質量流量計在(zai)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(qi)體流量的測量方(fāng)法  
需要測量(liàng)流量的氣體種類(lèi)繁多，其測量的儀(yi)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(gōng)業發達國家質量(liang)計量和能量計量(liang)兩種方法都在使(shi)用🍉，而我國目前基(jī)本上以體積計量(liàng)爲主。  
1.2 液體流(liu)量的測量方法  
常見的液體有(yǒu)水、石油、液化氣體(ti)等。水流量的測量(liang)難度不高，不同原(yuán)理的流量計大多(duo)數都可以測量水(shuǐ)的容量，但也👨‍❤️‍👨不是(shì)随便裝一台就肯(kěn)定能用好的。這是(shì)因爲水的潔淨程(chéng)度不同，流體工況(kuàng)條件各異，流量測(cè)量的範圍就會出(chū)現懸殊；石油具有(yǒu)一定的黏稠度，因(yīn)此不同黏度的石(shí)油産品所選擇的(de)計量儀器不同，高(gao)黏度油品如原油(you)、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(xu)要♍過濾；液化氣體(tǐ)屬于高飽和蒸氣(qi)壓液體☁️，測量時必(bì)須考慮氣化的問(wèn)題，因此使用的流(liú)量計也比較特殊(shū)，如👅渦街流量計、渦(wo)輪流量計、容積式(shì)流量計、科氏質量(liang)🌈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(liàng)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(yòng)中也有一些成功(gōng)應用的實例，但目(mù)前使用的🌏流量計(ji)💚都是在單相流動(dòng)狀态下評定其測(cè)量性能，現在還沒(mei)有以單相流标定(ding)🔞的流量計用來測(cè)量兩相流時系統(tong)變化的評定标準(zhun)，因此這樣的應用(yòng)究竟帶來多大的(de)誤差還不很清楚(chu)，僅有一些零🙇‍♀️星的(de)數據和一些定性(xing)的分析。常用的氣(qì)液兩相流量測量(liang)儀器有：電磁流量(liang)計、科氏力質量流(liu)量計、超聲流量計(jì)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(shi)加速度作用産生(sheng)科氏力。該加速度(du)是法國工程師科(ke)裏奧利斯在研究(jiū)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(xì)産生的直線運動(dong)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(xiang)繼續運動的趨勢(shi)，但是由于體系本(běn)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(ti)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(yun)動時，相對于旋轉(zhuǎn)體🤞系，其軌迹是一(yi)條曲線。立足于旋(xuán)轉體系，我們認爲(wei)有一個力驅使質(zhi)點運動軌迹形成(chéng)曲線，這個力就是(shì)科裏奧利力。  
科裏奧利力的計(ji)算公式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科裏奧(ao)利力； m爲質點(dian)的質量； Vr爲相(xiàng)對于靜止參考系(xi)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(hao)（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足右手(shǒu)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(dòng)的測量管道時，科(kē)氏✌️力能直接用于(yú)質量流量的測量(liàng)。測量管道經常呈(cheng) U形如圖所示(shì)。管道用剛性固定(ding)件支撐，并經激勵(li)器 E沿 A-A\'軸(zhou)産生振動，形成沿(yan)該軸的一個旋轉(zhuǎn)參考系統。如果在(zài)入❤️口段觀察一小(xiǎo)團流體，那麽它的(de)質量元流🔞出固定(ding)端。該質量元随管(guǎn)道半徑逐漸增大(da)而作圓🏃‍♂️弧軌迹⚽運(yun)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(liú)入固定端。同樣産(chan)生一個方向朝上(shang)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(zuò)用，導緻測量管道(dào)沿 B-B\'軸産生一(yī)個附加的扭曲運(yùn) B動。在入口段(duan)和出口段分别安(an)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(liàng)，它與通過管道的(de)質量流量成正比(bi)。
科氏質量流(liu)量計原理的結構(gou)

1.4.3 單直管流量(liang)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(jiān)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(ti)質量元 m以速(sù)度 v流過由角(jiao)速度 ω振動的(de)管道，那麽這質量(liang)元就會在管壁上(shang)産生科氏力，即 FC=2mv×ω在管道的前後(hou)半段上，除了一階(jie)諧振外，還産生作(zuò)用力方形相反的(de)二階模式振動。一(yī)階和二階模式振(zhen)動的疊加在時間(jian)💛上産生 90°的相(xiàng)移。因此，當管道中(zhong)存在質量流量時(shí)，測量管道産生擺(bǎi)動運

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計的測量原(yuan)理  

雙直管質(zhì)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(shi)振蕩驅動器組成(cheng)。其原理是： 2個(gè)電磁式振蕩驅動(dong)器以諧振頻率使(shi)兩根測量管道同(tóng)🚶步的相向振動。每(měi)個電磁式驅動器(qì)兩邊的對稱位置(zhi)各安裝🔞有一☁️個位(wèi)🥵移檢測傳感器用(yòng)于測量科氏力🛀🏻效(xiào)應。當沒有介質流(liu)過測量管道時，測(ce)量管道處于自🍓然(rán)諧振狀态。 2個(gè)位移傳感器所測(cè)到的位移正弦信(xin)号無相位差。 當有介質流過時(shí)，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(wei)移傳感器有相位(wei)偏差。該相位偏差(cha)與科氏力 FC成(cheng)正比，即與流過測(ce)量管道的質量流(liú)量成正比。相當于(yu)🚶 2個單直管質(zhi)量流量計軸向對(dui)稱地同步工作。  

2 科氏質量流量(liang)計的優缺點  

2.1 科氏質量流量計(jì)的優點  

時間(jian)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(cè)流體密度 ρ 和(he)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(cè)量結果與壓力和(hé)溫度無關；測量結(jie)果與流體的性📐能(neng)（密度、黏♈度、電導率(lü)和熱導率）無關；測(ce)量結果與流速分(fèn)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(xuǎn)擇；可進行雙向測(cè)量；所有可加壓力(lì)的介質都能測量(liang)，如液态和氣态介(jie)質，特别是受污染(ran)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(wai)，同樣也存在不足(zú)，如：流量計🥰價格💃貴(guì)，複🈲雜📱幾何形狀的(de)測量管道使壓力(li)損耗增大；除單直(zhi)管外，有些流量計(jì)彎頭較多，很難清(qing)洗，而且自行排空(kong)能❄️力差；測量管道(dao)的材料與被測介(jie)質要注意它們的(de)相容性；可測量⭐zui大(da)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(dao)安裝規程的限制(zhi)☎️；采用🈚流量分配器(qi)的流量計，在測量(liàng)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(jiā)激勵能量和需要(yào)特殊的标定等。  

3 科氏質量流量(liang)計在氣液兩相測(ce)量中的應用  

科氏質量流量計(jì)的應用已遍及幾(jǐ)乎所有工業領域(yù)‼️。主♋要原因是高精(jīng)度和大量程，這是(shì)大多數其他流量(liàng)測量方法♍所沒有(you)的。通常科氏質量(liang)流量計的精度如(ru)下：  

液體： ±0.10%（示值相對誤差） ± 零點的穩态值(zhi)。  

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(xiàng)流量測量技術參(cān)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(cun)中必須進行加壓(yā)處理，另外，這種流(liu)體的流量測量中(zhong)容易因儀表的壓(yā)力損失而在流量(liang)計的出口處産生(sheng)氣穴和伴随而來(lái)的氣蝕現象，引起(qi)流量計示值🤩偏高(gao)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(zhōng)當溫度将降低或(huò)由于調節閥突然(rán)關小導緻管道内(nèi)壓力增加時，丙烯(xi)會處于氣液兩相(xiàng)狀态。此🈲時，丙烯氣(qi)液混合物密度相(xiàng)應會發生變✔️化，因(yīn)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(qi)流量爲 qm，假設(she)經長距離輸送後(hòu)有 10%qm冷凝成液(yè)态，令其爲 qml，而(er)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(du)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(ti)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(tǐ)部分的體積流量(liang)， m3/s。  

由定義(yì)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(hun)合中，液體部分占(zhàn)的體積基本可以(yǐ)忽略不計。  

另(ling)外，爲了避免丙烯(xī)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(jiang)是有效的。  

3.2.1 選(xuan)用更的儀表  

近年來，科氏力流(liú)量計的制造技術(shù)獲得了快速發展(zhǎn)，例如 CMF100傳感器(qi)與 2700變送器配(pèi)用，測量液體時，流(liú)體的質量流量度(dù)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(dá)流量值的 ±0.35%。并(bìng)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(an)裝位置應選擇在(zài)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(xie)。這✌️樣，丙烯在輸送(sòng)過程中，可減少經(jing)輸送管道從⭐大氣(qì)中吸收熱量。同時(shí)，安裝位🔞置應盡量(liang)低些，這樣可提高(gāo)過冷深度。  

3.2.3 将(jiāng)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(diào)節閥上。丙烯流過(guo)此閥時，壓力突👉然(rán)升高，一定數量的(de)氣體液化，從而出(chu)現氣液兩相流。爲(wèi)了避免流過流量(liàng)計的流體中存在(zai)兩相流，節流閥必(bi)須裝在流量計下(xià)遊。  

3.3 提高丙烯(xi)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(chà)加零點不穩定度(du) ”的方式表達(da)基本誤差，這是因(yin)爲這種儀表零點(diǎn)穩🏃‍♂️定性較差。這種(zhǒng)表達方式初看上(shang)去度很高，但計入(rù)⚽零點不穩定度後(hòu)，度✨并不那麽高。  

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

參考文獻  
[1]張可欣 .城鎮(zhèn)供水排水行業流(liú)量計量儀表的選(xuǎn)型與應用技術 [M].北京：中國建築(zhù)工業出版社， 2010， 5. 
[2]梁國偉 蔡武昌 .流量(liàng)測量技術及儀表(biao) [M].北京：機械工(gong)業出版社， 2002， 5. 
[3]紀綱 .流量(liang)測量儀表應用技(ji)巧 [M].北京：化學(xué)工業出版社， 2009， 7. 
[4]鄭德智，樊尚(shang)春，刑維魏 .科(ke)氏質量流量計相(xiàng)位差檢測新方法(fǎ) [J].儀器儀表學(xue)報， 2005， 26(5).(end)