質量流量計(ji)在氣液兩相(xiang)測量中的應(ying)用分析

1 常見流(liu)體的測量方(fang)法  
1.1氣體(ti)流量的測量(liàng)方法  
需(xu)要測量流量(liang)的氣體種類(lei)繁多，其測量(liàng)的儀器儀表(biǎo)也有很大的(de)差别。以天然(ran)氣流量的測(ce)量爲例：目前(qian)，天然氣貿易(yi)計量分爲體(tǐ)積計量、質量(liang)計量和能量(liang)計量 3種(zhong)，工業發達國(guó)家質量計量(liàng)和能量計量(liàng)兩種方法☁️都(dōu)在使用🔱，而我(wǒ)國目前基本(ben)上以體積計(jì)量爲主。  
1.2 液體流量的(de)測量方法  
常見的液(ye)體有水、石油(you)、液化氣體等(deng)。水流量的測(ce)量難度不高(gāo)，不同原理的(de)流量計大多(duō)數都可以測(cè)量水的容量(liàng)，但也不是随(suí)便裝一台就(jiù)肯定能用好(hǎo)的。這是因爲(wei)水的潔淨程(chéng)度不同，流體(tǐ)工況條件各(gè)異，流量測量(liang)的範圍就會(hui)出現懸殊；石(shí)油具有一定(ding)的黏稠度，因(yīn)此🧡不同黏度(dù)的石油産品(pin)所❗選擇的計(ji)量儀器不同(tong)，高黏🛀🏻度油品(pin)如原油、重油(yóu)、渣油，爲了便(biàn)于輸送，往往(wang)被加熱到較(jiao)高的溫度。流(liu)體中含有固(gù)态雜質，測量(liàng)前還需要🥵過(guò)濾；液化氣體(tǐ)屬于☔高飽和(he)蒸氣壓液體(ti)📞，測量時必須(xu)考慮氣化的(de)問題，因此使(shi)用的流量計(ji)也比較特殊(shu)，如渦街流量(liàng)計、渦輪流量(liang)計、容積式流(liú)量✌️計、科氏質(zhi)量流量計等(děng)。  
1.3 氣液多(duō)相流體的測(ce)量方法  
氣液兩相流(liu)體的流量測(ce)量從制造商(shāng)的資料可看(kàn)✊出，有幾種儀(yi)表可用來測(ce)量離散相濃(nong)度不高的兩(liǎng)相流體的流(liu)量，在實際應(yīng)用中也有一(yi)些成功應用(yòng)♻️的實例，但目(mù)前使用的🔞流(liú)量計都是在(zài)單相流動狀(zhuang)态下評定其(qí)測量性能，現(xian)在還沒有以(yi)單相流标定(ding)的流量計用(yong)來測量兩相(xiang)流時系統變(bian)化的評定标(biao)準，因此這樣(yang)的❄️應用究竟(jing)帶來🌈多大的(de)誤差還不很(hen)清楚，僅有一(yi)些零星的數(shù)據和一些定(dìng)性的分析。常(chang)用的氣液兩(liang)相流量測量(liang)儀器有：電磁(ci)⛷️流量計、科氏(shì)力質量流量(liàng)計、超聲流量(liang)計等。  
1.4 科(ke)氏質量流量(liang)計的測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏(shì)力的形成  
由科氏加(jia)速度作用産(chǎn)生科氏力。該(gāi)加速度是法(fǎ)國工程師科(ke)裏奧利斯在(zài)研究水輪機(ji)的機械理論(lun)時發現的。科(kē)💃氏力，是對旋(xuán)轉體系中進(jìn)行直線運動(dòng)的💚質點由于(yú)慣性相對于(yú)旋轉體系産(chǎn)生的直線運(yun)動的偏移的(de)一種描述，科(ke)裏奧利力來(lai)自于物體運(yun)動所具有的(de)慣性。  
在(zài)旋轉體系中(zhong)進行直線運(yun)動的質點，由(you)于慣性，有沿(yán)著✍️原有運動(dong)方向繼續運(yun)動的趨勢，但(dan)是由于體📱系(xì)本🌂身是旋轉(zhuan)的，在經曆了(le)一段時間的(de)運動之後，體(tǐ)系中質點的(de)位置會有所(suǒ)變化，而它原(yuán)有的運動趨(qū)勢的方向，如(ru)果以旋轉體(tǐ)系的視角去(qu)觀察，就會發(fā)生一定程度(du)的偏離。  
當一個質點(diǎn)相對于慣性(xìng)系做直線運(yun)動時，相對于(yú)旋🥰轉體系，其(qi)軌迹是一條(tiáo)曲線。立足于(yu)旋轉體系，我(wǒ)們認🧡爲有一(yī)個力驅使質(zhi)點運動軌迹(jì)形成曲線，這(zhe)個力就是科(ke)裏💁奧利力。  
科裏奧利(lì)力的計算公(gōng)式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科(ke)裏奧利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲(wèi)相對于靜止(zhǐ)參考系質點(diǎn)的運動速度(du)（矢量）； ω爲(wei)旋轉體系的(de)角速度（矢量(liàng)）； ×表示兩(liang)個向量的外(wai)積符号（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zu)右手螺旋定(ding)則）。  
1.4.2 彎管(guǎn)流量計的原(yuán)理  
原理(lǐ)上，當被測介(jie)質通過振動(dong)的測量管道(dao)時，科氏力能(neng)♊直接用于質(zhi)量流量的測(ce)量。測量管道(dào)經常呈 U形如圖所示(shì)。管道用剛性(xìng)固定件支撐(chēng)，并經激勵器(qì) E沿 A-A\'軸産生振動(dòng)，形成沿該軸(zhou)的一個旋轉(zhuan)參考系統。如(rú)果🚶在入口段(duàn)觀察一小團(tuan)流體，那麽它(ta)的質量元流(liu)出固✊定端。該(gāi)質量元随管(guǎn)道半徑逐漸(jian)增大而作圓(yuan)弧軌迹運動(dong)。當💋彎管向上(shang)運動時，形成(cheng)一個方向朝(cháo)👈下的科氏力(li)。同時，觀察出(chū)口段🔆的狀态(tai)，質量元流入(ru)固定端。同樣(yàng)産生一個方(fāng)向朝上的科(kē)氏力。由 B稱的配置在(zài)兩邊呈現出(chū)相同數值但(dan)不同符号的(de)科氏🧡力。在流(liu)體流動時，由(yóu)于力矩的作(zuò)用，導緻測量(liàng)✌️管道沿 B-B\'軸産生一個(ge)附加的扭曲(qǔ)運 B動。在(zài)入口段和出(chū)口段分别安(ān)裝傳感器 S1和 S2檢(jian)測管道沿 A-A\'和 B-B\'軸(zhou)的位移量。信(xin)号過零點的(de)時間差事管(guan)道扭曲的檢(jian)測量，它🚶‍♀️與💛通(tong)過管道的質(zhì)量流量成正(zhèng)比。
科氏(shi)質量流量計(ji)原理的結構(gòu)

1.4.3 單直管(guan)流量計的測(ce)量原理  
兩端拉緊固(gù)定的測量管(guǎn)道是直徑 d和長度 l的钛合金(jin)管。由安裝在(zai)管道中間的(de)振動裝置以(yǐ)一階模式方(fang)⛱️式産生振動(dong)。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在傳(chuan)感器檢測位(wèi)置 ±z=±l/3處，振(zhen)動幅度調整(zheng)約爲 x±m（ ±z）。如果流體(tǐ)質量元 m以速度 v流過由角速(sù)度 ω振動(dòng)的管道，那麽(me)這質量元就(jiù)會在管壁上(shàng)産生科氏力(li)，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的前後半(ban)段上，除了一(yi)階諧振外，還(hai)産生作用力(lì)方形相反的(de)二階模式振(zhen)動。一階和二(èr)階模式⛹🏻‍♀️振動(dong)的疊加在時(shi)間🏃🏻上産生 90°的相移。因(yīn)此，當管道中(zhōng)存在質量流(liu)量時，測量管(guan)道産生擺動(dòng)運

1.4.4 雙直(zhí)管流量計的(de)測量原理  

雙直管質(zhì)量流量計有(yǒu) 2根測量(liàng)管道、優化的(de)流速分配器(qì)、 4個位移(yí)傳感器和 2個電磁式(shì)振蕩驅動器(qi)組成。其原理(lǐ)是： 2個電(diàn)磁式振蕩驅(qū)動器以諧振(zhèn)頻率使兩根(gēn)測量管道✨同(tong)步的相🔆向振(zhèn)動。每個電磁(ci)式驅動器兩(liǎng)邊的對稱位(wèi)置各安裝有(you)一個位🍉移檢(jian)測傳感器用(yong)于測量科氏(shi)力效應。當沒(méi)有介質流過(guò)測量管道時(shi)，測量管道處(chù)于自然諧振(zhen)狀态。 2個(gè)位移傳感器(qi)所測到的位(wèi)移正弦信号(hao)無相位差。 當有介質(zhì)流過時，由于(yú)有科氏力 FC的作用，測(ce)量管道有微(wei)小的變形，從(cóng)而使 2個(ge)位移傳感器(qi)有相位偏差(cha)。該相位偏差(chà)與科氏力♊ FC成正比，即(ji)與流過測量(liang)管道的質量(liang)流量成正比(bǐ)。相當于 2個單直管質(zhi)量流量計軸(zhóu)向對稱地同(tóng)步工作。  

2 科氏質量流(liú)量計的優缺(quē)點  

2.1 科氏(shì)質量流量計(ji)的優點  

時間差與測(cè)量效應成線(xian)性關系；直接(jiē)測量質量流(liu)量；測量儀還(hai)💘可附加檢測(ce)流體密度 ρ 和介質溫(wen)度 T ；測量(liàng)結果有很高(gāo)的精度（典型(xing)的精度：質量(liàng)流量爲 ±0.1%+ 末端值的 ±0.005% ；密度 ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結果與(yu)壓力和溫度(du)無關；測量結(jié)果與流體的(de)性🧡能（密度🐪、黏(nian)度、電導率和(hé)熱導率）無關(guān)；測量結果與(yǔ)流速分布無(wu)關，即不🌈需要(yao)特殊的入口(kǒu)引導管道，流(liu)🐕量計能測量(liang)真正的質量(liang)流量平均值(zhí)；出口端不需(xu)要施加反⁉️壓(yā)力，也就不需(xū)要出口引導(dǎo)導管；安裝位(wei)🤟置可以任意(yi)選擇；可進行(háng)🌐雙向測量；所(suo)㊙️有可加壓力(lì)🐅的介質都能(neng)測🌂量，如液态(tài)和氣态介質(zhì)，特别是受污(wū)染有腐蝕性(xing)的介質。  

2.2 科氏流量計(jì)的缺點  

除了上述大(dà)量優點外，同(tóng)樣也存在不(bu)足，如：流量計(jì)價🌂格貴，複雜(za)幾何形狀的(de)測量管道使(shi)壓力損耗增(zēng)🌈大；除單直管(guǎn)外，有些流量(liang)⭐計彎頭較多(duō)，很難清洗，而(er)且自行排空(kong)能力差；測㊙️量(liàng)管道⛷️的材料(liào)與被測介質(zhi)要注意它們(men)的相容性；可(ke)測量zui大的流(liu)量限制爲 680T/h ；強烈的振(zhen)動和沖擊會(hui)影響流量計(jì)的機械裝置(zhì)，嚴重時💃🏻産💛生(sheng)較大的測量(liang)誤差；有些流(liú)量計的安裝(zhuāng)受到安裝規(gui)程的限制；采(cai)用流量分配(pei)器的流量計(ji)，在測量不🌈均(jun)勻的介質時(shí)，會産生較大(da)的測量誤差(cha)；測量高黏度(dù)介質要求附(fù)加激勵能量(liang)和需要特殊(shu)的标定等。  

3 科氏質量(liàng)流量計在氣(qi)液兩相測量(liang)中的應用  

科氏質量(liàng)流量計的應(ying)用已遍及幾(jǐ)乎所有工業(ye)領域。主😄要原(yuán)因是高精度(du)和大量程，這(zhe)是大多數其(qi)他流量測量(liang)方法所沒有(yǒu)的。通常科氏(shi)質量流量計(ji)的精度如下(xià)：  

液體： ±0.10%（示值相對(dui)誤差） ± 零(líng)點的穩态值(zhí)。  

氣體： ±0.50%（示值相對(duì)誤差） ± 零(líng)點的穩态值(zhi)。  

3.1 丙烯氣(qì)液兩相流量(liang)測量技術參(can)考  

丙烯(xi)（ propylene）常溫下(xià)爲無色、無臭(chou)、稍帶有甜味(wei)的氣體。分子(zǐ)量 42.08，在标(biao)準大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點(dian) -185.3℃ ，沸(fèi)點 -47.4℃ 。丙烯在輸送(sòng)和儲存中必(bì)須進行加壓(yā)處理，另外，這(zhe)種🍉流體的流(liú)✉️量測量中容(rong)易因儀表的(de)壓力損失而(ér)在流量計的(de)出口處産生(sheng)氣穴和伴随(sui)而來的氣蝕(shí)現象，引起流(liu)量計示值偏(pian)高和流量一(yī)次裝置受損(sǔn)。  

3.2 丙烯流(liu)量測量系統(tǒng)誤差的生成(cheng)與處理  

在輸送過程(cheng)中當溫度将(jiāng)降低或由于(yú)調節閥突然(rán)關小導緻管(guan)道内壓力增(zēng)加時，丙烯會(huì)處于氣液兩(liang)‼️相狀态。此時(shí)，丙烯氣液混(hun)合物密度相(xiàng)應會發生變(bian)⛱️化，因而🏃🏻給質(zhi)量流量計測(ce)量帶💘來誤差(cha)。誤差可以通(tong)💔過密度補償(cháng)來處理。  

一常用壓力(lì)爲 1.0MPa 的丙(bǐng)烯氣體，其流(liú)量爲 qm，假(jia)設經長距離(lí)輸送後有 10%qm冷凝成液(ye)态，令其爲 qml，而保持氣(qì)态的部分爲(wèi) qms，從定義(yì)知，此時濕氣(qi)的幹度爲

采用溫度(dù)補償，所以按(an)照臨界飽和(he)狀态查表，得(de)到⭐此🙇‍♀️時的丙(bing)烯氣體密度(du)爲 ρs，液體(tǐ)密度爲 ρL，顯然液體與(yu)氣體部分的(de)體積流量爲(wei)

式中 qvl表示丙烯(xi)液體的體積(ji)流量， m3/s； qvs表示丙烯(xi)氣體部分的(de)體積流量， m3/s。  

由定(dìng)義知，氣體幹(gan)部分流量占(zhàn)氣液兩相總(zong)體積流量 qv之比 Rv爲

因爲(wei)

所以

在該例中(zhōng)， Rv=99.93%，由此可(ke)見，在氣液混(hùn)合中，液體部(bù)分占的體積(jī)基本👅可以忽(hu)略不計。  

另外，爲了避(bì)免丙烯流量(liàng)測量時出現(xian)氣液兩相混(hùn)合💜現象，選㊙️用(yòng)下面的設計(ji)和安裝方法(fǎ)将是有效的(de)。  

3.2.1 選用更(geng)的儀表  

近年來，科氏(shì)力流量計的(de)制造技術獲(huo)得了快速發(fa)展，例🛀如 CMF100傳感器與 2700變送器配(pei)用，測量液體(tǐ)時，流體的質(zhi)量流量度可(kě)達流量🔴值的(de) ±0.05%，而且已(yǐ)延伸到氣體(ti)流量的測量(liàng)。應用上述配(pèi)置的流量計(ji)測量氣體質(zhì)量流量，度可(ke)達流量值的(de) ±0.35%。并且能(neng)直接顯示質(zhi)量流量。  

3.2.2 合理選擇安(ān)裝位置  

流量傳感器(qì)安裝位置應(ying)選擇在槽的(de)頂部出口管(guǎn)道上。保證直(zhí)管段的前提(tí)下，與槽的出(chu)口處盡量近(jin)些。這樣，丙烯(xī)在輸送過程(cheng)中，可減少經(jīng)輸送管道從(cong)大氣中吸收(shou)熱量。同時，安(an)裝位置應盡(jin)量低些，這樣(yang)可提高過冷(lěng)深度。  

3.2.3 将(jiāng)調節閥安裝(zhuang)在流量計後(hòu)邊  

丙烯(xī)中間槽與丙(bǐng)烯分離器之(zhi)間有較大壓(ya)差，此壓差絕(jue)大部分降落(luo)在調節閥上(shang)。丙烯流過此(cǐ)閥時，壓力突(tū)然升⭐高，一定(ding)數量的氣體(ti)液化，從而出(chu)現氣液兩相(xiang)流。爲了避免(mian)流過流量計(jì)的流體中存(cún)在兩相流，節(jiē)流閥必須裝(zhuāng)在流量計下(xia)🛀遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流量測(cè)量度的方法(fǎ)  

大部分(fen)質量流量計(jì)制造商以 “量程誤差(chà)加零點不穩(wěn)定度 ”的(de)方式表達基(jī)本誤差，這是(shi)因爲這種儀(yi)表零點穩定(dìng)性較🈲差🌈。這種(zhǒng)表達方式初(chu)看上去度很(hěn)高，但計入零(líng)點不穩定度(dù)後，度㊙️并不那(nà)麽高。  

零(líng)點不穩定性(xing)通常以 %FS表示，也有以(yǐ)流量值 kg/min表示，零點不(bú)穩定度一般(ban)在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dang)流量爲下限(xian)流量時，因零(líng)點不穩定性(xìng)引入的誤差(chà)是很可觀的(de)，所以儀表選(xuan)用時，應将口(kǒu)徑選得盡💃🏻可(ke)能小一🈚些，這(zhe)👄樣可将零點(diǎn)不穩定度的(de)數值減小，提(ti)高實際💛得到(dao)的測量度。  

參考文獻(xiàn)  
[1]張可欣(xin) .城鎮供(gòng)水排水行業(yè)流量計量儀(yí)表的選型與(yu)應用技💔術 [M].北京：中國(guó)建築工業出(chū)版社， 2010， 5. 
[2]梁國偉 蔡武昌 .流量測量(liàng)技術及儀表(biǎo) [M].北京：機(ji)械工業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
[3]紀綱 .流(liu)量測量儀表(biao)應用技巧 [M].北京：化學(xue)工業出版社(she)， 2009， 7. 
[4]鄭(zheng)德智，樊尚春(chūn)，刑維魏 .科氏質量流(liu)量計相位差(cha)檢測新方法(fǎ) [J].儀器儀(yí)表學報， 2005， 26(5).(end)