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(liang)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(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(ti)等。水流量的測量(liang)難🈲度🧡不高，不同原(yuán)理的流量計大多(duō)數都可以測量水(shuǐ)的容量，但也不是(shi)🏃🏻‍♂️随便裝一台就肯(kěn)定能用好的。這是(shì)因爲水的🤞潔淨程(cheng)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(you)一定的黏稠度，因(yin)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(xū)要過濾；液化氣體(tǐ)屬于高飽和蒸氣(qì)壓液體🚩，測量時必(bi)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(wo)輪流量計👌、容積式(shi)流量計、科氏質量(liàng)流量計等。  
1.3 氣(qi)液多相流體的測(cè)量方法  
氣液(yè)兩相流體的流量(liàng)測量從制造商的(de)資料可看出🌍，有幾(ji)種儀表可用來測(cè)量離散相濃度不(bú)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(mu)前使用的🔴流量計(ji)🐅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(ding)♈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(chu)，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(liàng)儀器有：電磁流量(liang)計、科氏力質量流(liu)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(shi)加速度作用産生(shēng)科氏力。該加速度(dù)是法國🔴工程師科(kē)❗裏奧利斯在研究(jiu)水輪機的機械理(li)論時發現的。科氏(shi)力，是對☎️旋轉體系(xì)中進行直線運動(dòng)的質點由🈲于慣性(xing)相對于旋轉體系(xì)産生💯的直線運動(dong)🔞的偏移的一種描(miáo)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(yán)著原有運動方向(xiàng)繼續運動的趨勢(shi)，但是由于體系本(ben)📞身是旋轉的，在♈經(jing)曆了一段時間的(de)運動之後，體系中(zhong)質點的位置會有(yǒu)所變🤩化，而它🚩原有(yǒu)的運動👨‍❤️‍👨趨勢的方(fang)向，如果以旋轉體(ti)系的視角去觀察(cha)，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(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(zhì)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(ji)算公式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科裏奧(ào)利力； m爲質點(diǎn)的質量； Vr爲相(xiàng)對于靜止參考系(xì)質點的運動速度(du)（矢量）； ω爲旋轉(zhuan)體系的角速度（矢(shǐ)量）； ×表示兩個(ge)向量的外積符号(hào)（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足右手(shǒu)螺旋定則）。  
1.4.2 彎(wān)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(ke)氏力🌈能直接用于(yú)質量流量的測量(liang)。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(yán)該軸的一個旋轉(zhuǎn)參考系統。如果在(zai)入口段觀察一小(xiǎo)團流體，那麽它的(de)質量元流出固定(dìng)端。該質量元⭕随管(guan)道半徑逐漸增大(da)而作圓弧軌迹運(yun)動。當彎管向上運(yùn)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(chǎn)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(ke)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(yi)個附加的扭曲運(yun) B動。在入口段(duan)和出口段分别安(ān)裝傳感器 S1和(he) 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(guan)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(gòu)

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(zhí)徑 d和長度 l的钛合金管。由(you)安裝在管道中間(jiān)的振動裝置以一(yī)階模式方式産生(shēng)振動。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一階頻(pín)率。在傳感器檢測(cè)位置 ±z=±l/3處，振動(dòng)幅度調整約爲 x±m（ ±z）。如果流體(ti)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(hòu)半段上，除了一階(jie)諧振外，還産生作(zuo)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(jiān)上産🔞生 90°的相(xiàng)移。因此，當管道中(zhōng)存在質量流量時(shi)，測量管道産生擺(bǎi)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(hua)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(chéng)。其原理是： 2個(gè)電磁式振蕩驅動(dòng)器以諧振頻率使(shǐ)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(zhì)各安裝🐉有一個位(wèi)移檢測傳感器用(yong)于測量💋科氏力效(xiao)應。當沒有介質流(liú)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(guǎn)道有微小的變形(xing)，從而使 2個位(wei)移傳感器有相位(wèi)偏差。該相位偏差(cha)與科氏力 FC成(chéng)正比，即與流過測(ce)量管道的質量流(liu)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(liàng)儀還可附加檢測(ce)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(dù)：質量流量爲 ±0.1%+ 末端值的 ±0.005% ；密(mì)度 ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測(ce)量結果與壓力和(he)溫度無關；測量結(jié)果與流體的性能(néng)（密度☀️、黏度、電導率(lü)和熱導率）無關；測(ce)量結果與🌂流速分(fen)布無關，即不🧡需要(yào)特殊的入口引導(dǎo)管道，流量計能測(ce)量真正的質量流(liú)量平均值；出口端(duan)不需要施加反壓(yā)力，也就不需要出(chū)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(li)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(zú)，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(jì)彎頭較多，很難清(qing)洗，而且自行排空(kōng)能力差；測量管道(dào)的材料與被測介(jiè)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(liu)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(shí)，會産生較大的🐇測(cè)量誤差；測量高黏(nián)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(ce)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(liang)測量方法所沒有(you)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(shì)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(cān)考  

丙烯（ propylene）常溫下爲無色、無(wu)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(liú)體的流量測量中(zhong)容易因儀表的壓(yā)力損失而在流量(liàng)計的出💛口處産生(sheng)💁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(liu)量測量系統誤差(chà)的生成與處理  

在輸送過程中(zhong)當溫度将降低或(huò)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(yīn)而給質量流量計(ji)測量帶來誤差。誤(wu)差可以通過密度(dù)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(hou)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(dù)補償，所以按照臨(lín)界飽和狀态查表(biǎo)，得到此時的丙烯(xī)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(liàng)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(zǒng)體積流量 qv之(zhī)比 Rv爲

因(yin)爲

所以

在該例中， Rv=99.93%，由(yóu)此可見，在氣液混(hùn)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(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(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(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(ti)質量流量，度可達(da)流量值的 ±0.35%。并(bìng)且能直接顯示質(zhi)量流量。  

3.2.2 合理(lǐ)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(sòng)過程中，可減少經(jīng)輸送管道從大氣(qi)中🏃🏻吸收熱量。同時(shi)，安裝位置應盡量(liàng)低些，這樣可提高(gao)過冷深度。  

3.2.3 将(jiāng)調節閥安裝在流(liu)量計後邊  

丙(bǐng)烯中間槽與丙烯(xī)分離器之間有較(jiao)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(wei)了避免流過流量(liàng)計的流體中存在(zài)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(zhi)量流量計制造商(shang)以 “量程誤差(cha)加零點不穩定度(dù) ”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(hou)，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(wen)定度一般在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲下限流量(liang)時，因零點不穩定(dìng)性引入的誤差是(shi)很💔可觀的，所以儀(yí)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。  

參考文獻  
[1]張可欣 .城鎮(zhen)供水排水行業流(liu)量計量儀表的選(xuǎn)型與應用技術 [M].北京：中國建築(zhu)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(liàng)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(kē)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)