質量流(liú)量計在(zai)氣液兩(liang)相測量(liang)中的應(ying)用分析(xī)

1 常見(jian)流體的(de)測量方(fāng)法  
1.1氣體流(liú)量的測(ce)量方法(fa)  
需(xū)要測量(liàng)流量的(de)氣體種(zhǒng)類繁多(duō)，其測量(liàng)的儀器(qì)儀表也(ye)有🤩很大(dà)的差别(bié)。以天然(ran)氣流量(liàng)的測量(liang)爲例：目(mu)🔞前，天然(rán)氣貿易(yì)計量分(fen)爲體積(ji)計量、質(zhi)量計量(liang)和能量(liang)計量 3種，工(gong)業發達(da)國家質(zhì)量計量(liàng)和能量(liàng)計量兩(liǎng)種方法(fa)都☁️在使(shǐ)用，而🌈我(wǒ)國目前(qian)基本上(shang)以體積(jī)計量爲(wei)主。  
1.2 液體流(liu)量的測(cè)量方法(fa)  
常(chang)見的液(ye)體有水(shui)、石油、液(yè)化氣體(tǐ)等。水流(liu)量的測(ce)量難度(dù)⛹🏻‍♀️不高，不(bu)同原理(li)的流量(liàng)計大多(duō)數都可(ke)以測量(liang)水的容(róng)量，但也(ye)♋不是随(sui)便裝一(yī)台就肯(kěn)定能用(yòng)好的㊙️。這(zhè)是因爲(wèi)水的潔(jié)淨程度(du)不同，流(liú)體工🈲況(kuang)條件各(gè)異，流量(liang)測量❗的(de)範圍就(jiu)❤️會出現(xian)懸殊；石(shi)油具有(you)一定的(de)黏稠度(dù)，因此不(bú)同黏度(du)的石油(you)産品所(suo)🈲選擇的(de)計量儀(yi)器不同(tong)，高黏度(du)油品如(ru)原油、重(zhong)油、渣油(you)，爲了便(bian)于輸送(song)，往往😘被(bèi)加熱到(dào)較高🚶‍♀️的(de)溫度。流(liu)體中含(han)有固态(tài)✊雜質，測(cè)量前還(hai)需要過(guo)濾；液化(hua)氣體屬(shu)于高飽(bǎo)和蒸㊙️氣(qi)壓液體(tǐ)，測量時(shi)必須考(kao)慮氣化(huà)的問題(ti)，因此使(shǐ)用😄的流(liú)量計也(ye)比較特(te)殊，如渦(wō)街流量(liang)計、渦✂️輪(lun)流量計(jì)♊、容積式(shì)流量🌈計(jì)、科氏質(zhì)量流量(liang)計等。  
1.3 氣液(ye)多相流(liú)體的測(cè)量方法(fǎ)  
氣(qi)液兩相(xiang)流體的(de)流量測(ce)量從制(zhì)造商的(de)資料可(kě)看出🐉，有(you)幾種儀(yí)表可用(yong)來測量(liàng)離散相(xiang)濃度不(bú)高的兩(liang)相流體(tǐ)的流量(liàng)，在實際(ji)應用中(zhong)也有一(yī)些成功(gōng)應用的(de)實例，但(dan)目前使(shǐ)用的✏️流(liú)量計都(dōu)是在單(dān)相流動(dòng)狀🔅态下(xià)評定其(qí)測量性(xìng)能，現在(zài)還沒有(you)以單相(xiàng)流标定(ding)🔞的流量(liang)計用來(lai)測量兩(liǎng)相流時(shí)系統變(bian)化的評(píng)定标準(zhǔn)，因此這(zhè)樣的🛀應(yīng)用究竟(jing)帶來✊多(duo)大的誤(wù)差還不(bu)很清楚(chǔ)，僅有👨‍❤️‍👨一(yī)些零星(xīng)的數據(jù)和一些(xie)定性的(de)分析。常(cháng)用的氣(qi)液兩相(xiàng)流量測(cè)量儀器(qì)有：電磁(ci)流量計(ji)、科氏力(lì)質量流(liú)量計、超(chao)聲流量(liang)計等。  
1.4 科氏(shi)質量流(liú)量計的(de)測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏力(li)的形成(chéng)  
由(you)科氏加(jiā)速度作(zuo)用産生(sheng)科氏力(lì)。該加速(sù)度是法(fǎ)國工程(chéng)師⛷️科🌈裏(li)奧利斯(si)在研究(jiu)水輪機(ji)的機械(xie)理論時(shi)發現的(de)。科氏力(li)，是對旋(xuan)轉體系(xì)中進行(háng)直線運(yun)動的質(zhi)點由🐪于(yu)慣性相(xiang)對于旋(xuan)轉體系(xi)産生的(de)直線運(yùn)動💋的偏(pian)移的一(yī)種描述(shù)，科裏奧(ao)利力來(lai)自于物(wù)體運動(dong)⚽所具有(yǒu)的慣性(xìng)。  
在(zài)旋轉體(tǐ)系中進(jin)行直線(xian)運動的(de)質點，由(yóu)于慣性(xing)，有沿著(zhe)原有運(yun)動方向(xiàng)繼續運(yun)動的趨(qu)勢，但是(shì)由于體(ti)系本身(shen)是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)曆📞了一(yī)段時間(jian)的運動(dòng)之後，體(ti)系中質(zhi)點的位(wèi)置會有(yǒu)所變化(huà)，而它原(yuan)有的運(yun)動趨勢(shì)的方向(xiang)，如果以(yi)旋轉體(tǐ)系的視(shì)角去觀(guān)察，就會(hui)發生一(yī)定程度(du)的偏離(li)。  
當(dang)一個質(zhi)點相對(dui)于慣性(xing)系做直(zhí)線運動(dong)時，相對(dui)于‼️旋轉(zhuan)體系，其(qí)軌迹是(shi)一條曲(qu)線。立足(zu)于旋轉(zhuan)體系，我(wo)們認爲(wei)有一個(ge)💜力驅使(shi)質點運(yun)動軌迹(ji)形成曲(qǔ)線，這個(ge)力就💁是(shi)科裏✂️奧(ao)利力🌏。  
科裏(li)奧利力(lì)的計算(suan)公式爲(wèi)： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科裏(li)奧利力(lì)； m爲(wei)質點的(de)質量； Vr爲相(xiàng)對于靜(jing)止參考(kǎo)系質點(dian)的運動(dòng)速度（矢(shǐ)量）； ω爲旋轉(zhuan)體系的(de)角速度(dù)（矢量）； ×表示(shì)兩個向(xiang)量的外(wai)積符号(hào)（ Vr×ω：大(dà)小等于(yu) v·ω·sinθ，，方(fang)向滿足(zú)右手螺(luo)旋定則(zé)）。  
1.4.2 彎(wān)管流量(liàng)計的原(yuán)理  
原理上(shàng)，當被測(cè)介質通(tong)過振動(dong)的測量(liàng)管道時(shí)，科氏力(lì)能🤞直接(jie)用于質(zhi)量流量(liàng)的測量(liàng)。測量管(guǎn)道經常(cháng)呈 U形如圖(tú)所示。管(guan)道用剛(gāng)性固定(dìng)件支撐(chēng)，并經激(jī)勵器 E沿 A-A\'軸産(chan)生振動(dòng)，形成沿(yán)該軸的(de)一個旋(xuan)轉參考(kǎo)系統。如(rú)果在⛹🏻‍♀️入(ru)口段觀(guan)察一小(xiao)團流體(ti)，那麽它(ta)的質量(liàng)元流出(chū)固定端(duan)。該質量(liàng)元随管(guan)道半徑(jìng)逐漸增(zeng)大而作(zuo)圓🔴弧軌(guǐ)迹運動(dong)。當彎管(guǎn)向上運(yun)動時，形(xíng)成一個(ge)方向朝(chao)下的科(kē)氏力。同(tóng)時，觀察(chá)出口段(duàn)的狀态(tài)，質量元(yuan)流入固(gu)定端。同(tóng)樣産生(shēng)一個方(fang)向朝上(shang)的科㊙️氏(shi)力。由 B稱的(de)配置在(zài)兩邊呈(cheng)現出相(xiàng)同數值(zhi)但不同(tong)符号的(de)科氏力(li)㊙️。在流體(ti)流動時(shí)，由于力(li)矩的作(zuò)用，導緻(zhi)測量管(guǎn)道沿 B-B\'軸産(chan)生一個(gè)附加的(de)扭曲運(yùn) B動(dong)。在入口(kǒu)段和出(chu)口段分(fen)别安裝(zhuāng)傳感器(qi) S1和(he) S2檢(jian)測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wèi)移量。信(xìn)号過零(líng)點的時(shi)間差事(shì)管道扭(niǔ)曲的檢(jiǎn)測量，它(tā)🚶‍♀️與通過(guò)管道的(de)質量流(liu)量成正(zhèng)比。
科氏質(zhi)量流量(liàng)計原理(li)的結構(gou)

1.4.3 單(dan)直管流(liu)量計的(de)測量原(yuán)理  
兩端拉(la)緊固定(dìng)的測量(liàng)管道是(shì)直徑 d和長(zhǎng)度 l的钛合(hé)金管。由(you)安裝在(zài)管道中(zhong)間的振(zhèn)動裝置(zhì)以一階(jie)模式方(fāng)式産生(shēng)振動。工(gōng)作頻率(lü) fB=ωB/2π接(jie)近于一(yī)階頻率(lǜ)。在傳感(gan)器檢測(cè)位置 ±z=±l/3處，振(zhèn)動幅度(du)調整約(yue)爲 x±m（ ±z）。如(rú)果流體(tǐ)質量元(yuan) m以(yi)速度 v流過(guò)由角速(su)度 ω振動的(de)管道，那(nà)麽這質(zhì)量元就(jiù)會在管(guǎn)壁上産(chǎn)生科氏(shì)力🥵，即♻️ FC=2mv×ω在管(guan)道的前(qian)後半段(duàn)上，除了(le)一階諧(xié)振外，還(hái)産生作(zuò)用力👉方(fang)形相反(fǎn)的二階(jie)模式振(zhen)動。一階(jiē)和二階(jiē)模式振(zhèn)動的疊(die)加在💞時(shi)間🧑🏾‍🤝‍🧑🏼上産(chan)生 90°的相移(yí)。因此，當(dāng)管道中(zhong)存在質(zhi)量流量(liang)時，測量(liang)管道産(chǎn)生擺💚動(dong)運

1.4.4 雙直管(guan)流量計(jì)的測量(liang)原理  

雙直(zhi)管質量(liang)流量計(ji)有 2根測量(liàng)管道、優(you)化的流(liu)速分配(pèi)器、 4個位移(yi)傳感器(qi)和 2個電磁(cí)式振蕩(dàng)驅動器(qi)組成。其(qi)原理是(shì)： 2個(gè)電磁式(shì)振蕩驅(qu)動器以(yi)諧振頻(pin)率使兩(liǎng)根測量(liang)管道同(tong)步的相(xiàng)向振動(dòng)。每個電(diàn)磁式驅(qū)動器兩(liǎng)邊的對(duì)稱位置(zhì)各🔞安裝(zhuāng)有一個(gè)位💚移檢(jiǎn)測傳感(gan)器用于(yú)測量科(kē)氏力效(xiào)應。當沒(méi)有介質(zhì)流過測(ce)量管道(dào)時，測量(liàng)管道處(chù)于自然(rán)諧振狀(zhuang)态。 2個位移(yi)傳感器(qì)所測到(dào)的位移(yi)正弦信(xin)号無相(xiàng)位差。 當有(you)介質流(liu)過時，由(yóu)于有科(ke)氏力 FC的作(zuo)用，測量(liang)管道有(yǒu)微小的(de)變形，從(cong)而使 2個位(wei)移傳感(gan)器有相(xiang)位偏差(cha)。該相位(wèi)偏差與(yu)科氏力(li) FC成(cheng)正比，即(jí)與流過(guo)測量管(guǎn)道的質(zhì)量流量(liang)成正比(bǐ)。相當于(yú) 2個(gè)單直管(guǎn)質量流(liú)量計軸(zhóu)向對稱(cheng)地同步(bù)工作。  

2 科氏(shì)質量流(liú)量計的(de)優缺點(dian)  

2.1 科(kē)氏質量(liàng)流量計(ji)的優點(dian)  

時(shi)間差與(yu)測量效(xiao)應成線(xiàn)性關系(xi)；直接測(cè)量質量(liàng)流🤩量；測(ce)量儀還(hai)🔴可附加(jiā)檢測流(liú)體密度(du) ρ 和(he)介質溫(wen)度 T ；測量結(jie)果有很(hen)高的精(jīng)度（典型(xíng)的精度(dù)：質量流(liu)量爲 ±0.1%+ 末端(duān)值的 ±0.005% ；密度(du) ρ爲(wèi) ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結(jie)果與壓(yā)力和溫(wen)度無關(guan)；測量結(jie)果與流(liú)體的性(xìng)能🔴（密度(dù)、黏🤟度、電(diàn)導率和(hé)熱導率(lü)）無關；測(cè)量結果(guǒ)與流速(su)分布無(wu)關，即不(bú)需要特(tè)殊的入(ru)口引導(dao)管道，流(liú)量計能(néng)🥵測量真(zhēn)正的質(zhì)量流量(liàng)平均值(zhi)；出口端(duān)不需要(yao)施加反(fan)壓力，也(ye)就不需(xu)要出口(kǒu)引導導(dǎo)管；安裝(zhuang)位置可(kě)以任意(yì)選擇；可(kě)進行雙(shuang)向測量(liàng)；所有可(kě)加壓力(li)的介質(zhì)都能測(cè)量，如液(yè)态和氣(qì)态介質(zhi)，特别是(shì)✍️受污染(ran)有腐蝕(shí)性的介(jiè)質。  

2.2 科氏流(liú)量計的(de)缺點  

除了(le)上述大(da)量優點(diǎn)外，同樣(yàng)也存在(zai)不足，如(ru)：流量計(jì)價🤞格貴(gui)，複⛱️雜幾(ji)何形狀(zhuang)的測量(liang)管道使(shǐ)壓力損(sǔn)耗增💛大(dà)；除單直(zhi)🌂管外，有(yǒu)些流量(liang)計彎頭(tou)較多，很(hěn)難清洗(xǐ)，而㊙️且自(zì)行排空(kong)能力差(cha)；測量管(guǎn)道的材(cai)料與被(bei)測介質(zhì)要注意(yì)它們的(de)相容性(xing)；可測量(liang)zui大的流(liú)量限制(zhi)爲 680T/h ；強烈的(de)振動和(hé)沖擊會(huì)影響流(liu)量計的(de)機械裝(zhuāng)置，嚴👨‍❤️‍👨重(zhong)時産生(sheng)⛷️較大的(de)測量誤(wu)差；有些(xie)流量計(jì)的安裝(zhuang)受到安(an)裝規程(chéng)的限制(zhi)👌；采用♋流(liú)量分配(pei)器的流(liú)量計，在(zai)🔴測量不(bú)均勻的(de)🌍介質時(shi)，會産生(sheng)較大的(de)測量誤(wu)差；測量(liang)高黏度(dù)介質要(yào)求㊙️附加(jia)激勵能(néng)量和需(xū)♉要特殊(shū)的标定(dìng)等。  

3 科氏質(zhì)量流量(liàng)計在氣(qì)液兩相(xiàng)測量中(zhong)的應用(yong)  

科(ke)氏質量(liang)流量計(jì)的應用(yong)已遍及(ji)幾乎所(suo)有工業(yè)領域💔。主(zhǔ)🏃🏻‍♂️要原♋因(yīn)💃🏻是高精(jīng)度和大(da)量程，這(zhè)是大多(duo)數其他(ta)流量測(ce)量方法(fa)所沒有(yǒu)的。通常(chang)科氏質(zhi)量流量(liang)計的精(jīng)度如下(xia)：  

液(yè)體： ±0.10%（示值相(xiang)對誤差(chà)） ± 零(ling)點的穩(wen)态值。  

氣體(ti)： ±0.50%（示(shì)值相對(dui)誤差） ± 零點(dian)的穩态(tai)值。  

3.1 丙烯氣(qì)液兩相(xiang)流量測(ce)量技術(shù)參考  

丙烯(xi)（ propylene）常(chang)溫下爲(wèi)無色、無(wú)臭、稍帶(dài)有甜味(wei)的氣體(ti)。分子量(liàng) 42.08，在(zài)标準大(dà)氣壓下(xia)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰(bing)點 -185.3℃ ，沸(fei)點 -47.4℃ 。丙(bǐng)烯在輸(shu)送和儲(chǔ)存中必(bì)須進行(hang)加壓處(chu)理，另外(wai)，這種流(liú)⁉️體的流(liú)量測量(liàng)中容易(yì)因儀表(biǎo)的壓力(li)損失而(ér)在流量(liàng)計的出(chu)口處産(chan)生氣穴(xué)和伴随(sui)而來的(de)氣蝕現(xiàn)象，引📐起(qi)流量計(jì)示值偏(piān)高和流(liu)量一次(cì)裝置受(shou)損。  

3.2 丙烯流(liu)量測量(liang)系統誤(wu)差的生(sheng)成與處(chu)理  

在輸送(song)過程中(zhōng)當溫度(dù)将降低(di)或由于(yú)調節閥(fá)突然💘關(guan)小導緻(zhì)管👌道内(nei)壓力增(zeng)加時，丙(bǐng)烯會處(chu)于氣液(yè)兩相狀(zhuàng)态。此時(shi)，丙烯氣(qì)液混合(hé)物密度(dù)相應會(huì)發生變(bian)❓化，因而(ér)給質量(liàng)流量計(jì)測量帶(dài)來誤差(cha)。誤差可(ke)以通過(guò)密度補(bu)償來處(chù)理。  

一常用(yong)壓力爲(wèi) 1.0MPa 的(de)丙烯氣(qì)體，其流(liú)量爲 qm，假設(she)經長距(ju)離輸送(song)後有 10%qm冷凝(ning)成液态(tài)，令其爲(wei) qml，而(ér)保持氣(qi)态的部(bù)分爲 qms，從定(dìng)義知，此(cǐ)時濕氣(qì)的幹度(dù)爲

采用溫(wēn)度補償(chang)，所以按(àn)照臨界(jie)飽和狀(zhuang)态查表(biao)，得到此(ci)時的丙(bing)烯氣體(ti)密度爲(wèi) ρs，液(yè)體密度(du)爲 ρL，顯然液(yè)體與氣(qì)體部分(fèn)的體積(ji)流量爲(wèi)

式(shi)中 qvl表示丙(bing)烯液體(tǐ)的體積(ji)流量， m3/s； qvs表示丙(bǐng)烯氣體(ti)部分的(de)體積流(liú)量， m3/s。  

由(yóu)定義知(zhi)，氣體幹(gan)部分流(liú)量占氣(qi)液兩相(xiang)總體積(jī)流量 qv之比(bi) Rv爲(wèi)

因(yīn)爲

所以

在該(gai)例中， Rv=99.93%，由此(ci)可見，在(zài)氣液混(hun)合中，液(yè)體部分(fèn)占的體(ti)積基本(běn)🛀🏻可以忽(hū)略不計(jì)。  

另(lìng)外，爲了(le)避免丙(bǐng)烯流量(liàng)測量時(shi)出現氣(qì)液兩相(xiang)混合現(xian)象，選用(yòng)下面的(de)設計和(hé)安裝方(fāng)法将是(shi)有效的(de)。  

3.2.1 選(xuan)用更的(de)儀表  

近年(nián)來，科氏(shì)力流量(liang)計的制(zhì)造技術(shù)獲得了(le)快速發(fa)展，例如(rú) CMF100傳(chuan)感器與(yǔ) 2700變(bian)送器配(pèi)用，測量(liang)液體時(shí)，流體的(de)質量流(liú)量度可(kě)達流💁量(liang)值的 ±0.05%，而且(qiě)已延伸(shen)到氣體(tǐ)流量的(de)測量。應(ying)用上述(shu)配置的(de)流量計(jì)測量氣(qì)體質量(liàng)流量，度(du)可達流(liú)量值的(de) ±0.35%。并(bìng)且能直(zhí)接顯示(shì)質量流(liú)量。  

3.2.2 合理選(xuǎn)擇安裝(zhuāng)位置  

流量(liang)傳感器(qì)安裝位(wèi)置應選(xuan)擇在槽(cáo)的頂部(bù)出口管(guǎn)道上。保(bǎo)證直管(guan)段的前(qian)提下，與(yǔ)槽的出(chu)口處盡(jìn)量近些(xiē)。這樣，丙(bǐng)烯在輸(shū)送過程(cheng)中，可減(jiǎn)少經輸(shū)送管道(dao)從大氣(qì)中吸收(shōu)熱量。同(tong)時，安裝(zhuāng)位置應(ying)盡量低(dī)些，這樣(yang)可提高(gao)過冷深(shen)度。  

3.2.3 将調節(jiē)閥安裝(zhuang)在流量(liàng)計後邊(biān)  

丙(bing)烯中間(jiān)槽與丙(bing)烯分離(li)器之間(jian)有較大(da)壓差，此(ci)壓差絕(jue)大部分(fen)降落在(zai)調節閥(fá)上。丙烯(xī)流過此(cǐ)閥時，壓(yā)力突❌然(ran)升高，一(yī)定數量(liang)的氣體(ti)液化，從(cong)而出現(xiàn)氣液❓兩(liang)相流。爲(wei)了避免(miǎn)流過💚流(liu)量計的(de)流體中(zhong)存在兩(liang)相流，節(jie)流閥必(bì)須裝在(zài)流量計(jì)下遊。  

3.3 提高(gao)丙烯流(liu)量測量(liang)度的方(fāng)法  

大部分(fèn)質量流(liú)量計制(zhi)造商以(yi) “量(liang)程誤差(cha)加零點(dian)不穩定(ding)度 ”的方式(shì)表達基(ji)本誤差(chà)，這是因(yīn)爲這種(zhǒng)儀表零(líng)點穩定(dìng)性較差(cha)。這🚶種表(biǎo)達方式(shi)初看上(shang)去度很(hen)高，但計(ji)入零點(dian)不穩定(ding)度後，度(dù)并不那(nà)麽高。  

零點(diǎn)不穩定(ding)性通常(chang)以 %FS表示，也(yě)有以流(liu)量值 kg/min表示(shì)，零點不(bu)穩定度(du)一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲(wèi)下限流(liu)量時，因(yin)零點不(bú)穩定性(xìng)引入的(de)誤差是(shi)很可觀(guan)的，所以(yi)儀表選(xuan)用時，應(yīng)将口徑(jìng)選得盡(jin)📱可能👄小(xiao)一些，這(zhe)樣可🚶‍♀️将(jiang)零點不(bú)穩定度(dù)的數值(zhí)減小，提(tí)高實際(ji)得到的(de)測量度(dù)。  

參(can)考文獻(xiàn)  
[1]張(zhāng)可欣 .城鎮(zhèn)供水排(pái)水行業(ye)流量計(jì)量儀表(biǎo)的選型(xíng)與應用(yòng)技術 [M].北京(jīng)：中國建(jiàn)築工業(yè)出版社(shè)， 2010， 5. 
[2]梁國(guo)偉 蔡武昌(chāng) .流(liú)量測量(liang)技術及(jí)儀表 [M].北京(jing)：機械工(gong)業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
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[4]鄭德(de)智，樊尚(shàng)春，刑維(wéi)魏 .科氏質(zhì)量流量(liàng)計相位(wèi)差檢測(ce)新方法(fa) [J].儀(yí)器儀表(biao)學報， 2005， 26(5).(end)