質(zhi)量流量計(ji)在氣液兩(liǎng)相測量中(zhong)的應用分(fèn)析

1 常見流(liu)體的測量(liàng)方法  
1.1氣體流量(liàng)的測量方(fang)法  
需(xu)要測量流(liu)量的氣體(ti)種類繁多(duo)，其測量的(de)儀器儀表(biǎo)也有很大(dà)的差别。以(yǐ)天然氣流(liu)量的測量(liang)爲例：目⛹🏻‍♀️前(qian)，天🌂然氣貿(mào)易計量分(fen)爲體積計(ji)量、質量計(ji)量和能👨‍❤️‍👨量(liàng)計量 3種，工業發(fā)達國家質(zhì)量計量和(hé)能量計量(liang)兩種方法(fǎ)都在使用(yòng)，而我國目(mu)前基本上(shang)以體積計(ji)量爲主。  
1.2 液體流(liu)量的測量(liàng)方法  
常見的液(yè)體有水、石(shí)油、液化氣(qì)體等。水流(liú)量的測量(liang)⛱️難度不高(gāo)，不同原理(li)的流量計(ji)大多數都(dou)可以測量(liang)水的容量(liang)，但也👈不是(shì)随便裝一(yi)台就肯定(dìng)能用好的(de)。這是因爲(wèi)水的潔淨(jìng)程度不同(tóng)，流體工🍉況(kuàng)條件各異(yì)‼️，流量測量(liang)💋的範圍就(jiu)㊙️會出現懸(xuan)殊；石油具(jù)有一定的(de)黏稠度，因(yin)此不同黏(nián)度的石油(yóu)産品所選(xuǎn)擇的計量(liàng)🏃‍♂️儀器不同(tong)，高黏度油(yóu)品如原油(you)、重油、渣油(yóu)，爲了便于(yu)🛀🏻輸送，往往(wǎng)被加熱到(dào)較高的溫(wen)度。流體中(zhong)含有固态(tài)雜💜質，測量(liàng)前還需要(yào)☔過濾；液化(hua)氣體屬于(yu)❤️高飽和蒸(zheng)氣壓液體(ti)，測量時必(bì)須考慮氣(qi)化的問題(ti)，因此使用(yong)的流量計(ji)也比較特(te)殊，如渦街(jiē)流量計、渦(wo)輪流量計(ji)、容積式流(liu)量計、科氏(shì)質量流量(liàng)計等。  
1.3 氣液多相(xiàng)流體的測(cè)量方法  
氣液兩(liang)相流體的(de)流量測量(liàng)從制造商(shāng)的資料可(kě)看出，有🥰幾(ji)種儀表可(ke)用來測量(liàng)離散相濃(nóng)度不高的(de)兩相流體(ti)的流量，在(zai)實際應用(yòng)中也有一(yī)些成功應(ying)用的實例(li)✏️，但目前使(shǐ)用的流量(liàng)計都是在(zai)單相流動(dong)狀态下評(ping)定其測量(liàng)性能，現在(zai)還沒有以(yǐ)單相流标(biao)定的流量(liàng)計用來測(ce)量兩相流(liú)時系統變(bian)化的評定(dìng)标準，因此(cǐ)這樣🈲的應(ying)用究竟帶(dài)來多大的(de)誤差還不(bu)很清楚，僅(jǐn)有一些零(líng)星的數據(jù)和一些定(ding)性的分析(xī)。常用的氣(qì)液兩相流(liu)量♻️測量儀(yi)器有：電磁(ci)流量計、科(ke)氏力質量(liàng)流量計、超(chāo)聲流量計(jì)等。  
1.4 科(ke)氏質量流(liu)量計的測(ce)量原理  
1.4.1 科氏力(lì)的形成  
由科氏(shì)加速度作(zuo)用産生科(ke)氏力。該加(jia)速度是法(fǎ)國工🤩程師(shi)科裏奧利(lì)斯在研究(jiū)水輪機的(de)機械理論(lun)時發現的(de)。科氏力，是(shì)對旋轉體(ti)系中進行(hang)直線運動(dong)的質點由(yóu)于慣性🤞相(xiàng)對于旋轉(zhuan)體系産生(sheng)的直線運(yun)動的偏移(yi)的一種描(miao)述，科裏奧(ào)利力來自(zì)于物體運(yùn)動所具有(yǒu)的慣性。  
在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質點(dian)，由于慣性(xìng)，有沿⭕著原(yuán)有運動方(fang)向繼續運(yùn)動的趨勢(shì)，但是由于(yú)體系本身(shēn)是旋轉的(de)，在經曆了(le)一段時間(jiān)的運動之(zhī)後，體系中(zhōng)⭐質點的位(wèi)置會有所(suo)變化，而它(ta)原有的運(yùn)動趨勢的(de)方向，如果(guo)以🌈旋轉體(tǐ)系的視角(jiǎo)去觀察，就(jiù)會❗發生一(yī)定程度的(de)偏離。  
當一個質(zhi)點相對于(yu)慣性系做(zuò)直線運動(dòng)時，相對于(yú)旋轉體系(xi)，其軌迹是(shì)一條曲線(xiàn)。立足于旋(xuan)轉體系，我(wo)們認爲有(yǒu)一個㊙️力驅(qu)使質點運(yùn)動軌迹形(xing)成曲線，這(zhe)個力就是(shì)科裏奧利(li)力。  
科(kē)裏奧利力(li)的計算公(gōng)式爲： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧(ao)利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲相對于(yú)靜止參考(kǎo)系質點的(de)運動速度(du)（矢量）； ω爲旋轉體(tǐ)系的角速(sù)度（矢量）； ×表示兩(liǎng)個向量的(de)外積符号(hao)（ Vr×ω：大小(xiǎo)等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)右手螺旋(xuán)定則）。  
1.4.2 彎管流量(liang)計的原理(lǐ)  
原理(li)上，當被測(ce)介質通過(guo)振動的測(cè)量管道時(shí)，科氏力能(néng)直接用😍于(yú)質量流量(liang)的測量。測(cè)量管道經(jīng)常呈✊ U形如圖所(suo)示。管道用(yòng)剛性固定(dìng)件支撐，并(bìng)經激勵器(qì) E沿 A-A\'軸産生(shēng)振動，形成(cheng)沿該軸的(de)一個旋轉(zhuan)參考系統(tong)。如果在入(rù)口段👅觀察(chá)一小團流(liu)體，那麽它(tā)的質量元(yuan)流出固定(dìng)端。該質量(liàng)元随管道(dào)半徑逐漸(jian)增大而作(zuò)圓弧軌迹(ji)運動。當彎(wan)管向上運(yun)動時，形成(cheng)一個方向(xiang)朝下的科(ke)氏力。同時(shi)，觀察出口(kǒu)段的狀态(tài)，質量元流(liu)入固定端(duān)。同樣産生(sheng)一個方向(xiàng)朝上的科(kē)氏力。由 B稱的配(pèi)置在兩邊(biān)呈現出相(xiang)同數值但(dan)不同符号(hao)的科💋氏力(lì)💰。在流體流(liu)動時，由于(yu)力矩的作(zuo)用，導緻測(cè)量管道沿(yán) B-B\'軸産(chǎn)生一個附(fu)加的扭曲(qǔ)運 B動(dong)。在入口段(duàn)和出口段(duàn)分别安裝(zhuāng)傳感器 S1和 S2檢測管道(dao)沿 A-A\'和(hé) B-B\'軸的(de)位移量。信(xìn)号過零點(dian)的時間差(cha)事管道扭(niu)曲的檢測(ce)📧量⛱️，它與⭐通(tong)過管道的(de)質量流量(liàng)成正比。
科氏質(zhì)量流量計(jì)原理的結(jie)構

1.4.3 單(dan)直管流量(liang)計的測量(liang)原理  
兩端拉緊(jǐn)固定的測(cè)量管道是(shì)直徑 d和長度 l的钛合(he)金管。由安(an)裝在管道(dao)中間的振(zhèn)動裝置以(yi)一階模式(shi)方🐪式産生(sheng)振動。工作(zuo)頻率 fB=ωB/2π接近于一(yi)階頻率。在(zai)傳感器檢(jiǎn)測位置 ±z=±l/3處，振動(dong)幅度調整(zhěng)約爲 x±m（ ±z）。如果(guǒ)流體質量(liang)元 m以(yǐ)速度 v流過由角(jiao)速度 ω振動的管(guǎn)道，那麽這(zhè)質量元就(jiu)會在管壁(bì)上産生科(kē)氏力，即 FC=2mv×ω在管道(dào)的前後半(ban)段上，除了(le)一階諧振(zhen)外，還産生(sheng)作用力方(fang)形相㊙️反的(de)二階模式(shì)振動。一階(jiē)和二階模(mo)式㊙️振動的(de)疊加在時(shí)間上産生(shēng) 90°的相(xiang)移。因此，當(dang)管道中存(cún)在質量流(liu)量時，測量(liang)管道産生(sheng)🍉擺動運

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計的(de)測量原理(li)  

雙直(zhí)管質量流(liu)量計有 2根測量(liang)管道、優化(huà)的流速分(fen)配器、 4個位移傳(chuán)感器和 2個電磁(ci)式振蕩驅(qū)動器組成(chéng)。其原理是(shi)： 2個電(diàn)磁式振蕩(dàng)驅動器以(yi)諧振頻率(lü)使兩根測(ce)量管道同(tong)步的相向(xiàng)振動。每個(gè)電磁式驅(qū)動器兩邊(biān)的對稱位(wei)置各安裝(zhuāng)有一個位(wèi)移檢測傳(chuan)感器用于(yú)測量科氏(shi)力㊙️效應。當(dang)沒有介質(zhi)流過♋測量(liàng)管🌈道時，測(ce)量管道處(chù)于自然諧(xié)振狀态。 2個位移(yí)傳感器所(suo)測到的位(wei)移正弦信(xin)号無相位(wei)差。 當(dang)有介質流(liú)過時，由于(yu)有科氏力(lì) FC的作(zuo)用，測量管(guǎn)道有微小(xiǎo)的變形，從(cong)而使 2個位移傳(chuán)感器有相(xiàng)位偏差。該(gai)相位偏差(chà)與科氏力(li)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻 FC成正(zhèng)比，即與流(liu)過測量管(guǎn)道的質量(liang)流量成正(zhèng)比。相當于(yú)🐅 2個單(dan)直管質量(liàng)流量計軸(zhóu)向對稱地(dì)同步工作(zuo)。  

2 科氏(shì)質量流量(liang)計的優缺(quē)點  

2.1 科(ke)氏質量流(liú)量計的優(you)點  

時(shí)間差與測(ce)量效應成(cheng)線性關系(xi)；直接測量(liàng)質量流量(liàng)；測量儀還(hái)可附加檢(jian)測流體密(mì)度 ρ 和(hé)介質溫度(du) T ；測量(liang)結果有很(hěn)高的精度(dù)（典型的精(jīng)度：質量流(liú)量爲 ±0.1%+ 末端值的(de) ±0.005% ；密度(dù) ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲(wèi) ±0.05%+5℃ ）；測量結果(guǒ)與壓力和(he)溫度無關(guān)；測量結果(guo)與流體的(de)⭐性能（密🆚度(dù)⁉️、黏㊙️度、電導(dao)率和熱導(dǎo)率）無關；測(cè)量結果與(yǔ)流速分布(bu)無關，即不(bu)需要特殊(shū)的入口引(yin)導管道，流(liú)量計能測(ce)量真正的(de)質量流量(liàng)😘平均值；出(chu)口端不需(xu)🌐要施加反(fǎn)壓力，也就(jiù)不需要出(chu)口引導導(dǎo)管；安裝位(wèi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻置可以任(ren)意選擇；可(ke)進行雙向(xiang)測量；所有(yǒu)可加壓力(lì)的介質都(dōu)能測量，如(ru)液态和氣(qì)态介質，特(tè)别是受污(wū)染有腐蝕(shí)✌️性的介🧑🏽‍🤝‍🧑🏻質(zhi)。  

2.2 科氏(shi)流量計的(de)缺點  

除了上述(shu)大量優點(dian)外，同樣也(ye)存在不足(zu)，如：流量計(ji)價格貴，複(fu)雜幾何形(xíng)狀的測量(liang)管道使壓(ya)力損耗增(zeng)大；除單直(zhí)管外，有些(xie)流量計彎(wān)頭較多，很(hen)難清洗，而(er)且自行排(pai)空能力差(chà)；測量管道(dào)的材料😘與(yǔ)被測介質(zhi)‼️要注意它(ta)們的相容(róng)性；可測量(liàng)zui大的流量(liang)限制爲 680T/h ；強烈的(de)振動和沖(chòng)擊會影響(xiǎng)流量計的(de)機械裝置(zhì)，嚴🧑🏽‍🤝‍🧑🏻重❤️時産(chan)生較大的(de)測量誤差(chà)；有些流量(liang)計的安裝(zhuang)受到安裝(zhuāng)規程的限(xiàn)制；采用流(liu)量分配器(qì)的流量計(ji)，在測量不(bú)均勻的介(jiè)質時，會産(chan)生🌏較大的(de)🙇‍♀️測量誤差(cha)；測量高黏(nian)度介質要(yào)求附加激(jī)勵能量和(he)需要特殊(shū)的标定等(děng)。  

3 科氏(shì)質量流量(liang)計在氣液(yè)兩相測量(liàng)中的應用(yong)  

科氏(shì)質量流量(liàng)計的應用(yòng)已遍及幾(jǐ)乎所有工(gōng)業領域🔞。主(zhǔ)要✨原因是(shì)高精度和(he)大量程，這(zhe)是大多數(shu)其他流量(liàng)測量方法(fǎ)所沒有的(de)。通常科氏(shi)質量流量(liang)計的精度(du)如下：  

液體： ±0.10%（示值相對(dui)誤差） ± 零點的穩(wěn)态值。  

氣體： ±0.50%（示值相對(dui)誤差） ± 零點的穩(wen)态值。  

3.1 丙烯氣液(ye)兩相流量(liàng)測量技術(shu)參考  

丙烯（ propylene）常溫下爲(wei)無色、無臭(chòu)、稍帶有甜(tian)味的氣體(tǐ)。分子量 42.08，在标準(zhǔn)大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點(diǎn) -47.4℃ 。丙烯在輸(shū)送和儲存(cun)中必須進(jin)行加壓處(chu)理，另外，這(zhè)種流體🍓的(de)流量測量(liàng)中容易因(yin)儀表的壓(yā)力損失而(ér)在流量計(ji)😘的出口處(chù)産生💯氣穴(xué)和伴随而(ér)來的氣蝕(shí)現象，引起(qǐ)流量✏️計示(shì)值偏高和(hé)流量一次(cì)裝置受損(sun)💋。  

3.2 丙烯(xi)流量測量(liang)系統誤差(chà)的生成與(yǔ)處理  

在輸送過(guo)程中當溫(wēn)度将降低(dī)或由于調(diao)節閥突然(ran)關小導緻(zhi)管道内壓(yā)力增加時(shí)，丙烯會處(chu)于氣液兩(liǎng)相狀态。此(ci)時，丙烯氣(qi)液混合物(wu)密度相應(ying)會發生變(biàn)🥵化，因而給(gěi)質量流量(liang)計測量帶(dài)來誤差。誤(wu)差可以通(tong)過密度補(bu)償來處理(li)。  

一常(cháng)用壓力爲(wei) 1.0MPa 的丙(bǐng)烯氣體，其(qi)流量爲 qm，假設經(jing)長距離輸(shū)送後有 10%qm冷凝成(cheng)液态，令其(qi)爲 qml，而(ér)保持氣态(tai)的部分爲(wèi) qms，從定(ding)義知，此時(shi)濕氣的幹(gàn)度爲

采用溫度(du)補償，所以(yǐ)按照臨界(jie)飽和狀态(tài)查表，得到(dào)此時的丙(bing)烯氣體密(mì)度爲 ρs，液體密度(dù)爲 ρL，顯(xiǎn)然液體與(yu)氣體部分(fèn)的體積流(liu)量爲

式中 qvl表示丙烯(xī)液體的體(tǐ)積流量， m3/s； qvs表(biao)示丙烯氣(qì)體部分的(de)體積流量(liàng)， m3/s。  

由定義知(zhī)，氣體幹部(bù)分流量占(zhan)氣液兩相(xiàng)總體積流(liu)量 qv之(zhi)比 Rv爲(wei)

因爲(wèi)

所以(yi)

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此可見(jian)，在氣液混(hun)合中，液體(ti)部分占的(de)體積基本(běn)可以忽略(lue)不計。  

另外，爲了(le)避免丙烯(xi)流量測量(liàng)時出現氣(qì)液兩相混(hun)合現象，選(xuan)✉️用下面的(de)設計和安(an)裝方法将(jiāng)是有效的(de)。  

3.2.1 選用(yong)更的儀表(biǎo)  

近年(nian)來，科氏力(lì)流量計的(de)制造技術(shu)獲得了快(kuai)速發展，例(li)如 CMF100傳(chuan)感器與 2700變送器(qi)配用，測量(liàng)液體時，流(liú)體的質量(liang)流量度可(kě)達流🔞量🥰值(zhi)的 ±0.05%，而(ér)且已延伸(shēn)到氣體流(liu)量的測量(liang)。應用上述(shu)配置的流(liu)量計測量(liàng)氣體質量(liàng)流量，度可(kě)達流量值(zhi)的 ±0.35%。并(bìng)且能直接(jie)顯示質量(liàng)流量。  

3.2.2 合理選擇(ze)安裝位置(zhi)  

流量(liang)傳感器安(ān)裝位置應(yīng)選擇在槽(cao)的頂部出(chu)口管道上(shàng)。保證直管(guǎn)段的前提(tí)下，與槽的(de)出口處盡(jin)量近些。這(zhe)樣，丙烯在(zai)輸送☂️過程(chéng)中，可減少(shao)經輸送管(guan)道從💔大氣(qi)中吸收熱(re)量。同時🆚，安(ān)裝位置應(ying)盡量低些(xiē)，這樣可提(tí)高過💃🏻冷深(shēn)度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安(ān)裝在流量(liàng)計後邊  

丙烯中(zhōng)間槽與丙(bing)烯分離器(qì)之間有較(jiào)大壓差，此(cǐ)壓差絕大(da)✉️部分降落(luo)在調節閥(fa)上。丙烯流(liu)過此閥時(shi)，壓力突⭕然(rán)升高，一定(ding)數量的氣(qì)體液化，從(cong)而出現氣(qì)液💁兩相流(liu)。爲了避免(mian)流過流量(liang)計📱的流體(ti)中存在兩(liang)相流，節流(liú)閥必須裝(zhuāng)在🐕流量計(ji)下🚶‍♀️遊。  

3.3 提高丙烯(xi)流量測量(liàng)度的方法(fǎ)  

大部(bù)分質量流(liu)量計制造(zao)商以 “量程誤差(cha)加零點不(bu)穩定度 ”的方式(shi)表達基本(běn)誤差，這是(shì)因爲這種(zhong)儀表零點(dian)穩🌂定⭐性較(jiao)差。這種表(biao)達方式初(chū)看上去度(du)很高，但計(ji)入零點不(bú)穩定度💰後(hou)，度并不那(nà)麽高。  

零點不穩(wěn)定性通常(cháng)以 %FS表(biao)示，也有以(yi)流量值 kg/min表示，零(líng)點不穩定(ding)度一般在(zai) ±（ 0.01~0.04） %FS之間(jian)。當流量爲(wèi)下限流量(liàng)時，因零點(dian)不穩定性(xìng)引入的誤(wù)差是很🌈可(kě)觀的，所以(yi)儀表選用(yong)時，應将口(kou)徑選⭐得盡(jìn)可能小一(yī)些，這樣可(ke)将零點不(bú)穩定度的(de)數值減小(xiao)，提高實際(ji)⛹🏻‍♀️得到的測(ce)量度。  

參考文獻(xiàn)  
[1]張可(ke)欣 .城(chéng)鎮供水排(pai)水行業流(liú)量計量儀(yí)表的選型(xing)與應用💋技(jì)術 [M].北(běi)京：中國建(jian)築工業出(chu)版社， 2010， 5. 
[2]梁國(guó)偉 蔡(cai)武昌 .流量測量(liàng)技術及儀(yi)表 [M].北(bei)京：機械工(gong)業出版社(shè)， 2002， 5. 
[3]紀綱 .流量測量(liang)儀表應用(yong)技巧 [M].北京：化學(xue)工業出版(bǎn)社， 2009， 7. 
[4]鄭德智(zhì)，樊尚春，刑(xíng)維魏 .科氏質量(liàng)流量計相(xiàng)位差檢測(cè)新方法 [J].儀器儀(yi)表學報， 2005， 26(5).(end)