質量流量計(jì)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(liàng)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(rán)氣流量的測(ce)量爲例：目前(qián)，天🐉然氣貿易(yì)計量分爲體(tǐ)積計量、質量(liàng)計量和能🌐量(liàng)計量 3種(zhong)，工業發達國(guo)家質量計量(liàng)和能量計量(liang)兩種方法都(dou)在使用，而我(wo)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(cè)量難度不高(gao)，不同原理的(de)流量計大多(duo)數都可以測(cè)量水的容量(liang)，但也不是随(sui)便裝一台就(jiu)肯定能用好(hǎo)的。這是因爲(wèi)水的潔淨程(cheng)度不同，流體(ti)工況條件各(gè)異，流量測量(liàng)的範圍就🌈會(huì)出現懸殊；石(shi)油具有一定(ding)的📱黏稠度，因(yin)此⭐不同黏度(dù)的石油産品(pǐn)所選擇的計(ji)量儀器不同(tong)，高黏👉度油品(pin)如原油、重油(you)、渣油，爲了⛷️便(bian)于輸送，往往(wang)被加熱到較(jiao)高的溫度。流(liu)體中含有固(gu)态雜質，測量(liàng)前還需要🥵過(guo)濾；液化氣體(tǐ)屬于高飽和(hé)蒸氣壓液體(tǐ)，測量時必須(xu)考慮氣✌️化的(de)問題，因此使(shǐ)用的流量計(ji)也比較㊙️特殊(shū)，如💋渦街流量(liàng)計、渦輪流量(liàng)計、容積式流(liu)量計、科氏質(zhì)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(cè)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(ying)用中也有一(yī)些成功應用(yong)的實例，但目(mù)前使用的流(liu)量計都是在(zài)單相流動狀(zhuang)✔️态下評定其(qi)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(xiàng)流時系統變(biàn)化的評定标(biāo)♉準，因此這樣(yàng)的🔴應用究竟(jing)帶來多大的(de)誤差還不很(hěn)清楚，僅有❌一(yi)些零星的數(shu)☂️據和一些定(ding)性的分析。常(chang)用的氣液兩(liang)相流量❌測量(liàng)儀器有：電磁(cí)流量計、科氏(shi)力質量流量(liang)計、超聲流量(liàng)計等☂️。  
1.4 科(ke)氏質量流量(liàng)計的測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏(shì)力的形成  
由科氏加(jiā)速度作用産(chan)生科氏力。該(gāi)加速度是法(fa)國工程師🚶科(kē)📧裏奧利斯在(zai)研究水輪機(ji)的機械理論(lùn)時發現的。科(kē)氏力，是對🌏旋(xuán)轉體系中進(jìn)行直線運動(dong)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(kē)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(zhōng)進行直線運(yun)動的質點，由(you)于慣性，有🔞沿(yan)著✨原有運動(dong)方向繼續運(yun)動的趨勢，但(dàn)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(ti)系中質點的(de)位置會有所(suo)變化，而它原(yuan)有的運動趨(qu)勢的方向，如(ru)果以🌍旋轉體(ti)系的視角去(qu)🆚觀察，就會🛀🏻發(fa)生一定程度(dù)的偏離。  
當一個質點(diǎn)相對于慣性(xìng)系做直線運(yùn)動時，相對于(yu)旋轉體🔴系，其(qí)軌迹是一條(tiao)曲線。立足于(yu)旋轉體系，我(wo)們認爲有💯一(yi)個力驅使質(zhi)點運動軌迹(jì)形成曲線，這(zhè)個力就是科(ke)裏奧利力。  
科裏奧利(li)力的計算公(gong)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(zhi)參考系質點(dian)的運動速度(du)（矢量）； ω爲(wei)旋轉體系的(de)角速度（矢量(liang)）； ×表示兩(liang)個向量的外(wài)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(guan)流量計的原(yuán)理  
原理(lǐ)上，當被測介(jie)質通過振動(dòng)的測量管道(dao)時，科氏力能(neng)直接用于質(zhi)量流量的測(cè)量。測量管道(dào)經常呈 U形如圖所示(shi)。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(dong)，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(tuán)流體，那麽它(tā)的質量元流(liú)出固定端。該(gāi)質量元随管(guan)道半徑逐漸(jiàn)增大而作圓(yuán)弧軌迹運動(dòng)。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(chu)口段的狀态(tài)，質🐕量元流入(rù)固定端。同樣(yang)産生一個方(fāng)🐉向朝上的科(ke)氏力。由 B稱的配置在(zài)兩邊呈現出(chū)相同數值但(dàn)不同符号的(de)科氏⁉️力。在流(liú)體流動時，由(you)于力矩的作(zuo)用，導緻測量(liang)📱管道沿 B-B\'軸産生一個(ge)附加的扭曲(qu)運 B動。在(zài)入口段和出(chu)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(xìn)号過零點的(de)時間差事管(guan)道扭曲的檢(jian)🈲測量，它與通(tōng)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(guǎn)流量計的測(ce)量原理  
兩端拉緊固(gù)定的測量管(guan)道是直徑 d和長度 l的钛合金(jīn)管。由安裝在(zài)管道中間的(de)振動裝置以(yǐ)一階模☎️式方(fāng)式産生振動(dong)。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在傳(chuán)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(shang)産生科氏力(lì)🛀🏻，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的前後半(bàn)段上，除了一(yī)階諧振外，還(hái)産生作用力(lì)㊙️方形相🈲反的(de)二階模式振(zhèn)動。一階和二(èr)階模式振動(dòng)🧡的疊加在🔴時(shí)間上産生 90°的相移。因(yin)此，當管道中(zhong)存在質量流(liú)量時，測量管(guan)道産🔱生擺👉動(dong)運🏃

1.4.4 雙直(zhi)管流量計的(de)測量原理  

雙直管質(zhi)量流量計有(yǒu) 2根測量(liang)管道、優化的(de)流速分配器(qi)、 4個位移(yi)傳感器和 2個電磁式(shi)振蕩驅動器(qì)組成。其原理(li)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(tóng)🔞步的相向振(zhen)動。每個電磁(ci)式驅動器兩(liǎng)邊的對稱位(wèi)置各安裝有(yǒu)一個位移檢(jian)測傳感器用(yong)于測量❗科氏(shì)力㊙️效應。當🔞沒(méi)有介質流過(guò)測量管道時(shí)，測量管道處(chu)于自然諧振(zhèn)狀态。 2個(gè)位移傳感器(qi)所測到的位(wei)移正弦信号(hao)無相位差。 當有介質(zhi)流過時，由于(yu)有科氏力 FC的作用，測(ce)量管道有微(wēi)小的變形，從(cong)而使 2個(gè)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(liàng)管道的質量(liang)流量成正比(bi)。相🔴當于 2個單直管質(zhi)量流量計軸(zhou)向對稱地同(tong)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(jì)的優點  

時間差與測(cè)量效應成線(xian)性關系；直接(jie)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(wēn)度 T ；測量(liàng)結果有很高(gāo)的精度（典型(xíng)的精度：質量(liang)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(yǔ)壓力和溫度(dù)無關；測量結(jie)果與流體的(de)性能㊙️（密度、黏(nián)🎯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(kou)引導管道，流(liu)量計能測量(liàng)真正的質量(liang)流量平均值(zhi)；出口端不需(xū)要施加反壓(ya)力，也就不需(xu)要出口引導(dao)導管；安裝位(wèi)置可以任意(yi)選擇；可進行(hang)雙向測量；所(suǒ)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(xìng)的介✍️質。  

2.2 科氏流量計(ji)的缺點  

除了上述大(dà)量優點外，同(tóng)樣也存在不(bú)足，如：流量計(jì)價格貴，複雜(za)幾何形狀的(de)測量管道使(shǐ)壓力損耗增(zēng)大；除🌈單直管(guan)外，有些㊙️流量(liang)計彎頭較多(duō)，很難清洗，而(er)且自行排空(kōng)能力差；測量(liàng)管道的材料(liào)與被測介質(zhì)要注意它們(men)的相容性；可(kě)測量zui大的流(liú)量限制爲 680T/h ；強烈的振(zhèn)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(liàng)誤差；有些流(liu)量計的安裝(zhuāng)受到安裝規(guī)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(shi)，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(liàng)和需要特殊(shū)的💯标定等。  

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

科氏質量(liang)流量計的應(ying)用已遍及幾(ji)乎所有工業(ye)領域。主要原(yuan)因是高精度(du)和大量程，這(zhe)是大多數其(qi)他🌈流量測量(liàng)方法🐪所沒有(yǒu)的。通常科氏(shì)質量流量計(ji)的精度如下(xia)：  

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

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

3.1 丙烯氣(qì)液兩相流量(liang)測量技術參(cān)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(zi)量 42.08，在标(biāo)準大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點(dian) -185.3℃ ，沸(fei)點 -47.4℃ 。丙烯在輸送(sòng)和儲存中必(bì)須進行加壓(ya)處理，另外，這(zhe)種流體的流(liu)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(shēng)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(tong)誤差的生成(chéng)與處理  

在輸送過程(chéng)中當溫度将(jiang)降低或由于(yú)調節閥突然(ran)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(hùn)合物密度相(xiàng)應會發生變(biàn)化，因而給質(zhi)量流量計測(ce)量帶來誤差(cha)。誤差可以通(tōng)過密度補償(chang)來處理🙇🏻。  

一常用壓力(li)爲 1.0MPa 的丙(bing)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(du)補償，所以按(àn)照臨界飽和(he)狀态查表，得(de)到此時📧的丙(bǐng)烯氣體密度(du)爲 ρs，液體(tǐ)密度爲 ρL，顯然液體與(yǔ)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(jī)流量， m3/s； qvs表示丙烯(xi)氣體部分的(de)體積流量， m3/s。  

由定(ding)義知，氣體幹(gan)部分流量占(zhan)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(hun)合中，液體部(bù)分占的體積(jī)基本🈲可以忽(hū)略不計。  

另外，爲了避(bì)免丙烯流量(liang)測量時出現(xian)氣液兩相混(hun)合現象，選用(yòng)下面的設計(jì)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(shi)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(ti)時，流體的質(zhì)量流量度可(kě)達🤩流量值的(de) ±0.05%，而且已(yi)延伸到氣體(ti)流量的測量(liang)。應用上述配(pèi)置的流量計(jì)測量🚶氣體質(zhi)量流量，度可(ke)達流量值的(de) ±0.35%。并且能(neng)直接顯示質(zhì)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(yīng)選擇在槽的(de)頂部出口管(guan)道上。保證直(zhí)管段的前提(tí)下，與槽的出(chū)口處盡量近(jìn)🛀🏻些。這樣，丙烯(xi)在🌈輸送過程(cheng)中，可減少經(jing)輸送管道從(cong)大氣中吸收(shōu)熱量。同時，安(ān)裝位置應盡(jìn)量低些，這樣(yàng)可提高過冷(lěng)深度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安裝(zhuāng)在流量計後(hou)邊  

丙烯(xī)中間槽與丙(bǐng)烯分離器之(zhi)間有較大壓(yā)差，此壓差絕(jue)大部分降落(luo)在調節閥上(shàng)。丙烯流過此(ci)閥時，壓力突(tū)然升高，一定(ding)數量的氣體(ti)液化，從而出(chū)現氣液兩相(xiang)流。爲了避免(miǎn)流過流量計(ji)🌈的流體中存(cún)在兩相流，節(jiē)流閥🐕必須裝(zhuang)在流量計下(xia)遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流量測(ce)量度的方法(fa)  

大部分(fèn)質量流量計(jì)制造商以 “量程誤差(chà)加零點不穩(wen)定度 ”的(de)方式表達基(ji)本誤差，這是(shì)因爲這種儀(yi)表零點穩🔞定(ding)性較差🛀。這種(zhong)表達方式初(chū)看上去度很(hěn)高，但計入零(ling)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(yi)流量值 kg/min表示，零點不(bu)穩定度一般(ban)在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲下限(xian)流量時，因零(líng)點不穩定性(xing)引入的誤差(cha)⛱️是很可觀的(de)，所以儀表選(xuǎn)用時，應将口(kou)徑選得盡可(ke)能小一些，這(zhè)樣可将零點(diǎn)不穩定度的(de)數值減小，提(ti)高實際得到(dào)的測量度。  

參考文獻(xiàn)  
[1]張可欣(xin) .城鎮供(gong)水排水行業(yè)流量計量儀(yi)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(biao) [M].北京：機(ji)械工業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
[3]紀綱 .流(liu)量測量儀表(biǎo)應用技巧 [M].北京：化學(xué)工業出版社(she)， 2009， 7. 
[4]鄭(zhèng)德智，樊尚春(chūn)，刑維魏 .科氏質量流(liú)量計相位差(cha)檢測新方法(fa) [J].儀器儀(yi)表學報， 2005， 26(5).(end)