéi)魏 .科氏質(zhì)量流量(liang)計相位(wei)差檢測(cè)新方法(fǎ) [J].儀(yi)器儀表(biao)學報， 2005， 26(5).(end)