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

1 常見(jian)流體的(de)測量方(fang)法  
1.1氣體流(liú)量的測(cè)量方法(fa)  
需(xū)要測量(liàng)流量的(de)氣體種(zhong)類繁多(duō)，其測量(liàng)的儀器(qi)儀表也(ye)有很大(dà)的差别(bie)。以天然(rán)氣流量(liàng)的測量(liang)爲例：目(mu)前，天然(ran)氣貿易(yì)計量🔴分(fen)爲體積(jī)計量、質(zhì)量計量(liang)和能量(liang)計量 3種，工(gong)業發達(dá)國家質(zhi)量計量(liang)和能量(liang)計量兩(liǎng)種方法(fa)都在使(shi)用，而我(wo)國目前(qián)基本上(shang)以體積(jī)計量爲(wèi)主。  
1.2 液體流(liú)量的測(ce)量方法(fǎ)  
常(chang)見的液(ye)體有水(shui)、石油、液(yè)化氣體(ti)等。水流(liú)量的測(ce)量難度(dù)不高，不(bu)同原理(li)的流量(liàng)計大多(duo)數都可(kě)以測量(liàng)水的容(rong)量，但也(yě)不是💃🏻随(suí)便裝一(yi)台就肯(kěn)定能用(yòng)好的。這(zhe)是因爲(wei)水的🔴潔(jié)淨程度(du)不同🔞，流(liu)體工況(kuàng)條件各(gè)異，流量(liàng)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(du)，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(rú)原油🔅、重(zhong)油、渣油(you)，爲了便(biàn)于輸送(sòng)，往往被(bei)加熱到(dao)較高的(de)溫度。流(liú)體中含(han)有固态(tai)雜🤩質，測(cè)量前還(hái)需要過(guo)濾；液化(hua)氣體屬(shu)于高飽(bao)和蒸🈚氣(qì)壓液體(ti)，測量時(shí)必須考(kǎo)慮氣❄️化(hua)的問題(tí)，因此🆚使(shǐ)用的流(liú)量計也(yě)比較特(te)殊，如渦(wo)街流量(liang)計、渦🌈輪(lún)流量計(jì)、容積式(shì)流量計(ji)、科氏質(zhi)量流量(liang)計等。  
1.3 氣液(yè)多相流(liu)體的測(cè)量方法(fǎ)  
氣(qì)液兩相(xiàng)流體的(de)流量測(ce)量從制(zhi)造商的(de)資料可(ke)看出🈲，有(you)幾種儀(yi)表可用(yòng)來測量(liàng)離散相(xiang)濃度不(bú)高的兩(liang)相流體(ti)的流量(liàng)，在實際(jì)應👉用中(zhōng)也有一(yī)些成功(gong)應用㊙️的(de)實例，但(dan)目前使(shi)用的🏃‍♂️流(liú)量計🏒都(dōu)是在單(dān)相流動(dong)狀态下(xià)評定㊙️其(qí)測量性(xing)能，現在(zài)還⁉️沒有(yǒu)以單相(xiang)流标定(ding)的流量(liang)計用🔴來(lái)測量兩(liǎng)相流時(shí)系統變(bian)化的評(ping)定标準(zhun)，因此這(zhe)樣的應(ying)用究竟(jìng)帶來🌈多(duō)大的誤(wù)差還不(bú)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(chang)用的氣(qì)液兩相(xiàng)流量💰測(ce)量儀器(qì)有：電磁(cí)流量計(ji)、科氏力(lì)質量流(liu)量計、超(chao)聲流♻️量(liang)計等。  
1.4 科氏(shi)質量流(liu)量計的(de)測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏力(li)的形成(chéng)  
由(you)科氏加(jiā)速度作(zuò)用産生(shēng)科氏力(lì)。該加速(su)度是法(fǎ)國工程(chéng)師科裏(li)奧利斯(sī)在研究(jiu)水輪機(jī)的機械(xie)理論時(shi)🌍發現的(de)。科氏力(lì)，是對旋(xuan)轉體系(xì)中進行(háng)直線運(yùn)動的質(zhi)點由于(yú)慣性相(xiàng)對于旋(xuán)轉體🔴系(xì)産生🌈的(de)直線運(yun)動的偏(piān)移的一(yi)種描述(shù)，科裏奧(ào)利力來(lai)自于物(wu)體運動(dong)所具有(you)的慣性(xing)。  
在(zài)旋轉體(ti)系中進(jin)行直線(xian)運動的(de)質點，由(yóu)于慣性(xìng)，有沿著(zhe)原有運(yùn)動方向(xiàng)繼續運(yùn)動的趨(qū)勢，但是(shì)由于體(ti)系本身(shēn)是旋轉(zhuan)的，在經(jing)曆了一(yi)段時間(jian)的運動(dong)之後，體(ti)系中質(zhì)點的位(wèi)置會有(yǒu)所變化(huà)，而它原(yuán)有的運(yùn)動趨勢(shì)的方向(xiang)，如果以(yi)旋轉體(ti)系的視(shi)角去觀(guān)察，就會(hui)🏒發生一(yi)定程度(dù)的偏離(li)。  
當(dāng)一個質(zhi)點相對(dui)于慣性(xìng)系做直(zhi)線運動(dong)時，相對(duì)于🏃旋轉(zhuan)⛹🏻‍♀️體系，其(qí)軌迹是(shì)一條曲(qǔ)線。立足(zú)于旋轉(zhuan)體系，我(wǒ)們認爲(wèi)有一個(gè)力驅使(shǐ)質點運(yun)動軌迹(jì)形成曲(qǔ)線，這🔅個(gè)力就是(shì)科裏奧(ào)利力。  
科裏(lǐ)奧利力(li)的計算(suan)公式爲(wèi)： F=2mVr×ω 
式(shì)中 F爲科裏(lǐ)奧利力(li)； m爲(wèi)質點的(de)質量； Vr爲相(xiàng)對于靜(jing)止參考(kao)系質點(dian)的運動(dòng)速度（矢(shi)量）； ω爲旋轉(zhuǎn)體系的(de)角速度(dù)（矢量）； ×表示(shi)兩個向(xiang)量的外(wài)積符号(hào)（ Vr×ω：大(dà)小等于(yú) v·ω·sinθ，，方(fang)向滿足(zu)右手螺(luó)旋定則(zé)）。  
1.4.2 彎(wān)管流量(liang)計的原(yuán)理  
原理上(shàng)，當被測(cè)介質通(tōng)過振動(dòng)的測量(liang)管道時(shí)，科氏力(lì)能💞直接(jie)用于質(zhi)量流量(liang)的測量(liang)。測量管(guan)道經常(cháng)呈👄 U形如圖(tu)所示。管(guǎn)道用剛(gang)性固定(ding)件支撐(cheng)，并經激(ji)勵器 E沿 A-A\'軸産(chǎn)生振動(dong)，形成沿(yan)該軸的(de)一個旋(xuán)轉參考(kao)系統。如(rú)果在入(rù)口段觀(guan)察一小(xiao)團流體(tǐ)，那麽它(ta)的質量(liàng)元流出(chū)固定端(duān)。該質㊙️量(liang)元👣随管(guǎn)💋道半徑(jing)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(xing)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(yuán)流入固(gù)定端。同(tóng)樣産生(sheng)一個方(fang)向朝上(shang)的科氏(shì)力。由 B稱的(de)配置在(zai)兩邊呈(chéng)現出相(xiang)同數值(zhí)但不同(tóng)符号的(de)😘科氏🈚力(li)⭐。在流🔅體(ti)流動時(shí)，由于力(lì)矩的作(zuo)用，導緻(zhi)測量🐕管(guǎn)道沿 B-B\'軸産(chǎn)生一個(gè)附加的(de)扭曲運(yùn) B動(dong)。在入口(kǒu)段和出(chū)口段分(fen)别安裝(zhuāng)傳感器(qi) S1和(he) S2檢(jiǎn)測管道(dào)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wei)移量。信(xin)号過零(ling)點的時(shi)間差事(shì)管道扭(niǔ)曲的檢(jian)測量，它(ta)與通過(guò)管道的(de)質量流(liú)量成正(zheng)比。
科氏質(zhi)量流量(liàng)計原理(lǐ)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(lā)緊固定(ding)的測量(liàng)管道是(shì)直徑 d和長(zhang)度 l的钛合(hé)金管。由(yóu)安裝在(zai)管道中(zhōng)間的振(zhèn)動裝置(zhi)以一階(jiē)模🐕式方(fāng)式産生(shēng)振動。工(gong)作頻率(lǜ) fB=ωB/2π接(jiē)近于一(yī)階頻率(lǜ)。在傳感(gǎn)器檢測(cè)位置 ±z=±l/3處，振(zhen)動幅度(dù)調整約(yuē)爲 x±m（ ±z）。如(rú)果流體(ti)質量元(yuan) m以(yǐ)速度 v流過(guò)由角速(sù)度 ω振動的(de)管道，那(na)麽這質(zhi)量元就(jiù)會在管(guan)壁上産(chǎn)生科㊙️氏(shi)力🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，即 FC=2mv×ω在管(guan)道的前(qián)後半段(duan)上，除了(le)一階諧(xié)振外，還(hái)産生作(zuò)用力⛱️方(fang)形🈲相反(fan)的二階(jiē)模式振(zhèn)動。一階(jiē)和二階(jie)模式振(zhèn)動的疊(die)加在時(shí)間上産(chǎn)生 90°的相移(yí)。因此，當(dang)管道中(zhōng)存在質(zhì)量流量(liàng)時，測量(liàng)管道産(chǎn)生擺🔞動(dòng)運

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計(ji)的測量(liang)原理  

雙直(zhí)管質量(liang)流量計(jì)有 2根測量(liàng)管道、優(yōu)化的流(liu)速分配(pei)器、 4個位移(yi)傳感器(qi)和 2個電磁(ci)式振蕩(dang)驅動器(qi)組成。其(qi)原理是(shì)： 2個(gè)電磁式(shi)振蕩驅(qu)動器以(yi)諧振頻(pín)率使兩(liang)根測量(liang)管✍️道同(tóng)步的相(xiang)向振動(dong)。每個電(dian)磁式驅(qu)動器兩(liǎng)邊的對(duì)稱位置(zhì)各安裝(zhuang)有一🈚個(ge)位移檢(jiǎn)測傳感(gǎn)器用于(yú)測量科(kē)氏力效(xiào)應。當沒(méi)有介質(zhi)流過⭐測(cè)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(yí)傳感器(qi)所測到(dao)的位移(yí)正弦信(xin)号無相(xiàng)位差。 當有(you)介質流(liu)過時，由(you)于有科(ke)氏力 FC的作(zuo)用，測量(liang)管道有(you)微小的(de)變形，從(cóng)而使 2個位(wei)移傳感(gǎn)器有相(xiang)位偏差(cha)。該相位(wei)偏差與(yu)科氏力(lì) FC成(chéng)正比，即(ji)與流過(guò)測量管(guan)道的質(zhi)量流量(liàng)成正比(bǐ)。相當于(yú) 2個(ge)單直管(guǎn)質量流(liu)量計軸(zhou)向對稱(chēng)地同步(bu)工作。  

2 科氏(shi)質量流(liu)量計的(de)優缺點(diǎn)  

2.1 科(ke)氏質量(liang)流量計(jì)的優點(diǎn)  

時(shí)間差與(yǔ)測量效(xiào)應成線(xiàn)性關系(xi)；直接測(cè)量質量(liàng)流量；測(cè)量儀還(hai)可附加(jia)檢測流(liú)體密度(dù) ρ 和(hé)介質溫(wen)度 T ；測量結(jie)果有很(hen)高的精(jing)度（典型(xing)的精度(dù)：質量流(liu)量爲 ±0.1%+ 末端(duān)值的 ±0.005% ；密度(dù) ρ爲(wèi) ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結(jie)果與壓(ya)力和溫(wen)度無關(guān)；測量結(jie)果與流(liú)體的👈性(xing)能💋（密度(du)、黏度、電(dian)導率和(he)熱導率(lü)）無關；測(ce)量結果(guǒ)與流速(su)🙇🏻分布無(wú)關，即不(bú)👈需要特(tè)殊的入(ru)口引導(dao)管道，流(liu)量計能(neng)測量真(zhen)☀️正的質(zhi)㊙️量流量(liàng)平均值(zhí)；出口端(duān)不需要(yao)施加反(fan)壓力，也(ye)就不需(xū)要出口(kou)引導導(dao)🏒管；安裝(zhuāng)位置可(kě)以任意(yì)選擇；可(kě)進行雙(shuang)向測量(liang)；所有可(kě)加壓力(li)的介質(zhì)都能測(cè)量，如液(yè)态和氣(qi)💯态介質(zhì)，特别是(shi)受污染(rǎn)有腐蝕(shí)性的介(jie)質。  

2.2 科氏流(liu)量計的(de)缺點  

除了(le)上述大(dà)量優點(diǎn)外，同樣(yàng)也存在(zài)不足，如(rú)：流量計(jì)價格貴(guì)，複雜幾(jǐ)何形狀(zhuang)的測量(liang)管道使(shǐ)壓力損(sun)耗增大(dà)；除單直(zhí)管外，有(you)些流量(liàng)計彎頭(tou)較多，很(hen)難清洗(xǐ)，而且自(zì)行排空(kōng)能🔱力差(chà)；測量管(guan)道的材(cái)料⛷️與被(bèi)測介質(zhi)要注意(yi)它💰們的(de)相容性(xing)；可測量(liàng)zui大的流(liú)量限制(zhì)爲 680T/h ；強烈的(de)振動和(he)沖擊會(hui)影響流(liú)量計的(de)機械裝(zhuang)置，嚴🏃‍♂️重(zhong)時産生(shēng)較大的(de)測量誤(wù)差；有些(xiē)流量計(ji)的安裝(zhuāng)受到安(ān)裝規程(chéng)的限制(zhi)；采用流(liu)量分配(pei)器的流(liu)量計，在(zai)測量不(bú)均勻的(de)介質時(shí)，會産生(shēng)較大的(de)測量誤(wu)差；測量(liang)高黏度(du)介質要(yào)求附加(jiā)激勵💋能(neng)量和需(xu)要特殊(shū)的⭕标定(dìng)等。  

3 科氏質(zhi)量流量(liang)計在氣(qì)液兩相(xiàng)測量中(zhong)的應用(yòng)  

科(kē)氏質量(liàng)流量計(jì)的應用(yong)已遍及(ji)幾乎所(suǒ)有工業(ye)領域。主(zhu)要原因(yīn)是高精(jīng)度和大(dà)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(cháng)科氏質(zhì)量流量(liàng)計的精(jing)度如下(xia)：  

液(ye)體： ±0.10%（示值相(xiàng)對誤差(cha)） ± 零(ling)點的穩(wen)态值。  

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

3.1 丙烯氣(qì)液兩相(xiàng)流量測(cè)量技術(shu)參考  

丙烯(xi)（ propylene）常(cháng)溫下爲(wei)無色、無(wú)臭、稍帶(dai)有甜味(wei)的氣體(tǐ)。分子量(liang) 42.08，在(zài)标準大(da)氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰(bing)點 -185.3℃ ，沸(fei)點 -47.4℃ 。丙(bing)烯在輸(shū)送和儲(chu)存中必(bì)須進行(háng)加壓處(chù)理，另外(wai)，這種流(liu)體的流(liu)量測量(liàng)中容易(yi)因儀表(biǎo)的壓力(li)損失而(ér)㊙️在流量(liang)計的出(chū)㊙️口處🏃‍♂️産(chǎn)生氣穴(xué)和伴随(suí)而來的(de)氣蝕現(xian)象，引起(qǐ)流量計(ji)示值偏(piān)高和流(liú)量一次(ci)裝置受(shou)損。  

3.2 丙烯流(liu)量測量(liàng)系統誤(wù)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(yu)調節閥(fá)突然關(guān)小導緻(zhi)🧡管道内(nei)壓力增(zēng)加時，丙(bǐng)烯會處(chù)于氣液(yè)兩相狀(zhuàng)🔱态。此時(shi)，丙烯氣(qi)液混🌈合(hé)物密度(dù)相應會(huì)發生變(bian)化，因而(er)給質量(liang)流量計(jì)測量帶(dai)💋來誤差(cha)。誤差可(kě)以通過(guo)密度補(bǔ)償來處(chu)理。  

一常用(yòng)壓力爲(wei) 1.0MPa 的(de)丙烯氣(qi)體，其流(liu)量爲 qm，假設(shè)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(bu)分爲 qms，從定(dìng)義知，此(cǐ)時濕氣(qi)的幹度(du)爲

采用溫(wen)度補償(chang)，所以按(àn)照臨界(jie)飽和狀(zhuàng)态查表(biǎo)，得到此(cǐ)時的✔️丙(bǐng)烯氣體(ti)密度爲(wèi) ρs，液(yè)體密度(du)爲 ρL，顯然液(yè)體與氣(qi)體部分(fen)的體積(jī)流量爲(wèi)

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

由(you)定義知(zhī)，氣體幹(gan)部分流(liú)量占氣(qi)液兩相(xiang)總體積(ji)流量㊙️ qv之比(bǐ) Rv爲(wei)

因(yin)爲

所以

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此(cǐ)可見，在(zai)氣液混(hùn)合中，液(ye)體部分(fen)占的體(tǐ)積基本(ben)可以忽(hū)略不計(ji)。  

另(lìng)外，爲了(le)避免丙(bǐng)烯流量(liang)測量時(shi)出現氣(qì)液兩相(xiàng)混合現(xiàn)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(pei)用，測量(liang)液體時(shí)，流體的(de)質量流(liu)量度可(kě)達🏃‍♀️流量(liàng)值的 ±0.05%，而且(qie)已延伸(shēn)到氣體(ti)流量的(de)測量。應(yīng)用上述(shu)配置的(de)流量計(ji)測量🚶氣(qì)體質量(liang)流量，度(dù)可達流(liu)量值的(de) ±0.35%。并(bing)且能直(zhi)接顯示(shi)質量流(liú)量。  

3.2.2 合理選(xuan)擇安裝(zhuāng)位置  

流量(liang)傳感器(qi)安裝位(wei)置應選(xuǎn)擇在槽(cáo)的頂部(bù)出口管(guǎn)道上。保(bao)證直管(guǎn)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(shu)送管道(dào)從大氣(qi)中吸收(shou)熱量。同(tóng)時，安裝(zhuang)位置應(ying)盡量低(di)些，這樣(yàng)可提高(gao)過冷深(shen)度。  

3.2.3 将調節(jie)閥安裝(zhuāng)在流量(liang)計後邊(bian)  

丙(bing)烯中間(jian)槽與丙(bǐng)烯分離(li)器之間(jiān)有較大(dà)壓差，此(cǐ)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(ya)力突然(ran)升高，一(yi)定數量(liàng)的氣體(tǐ)液化，從(cóng)而出現(xian)氣液兩(liang)相流📐。爲(wèi)了避免(mian)流過流(liu)量計的(de)流體中(zhōng)存在兩(liǎng)相流，節(jiē)流閥必(bì)須裝在(zài)流量計(jì)下遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流(liu)量測量(liang)度的方(fang)法  

大部分(fèn)質量流(liu)量計制(zhì)造商以(yǐ) “量(liang)程誤差(cha)加零點(diǎn)不穩定(ding)度 ”的方式(shì)表達基(ji)本誤差(chà)，這是因(yin)爲這種(zhong)儀表零(ling)點穩定(ding)性較差(cha)。這種表(biao)達方式(shi)初看上(shang)去度很(hěn)高，但計(jì)入零點(diǎn)不穩定(dìng)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(ye)有以流(liú)量值 kg/min表示(shì)，零點不(bú)穩定度(du)一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲(wèi)下限流(liú)量時，因(yin)零點不(bú)穩定性(xìng)引入的(de)誤差是(shì)很🔴可觀(guan)的，所以(yǐ)儀表選(xuan)用時，應(ying)将口徑(jing)選得盡(jin)可能小(xiao)一些，這(zhè)樣可将(jiang)零點不(bú)穩定度(du)的數值(zhi)減小，提(tí)✌️高實際(jì)㊙️得到的(de)測量度(du)。  

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