質量流量計在(zài)氣液兩相測量中(zhōng)的應用分析

1 常見流體的(de)測量方法  
1.1氣(qì)體流量的測量方(fāng)法  
需要測量(liàng)流量的氣體種類(lei)繁多，其測量的儀(yí)器儀表也有☁️很大(dà)🌈的差别。以天然氣(qi)流量的測量爲例(lì)：目前，天🐆然氣貿易(yì)計量分爲體積計(ji)量、質量計量和能(néng)量計量 3種，工(gong)業發達國家質量(liàng)計量和能量計量(liàng)兩種方法都在使(shǐ)用，而我國目前基(jī)本上以體積計量(liàng)爲主。  
1.2 液體流(liú)量的測量方法  
常見的液體有(yǒu)水、石油、液化氣體(tǐ)等。水流量的測量(liang)難度不高，不同原(yuan)理的流量計大多(duo)數都可以測量水(shuǐ)的容量🔆，但也不是(shi)🆚随便裝一台就肯(ken)定能用好的。這是(shi)因爲水的潔淨程(cheng)度不同，流體工🈲況(kuang)條件各異，流量測(ce)量的範圍就會出(chu)現懸殊；石油具有(you)一定的黏稠度，因(yīn)此☎️不同黏度的石(shi)油産品所選擇的(de)計量✉️儀器不同，高(gāo)🍉黏度油品如原油(yóu)、重油、渣油，爲了便(bian)于輸送，往往被加(jiā)熱到較高的溫度(dù)。流體中含有固态(tai)雜質，測量前還需(xū)要🔞過濾；液化氣體(ti)屬于高飽和蒸氣(qi)壓液體，測量時必(bì)須考慮氣👄化的問(wen)題，因此使用🌏的流(liú)量計也比較特殊(shu)，如🐅渦街流量計、渦(wō)輪流量計🔆、容積式(shi)流量計、科氏質量(liàng)流量計等。  
1.3 氣(qì)液多相流體的測(cè)量方法  
氣液(ye)兩相流體的流量(liang)測量從制造商的(de)資料可看出🈲，有幾(jǐ)種儀表可用來測(ce)量離散相濃度不(bu)高的兩相流體的(de)流量，在實際應🔴用(yong)中也有一些成功(gōng)應用的實例✍️，但目(mù)前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀😄态下評定❄️其測(ce)量性能，現在還沒(mei)有以單相流标定(dìng)的流量計用來測(cè)量兩相流時系統(tǒng)變化的評定标準(zhǔn)，因此這樣的應用(yòng)究竟帶來多大的(de)誤差還不很㊙️清楚(chǔ)，僅有一些零星的(de)數據和一些定性(xing)的分析。常用的氣(qi)液兩相流量測量(liang)儀器有：電磁流量(liàng)計、科氏力質量流(liú)量計、超聲流量計(ji)等。  
1.4 科氏質量(liang)流量計的測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏力的(de)形成  
由科氏(shì)加速度作用産生(shēng)科氏力。該加速度(du)是法國工程🚶‍♀️師科(ke)裏奧利斯在研究(jiu)水輪機的機械理(lǐ)論時🌈發現的。科😘氏(shi)力，是對旋轉✨體系(xi)中進行直線運動(dòng)的質點由于慣性(xìng)相對于🌏旋轉體系(xi)産生🙇🏻的直線運動(dòng)的偏移的一種描(miao)述🚶‍♀️，科裏奧利🌈力來(lai)自于物體運動🌂所(suǒ)具有的慣性。  
在旋轉體系中進(jin)行直線運動的質(zhì)點，由于慣性，有沿(yan)著📐原👅有運動方向(xiàng)繼續運動的趨勢(shì)，但是由于體系本(ben)身是🤞旋轉的，在經(jīng)曆了一段時間的(de)運動之後，體系中(zhōng)質點的👅位置會有(yǒu)所變化，而它❓原有(you)的運動✍️趨勢的方(fāng)向，如果以旋轉體(tǐ)系的視角去觀察(chá)，就會發生一定程(chéng)度的偏離。  
當(dāng)一個質點相對于(yu)慣性系做直線運(yùn)動時，相對于旋轉(zhuan)體系🌈，其軌迹是一(yi)條曲線。立足于旋(xuán)轉體系，我們認爲(wèi)有一個力驅使質(zhi)點運動軌迹形成(chéng)曲線，這個力就是(shi)科裏奧利力。  
科裏奧利力的計(jì)算公式爲： F=2mVr×ω 
式(shì)中 F爲科裏奧(ao)利力； m爲質點(dian)的質量； Vr爲相(xiang)對于靜止參考系(xì)質點的運動速度(dù)（矢量）； ω爲旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢(shi)量）； ×表示兩個(gè)向量的外積符号(hào)（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足右手(shou)螺旋定則）。  
1.4.2 彎(wan)管流量計的原理(lǐ)  
原理上，當被(bei)測介質通過振動(dong)的測量管道時，科(ke)氏力🐅能直接用于(yu)質量流量的測量(liàng)。測量管道經常呈(cheng) U形如圖所示(shi)。管道用剛性固定(dìng)件支撐，并經激勵(li)器♋ E沿 A-A\'軸(zhóu)産生振動，形成沿(yán)該軸的一個旋轉(zhuǎn)參考系統。如果在(zai)入口❌段觀察一小(xiao)團流體，那麽它的(de)質量元流出固定(ding)端。該質量元随管(guan)道半徑逐漸增大(dà)而作圓弧軌迹📱運(yùn)動。當彎管向上運(yun)動時，形成一個方(fāng)向朝下的科氏♻️力(li)。同時，觀🌐察出口段(duàn)的狀态，質量元流(liu)入固定端。同樣産(chan)生一個方向朝上(shàng)的科氏力。由 B稱的配置在兩邊(biān)呈現出相同數值(zhí)但不同符号的科(kē)氏力。在流體流動(dòng)時，由于力矩的作(zuo)用，導緻測量管道(dao)沿 B-B\'軸産生一(yi)個附加的扭曲運(yùn) B動。在入口段(duàn)和出口段分别安(ān)裝傳感器 S1和(hé) S2檢測管道沿(yán) A-A\'和 B-B\'軸的(de)位移量。信号過零(líng)點的時間差事管(guǎn)道扭曲的檢測量(liang)，它與通過管道的(de)質量流量成正比(bi)。
科氏質量流(liú)量計原理的結構(gòu)

1.4.3 單直管流量(liàng)計的測量原理  
兩端拉緊固定(ding)的測量管道是直(zhi)徑 d和長度 l的钛合金管。由(yóu)安裝在管道中間(jian)的振動裝置以一(yi)階模💯式方式産生(sheng)振動。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一階頻(pin)率。在傳感器檢測(ce)位置 ±z=±l/3處，振動(dong)幅度調整約爲 x±m（ ±z）。如果流體(tǐ)質量元 m以速(su)度 v流過由角(jiao)速度 ω振動的(de)管道，那麽這質量(liàng)元就會在管壁上(shàng)産生科氏力，即 FC=2mv×ω在管道的前後(hou)半段上，除了一階(jiē)諧振外，還産生作(zuo)用🥰力⭕方形⁉️相🤩反的(de)二階模式振動。一(yi)階和二階模式⚽振(zhen)動的疊加在時間(jiān)上産生 90°的相(xiang)移。因此，當管道中(zhong)存在質量流量時(shí)，測量管道産🏃🏻‍♂️生擺(bai)動運

1.4.4 雙直管(guan)流量計的測量原(yuán)理  

雙直管質(zhi)量流量計有 2根測量管道、優化(huà)的流速分配器、 4個位移傳感器(qi)和 2個電磁式(shì)振蕩驅動器組成(cheng)。其原理是： 2個(ge)電磁式振蕩驅動(dòng)器以諧振頻率使(shi)兩根測量管道同(tóng)步的相向振動。每(mei)個電磁式驅動器(qi)兩邊的對🈲稱位置(zhi)各安裝❌有一❗個位(wei)移檢測傳感器用(yòng)于測量科氏力效(xiao)應。當沒有介質流(liu)過測量管道時，測(ce)量管道處于自然(ran)諧振狀态。 2個(gè)位移傳感器所測(cè)到的位移正弦信(xìn)号無相位差。 當有介質流過時(shi)，由于有科氏力 FC的作用，測量管(guan)道有微小的變形(xing)，從而使 2個位(wèi)移傳感器有相位(wei)偏差。該相位偏差(cha)與科氏力🌈 FC成(chéng)正比，即與流過測(cè)量管道的質量流(liu)量成正比。相當于(yu) 2個單直管質(zhì)量流量計軸向對(duì)稱地同步工作。  

2 科氏質量流量(liàng)計的優缺點  

2.1 科氏質量流量計(jì)的優點  

時間(jiān)差與測量效應成(chéng)線性關系；直接測(ce)量質量流量；測量(liang)🤟儀還可附加檢測(ce)流體密度 ρ 和(hé)介質溫度 T ；測(cè)量結果有很高的(de)精度（典型的精度(du)：質量流量爲 ±0.1%+ 末端值的 ±0.005% ；密(mi)度 ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測(ce)量結果與壓力和(hé)溫度無關；測量結(jié)果與流體的性能(neng)（密度、黏度、電導率(lǜ)和熱導率）無關；測(cè)量結果與流速分(fen)布無關，即不需要(yào)👄特殊的入口引導(dao)管道，流量計能測(cè)量真正的質量流(liu)量⭕平均值；出口端(duan)不需要施加反壓(ya)力，也就不需要出(chu)口引導導管；安裝(zhuāng)位💯置可以任意選(xuan)擇；可進行雙向測(ce)量；所有可加壓力(lì)的介質都能測量(liang)，如液态和氣态介(jiè)質，特别是受污染(rǎn)有腐蝕性的介質(zhi)。  

2.2 科氏流量計(jì)的缺點  

除了(le)上述大量優點外(wài)，同樣也存在不足(zu)，如：流量計🙇‍♀️價格貴(guì)，複雜⛱️幾何形狀的(de)測量管道使壓力(lì)損耗增大；除單直(zhi)管外，有些⚽流量計(ji)彎頭較多，很難清(qīng)洗，而且自行排空(kong)能力差；測量管道(dao)的材料🈚與被測介(jiè)質要注意它們的(de)相容👣性；可測量zui大(dà)的流量♈限制爲 680T/h ；強烈的振動和(hé)沖擊會影響流量(liàng)計的機械裝置，嚴(yan)重時産生較大的(de)測量誤差；有些流(liú)量計的安裝受到(dào)安裝規程的🏃‍♀️限制(zhì)；采用流量分配器(qì)的流量計，在測量(liang)不均勻的介質時(shi)，會産生較大的測(ce)量誤差；測量高黏(nian)度介質要求附加(jia)激勵能量和需🏃🏻‍♂️要(yào)特殊的㊙️标定等。  

3 科氏質量流量(liàng)計在氣液兩相測(cè)量中的應用  

科氏質量流量計(ji)的應用已遍及幾(ji)乎所有工業領域(yù)✨。主要原🤞因是高精(jing)度和大量程，這是(shi)大多數其他流量(liàng)⛷️測量方法所沒有(yǒu)的。通常科氏質量(liàng)流量計的精度如(rú)🐇下：  

液體： ±0.10%（示值相對誤差） ± 零點的穩态值(zhí)。  

氣體： ±0.50%（示(shi)值相對誤差） ± 零點的穩态值。  

3.1 丙烯氣液兩相(xiang)流量測量技術參(can)考  

丙烯（ propylene）常溫下爲無色、無(wú)臭、稍帶有甜味的(de)氣體。分子量 42.08，在标準大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點 -47.4℃ 。丙(bing)烯在輸送和儲存(cún)中必須進行加壓(yā)處理，另外，這😍種🐇流(liu)體的流量測量中(zhōng)容易因儀表的壓(ya)力損失而在流量(liang)計的出口處産生(shēng)氣穴和伴随而來(lai)的氣蝕現象，引❤️起(qi)流量計示值偏高(gāo)和流量一次裝置(zhi)受損。  

3.2 丙烯流(liú)量測量系統誤差(cha)的生成與處理  

在輸送過程中(zhong)當溫度将降低或(huo)由于調節閥突然(ran)關✏️小導🈲緻管道内(nei)壓力增加時，丙烯(xī)會處于氣液兩相(xiang)狀态。此時，丙烯氣(qi)液混合物密度相(xiàng)應會發生變化，因(yin)而給質量流量計(ji)⭕測量帶來誤差。誤(wu)差可以通過密度(du)補🌈償來處理。  

一常用壓力爲 1.0MPa 的丙烯氣體，其(qí)流量爲 qm，假設(shè)經長距離輸送後(hòu)有 10%qm冷凝成液(yè)态，令其爲 qml，而(ér)保持氣态的部分(fèn)爲 qms，從定義知(zhī)，此時濕氣的幹度(dù)爲

采用溫度(dù)補償，所以按照臨(lin)界飽和狀态查表(biao)，得到㊙️此時的丙烯(xi)氣體密度爲 ρs，液體密度爲 ρL，顯然液體與氣體(tǐ)部分的體積流量(liang)爲

式中 qvl表示丙烯液體的(de)體積流量， m3/s； qvs表示丙烯氣體(ti)部分的體積流量(liang)， m3/s。  

由定義(yi)知，氣體幹部分流(liú)量占氣液兩相總(zong)體積流量🈲 qv之(zhī)比 Rv爲

因(yin)爲

所以

在該例中， Rv=99.93%，由(you)此可見，在氣液混(hùn)合中，液體部分占(zhan)的體積基本可以(yǐ)🐆忽略不🏃🏻‍♂️計。  

另(lìng)外，爲了避免丙烯(xi)流量測量時出現(xian)氣液兩相混合📧現(xiàn)象，選用💃下面的設(shè)計和安裝方法将(jiāng)是有效的。  

3.2.1 選(xuǎn)用更的儀表  

近年來，科氏力流(liu)量計的制造技術(shu)獲得了快速發展(zhǎn)💜，例如 CMF100傳感器(qì)與 2700變送器配(pei)用，測量液體時，流(liú)體的質量流量度(du)可達🈲流量值的 ±0.05%，而且已延伸到(dao)氣體流量的測量(liang)。應用上述配置的(de)流量計測🈲量氣體(tǐ)質量流量，度可達(da)流量值的 ±0.35%。并(bing)且能直接顯示質(zhì)量流量。  

3.2.2 合理(li)選擇安裝位置  

流量傳感器安(ān)裝位置應選擇在(zai)槽的頂部出口管(guan)道上。保證㊙️直管段(duan)的前提下，與槽的(de)出口處盡量近🌈些(xiē)。這樣，丙烯在輸送(song)過程中，可減少經(jīng)輸送管道從大氣(qi)中♋吸收熱量。同時(shí)，安裝位置應盡量(liang)低些，這樣可提高(gao)過冷深度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安裝在流(liu)量計後邊  

丙(bing)烯中間槽與丙烯(xī)分離器之間有較(jiào)大壓差，此壓🈲差絕(jué)大部分降落在調(diao)節閥上。丙烯流過(guò)此閥時，壓力突然(ran)升高，一定數🈲量的(de)氣體液化，從而出(chū)現氣液兩相流。爲(wèi)了避🈲免流過流量(liang)計的流體中存在(zai)兩相流，節流閥必(bì)須裝在流量計下(xià)遊。  

3.3 提高丙烯(xī)流量測量度的方(fang)法  

大部分質(zhì)量流量計制造商(shang)以 “量程誤差(cha)加零點不穩定度(du) ”的方式表達(da)基本誤差，這是因(yīn)爲這種儀表零點(dian)穩定🐅性較差。這種(zhǒng)表達方式初看上(shàng)去度很高，但計入(ru)📞零點不穩定度後(hòu)，度并不那麽高。  

零點不穩定性(xìng)通常以 %FS表示(shi)，也有以流量值 kg/min表示，零點不穩(wen)定度一般在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dang)流量爲下限流量(liàng)時，因零點不穩定(dìng)性引入的誤差是(shì)✉️很可觀的，所以儀(yi)表選用時，應将口(kou)徑選🥰得盡📱可能小(xiao)一些，這樣可将零(ling)點不穩定度的數(shu)值減小，提高實際(jì)得到的測量度🧡。  

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