質量流(liú)量計在(zài)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(fang)法  
1.1氣體流(liu)量的測(cè)量方法(fa)  
需(xu)要測量(liàng)流量的(de)氣體種(zhǒng)類繁多(duo)，其測量(liàng)的儀器(qi)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(ran)氣貿易(yì)🐇計量💃分(fèn)爲體積(ji)計量、質(zhi)量計量(liang)和能量(liàng)計量 3種，工(gōng)業發達(da)國家質(zhì)量計量(liàng)和能量(liang)計量兩(liang)種方法(fǎ)都在使(shǐ)用，而我(wǒ)國目前(qián)基本上(shang)以體積(jī)計量爲(wei)主。  
1.2 液體流(liú)量的測(cè)量方法(fǎ)  
常(chang)見的液(ye)體有水(shui)、石油、液(ye)化氣體(ti)等。水流(liú)量的測(cè)量🔆難度(du)不高，不(bu)同原理(lǐ)的流量(liàng)計大多(duō)數都可(kě)以測量(liàng)水的容(róng)量，但也(yě)不是随(sui)便📱裝一(yī)台就肯(ken)定能用(yong)好的。這(zhè)是因爲(wei)水的潔(jie)淨程度(du)不同，流(liu)體工況(kuàng)條件各(ge)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(du)，因此不(bú)同黏度(dù)的🌐石油(you)産品所(suo)📧選擇的(de)計量💃🏻儀(yí)器不同(tong)，高黏度(du)油品如(ru)原油😄、重(zhòng)油、渣油(you)，爲了便(bian)于🌈輸送(sòng)，往往被(bei)加熱到(dào)較高的(de)溫度。流(liu)體中含(han)有固态(tài)雜㊙️質，測(ce)量前還(hái)需要過(guo)濾；液化(hua)氣體屬(shu)于高飽(bǎo)和蒸氣(qì)壓液體(tǐ)，測量時(shi)必須考(kao)慮氣化(hua)的問題(ti)，因此使(shǐ)用的流(liu)量計也(yě)比較特(tè)殊，如渦(wo)街流量(liàng)計、渦輪(lún)流量計(ji)、容積式(shi)流量計(jì)、科氏質(zhi)量✏️流❗量(liang)計等。  
1.3 氣液(ye)多相流(liu)體的測(cè)量方法(fǎ)  
氣(qi)液兩相(xiang)流體的(de)流量測(cè)量從制(zhi)造商的(de)資料可(kě)看出，有(you)🧡幾種儀(yí)表可用(yong)來測量(liang)離散相(xiang)濃度不(bu)高的兩(liang)相流🛀體(ti)的流量(liàng)，在實際(ji)應用中(zhōng)也有一(yi)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(dan)相流動(dòng)狀态下(xià)評定🌈其(qi)測量性(xìng)能，現在(zai)還沒有(you)以單相(xiàng)流标定(ding)✉️的流量(liàng)計用來(lai)測量兩(liǎng)相流時(shí)系統變(biàn)化的評(píng)定标準(zhǔn)，因此這(zhè)樣的應(ying)用究竟(jing)帶來多(duō)大的誤(wù)差還🧑🏽‍🤝‍🧑🏻不(bú)很清楚(chu)，僅有一(yi)些零星(xīng)的數據(ju)和一些(xiē)定性的(de)分析。常(chang)用的氣(qì)液兩相(xiang)流量測(cè)量儀器(qì)有：電磁(ci)流量計(jì)、科氏力(lì)質量流(liú)量計、超(chao)聲流🔴量(liàng)計等。  
1.4 科氏(shi)質量流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏力(lì)的形成(cheng)  
由(you)科氏加(jia)速度作(zuo)用産生(sheng)科氏力(lì)。該加速(su)度是法(fa)國工🌈程(cheng)師科裏(li)奧利斯(sī)在研究(jiu)水輪機(jī)的機械(xie)理論時(shí)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(zhì)點由于(yú)慣性相(xiàng)對于旋(xuán)轉體系(xi)産生的(de)直線運(yùn)動✍️的偏(piān)移的一(yi)種描述(shu)，科裏奧(ao)利力來(lai)自于物(wu)體運動(dong)🌏所具有(you)的慣性(xìng)。  
在(zài)旋轉體(ti)系中進(jìn)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(yun)動的趨(qu)勢，但是(shì)由于體(tǐ)系本身(shen)是🐪旋轉(zhuan)的，在經(jing)曆了一(yi)段時間(jiān)的運動(dong)之後，體(tǐ)系中質(zhi)點的☁️位(wei)置會🏃🏻‍♂️有(yǒu)所變化(huà)，而它🍉原(yuan)有的運(yun)動趨勢(shi)的方向(xiàng)，如果以(yǐ)旋轉體(ti)系㊙️的視(shi)角去觀(guan)察，就會(hui)發生一(yī)定程度(du)的偏離(lí)。  
當(dāng)一個質(zhi)點相對(duì)于慣性(xing)系做直(zhi)線運動(dong)時，相對(dui)于旋轉(zhuan)體系🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，其(qí)軌迹是(shì)一條曲(qǔ)線。立足(zú)于旋轉(zhuǎn)體系，我(wo)們認爲(wèi)有一個(ge)力驅使(shi)質點運(yùn)動軌迹(ji)形成曲(qǔ)線，這個(gè)力就是(shi)科裏奧(ào)利力。  
科裏(li)奧利力(lì)的計算(suàn)公式爲(wei)： F=2mVr×ω 
式(shì)中 F爲科裏(lǐ)奧利力(li)； m爲(wei)質點的(de)質量； Vr爲相(xiang)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(zhuan)體系的(de)角速度(dù)（矢量）； ×表示(shi)兩個向(xiang)量的外(wai)積符号(hào)（ Vr×ω：大(da)小等于(yu) v·ω·sinθ，，方(fāng)向滿足(zú)右手螺(luo)旋定則(zé)）。  
1.4.2 彎(wan)管流量(liàng)計的原(yuan)理  
原理上(shang)，當被測(ce)介質通(tōng)過振動(dòng)的測量(liang)管道時(shí)，科氏🌈力(li)能直接(jie)用于質(zhì)量流量(liang)的測量(liang)。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(ji)勵器 E沿 A-A\'軸産(chan)生振動(dong)，形成沿(yán)該軸的(de)一個旋(xuán)轉參考(kao)系統。如(rú)果💋在入(ru)口🏃‍♂️段觀(guan)察一小(xiao)團流體(ti)，那麽它(tā)的質量(liàng)元流出(chu)固定端(duān)。該質量(liàng)元随管(guan)道半徑(jìng)逐漸增(zeng)大而作(zuò)圓弧軌(guǐ)迹運動(dòng)。當彎管(guan)向上運(yùn)動時，形(xíng)成一個(ge)方向朝(cháo)下的科(kē)氏力。同(tóng)時，觀察(chá)出口段(duan)的狀态(tai)，質量元(yuan)流入🌈固(gu)定端。同(tóng)樣産生(sheng)一個方(fang)向朝上(shàng)的科氏(shì)力。由 B稱的(de)配置在(zài)兩邊呈(chéng)現出相(xiàng)同數值(zhi)但不同(tong)符号的(de)⭐科㊙️氏力(lì)㊙️。在流體(tǐ)流動時(shi)，由于力(li)矩的作(zuo)用，導緻(zhi)測量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻管(guan)道沿 B-B\'軸産(chǎn)生一個(gè)附加的(de)扭曲運(yun) B動(dong)。在入口(kǒu)段和出(chū)口段分(fèn)别安裝(zhuang)傳感器(qì) S1和(he) S2檢(jian)測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wèi)移量。信(xin)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(guo)管道的(de)質量流(liu)量成正(zhèng)比。
科氏質(zhi)量流量(liang)計原理(li)的結構(gòu)

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(liang)管道是(shi)直徑 d和長(zhang)度 l的钛合(he)金管。由(yóu)安裝在(zai)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(lǜ) fB=ωB/2π接(jiē)近于一(yi)階頻率(lü)。在傳感(gan)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(ru)果流體(ti)質量元(yuán) m以(yi)速度 v流過(guò)由角速(su)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(shì)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(fāng)形相反(fǎn)的二階(jiē)模式振(zhen)動。一階(jie)和二階(jie)模式振(zhèn)動的疊(die)加在時(shi)間上産(chǎn)生 90°的相移(yi)。因此，當(dang)管道中(zhōng)存在質(zhì)量流量(liang)時，測量(liàng)管道産(chǎn)🏃🏻‍♂️生擺動(dong)運

1.4.4 雙直管(guan)流量計(ji)的測量(liàng)原理  

雙直(zhí)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(ci)式振蕩(dang)驅動器(qi)組成。其(qi)原理是(shi)： 2個(ge)電磁式(shi)振蕩驅(qu)動器以(yǐ)諧振頻(pín)率使兩(liang)根測量(liàng)管🈲道同(tóng)步的相(xiàng)向振動(dong)。每個電(diàn)磁式驅(qū)動器兩(liǎng)邊的對(duì)稱位置(zhi)各安裝(zhuang)有一個(gè)位移檢(jiǎn)測傳感(gǎn)器用于(yú)測量科(ke)氏力效(xiao)應。當沒(mei)有介質(zhì)流過測(cè)量管道(dao)時，測量(liàng)管道處(chù)于自然(ran)諧振狀(zhuàng)态。 2個位移(yi)傳感器(qi)所測到(dào)的位移(yi)正弦信(xìn)号無相(xiang)位差。 當有(you)介質流(liú)過時，由(you)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(wèi)移傳感(gǎn)器有相(xiang)位偏差(chà)。該相位(wèi)偏差與(yu)科氏力(li) FC成(chéng)正比，即(jí)與流過(guo)測量管(guan)道的質(zhì)量流量(liàng)成正比(bi)。相⛱️當于(yú) 2個(gè)單直管(guan)質量流(liú)量計軸(zhóu)向對稱(cheng)地同步(bù)工作。  

2 科氏(shi)質量流(liu)量計的(de)優缺點(dian)  

2.1 科(ke)氏質量(liang)流量計(jì)的優點(dian)  

時(shí)間差與(yu)測量效(xiào)應成線(xiàn)性關系(xi)；直接測(cè)量質量(liang)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(wēn)度 T ；測量結(jie)果有很(hěn)高的精(jing)度（典型(xíng)的精度(dù)：質量流(liú)量爲 ±0.1%+ 末端(duan)值的 ±0.005% ；密度(du) ρ爲(wei) ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結(jie)果與壓(yā)力和溫(wēn)度無關(guan)；測量結(jié)果與流(liu)體的性(xing)能💚（密度(du)、黏度、電(diàn)導率和(he)熱導率(lü)）無關；測(ce)量結果(guǒ)與流速(sù)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(neng)測量真(zhēn)正的質(zhì)量流量(liàng)平均值(zhí)；出口端(duan)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(ke)以任意(yi)選擇；可(ke)進行雙(shuang)向測量(liàng)；所有可(kě)加壓力(li)🥵的介質(zhì)都能測(ce)量，如液(ye)态和氣(qi)态介質(zhì)，特别是(shi)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(dian)外，同樣(yang)也存在(zài)不足，如(rú)：流量計(ji)價格貴(guì)，複雜幾(ji)何形狀(zhuàng)的測量(liang)管道使(shǐ)壓力損(sǔn)耗增大(da)；除單直(zhí)♈管外💔，有(you)些流量(liàng)計彎頭(tóu)較多，很(hěn)難清洗(xi)，而且自(zì)行排空(kōng)能力差(cha)；測量管(guan)道⭐的材(cai)料與被(bèi)測介質(zhi)要注意(yi)它們的(de)相容✌️性(xìng)；可測量(liang)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(zhòng)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(liu)量計，在(zai)測量不(bu)均勻的(de)介質時(shí)，會産生(shēng)較大的(de)測量誤(wù)差；測量(liàng)高黏度(du)🏃介質要(yao)求🌈附加(jiā)激勵能(neng)量和需(xū)要特殊(shu)的标定(ding)等。  

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

科(kē)氏質量(liàng)流量計(ji)的應用(yòng)已遍及(ji)幾乎所(suǒ)有工業(yè)領域。主(zhu)要原🛀因(yin)是高精(jing)度和大(da)量程，這(zhè)是大多(duō)數其他(ta)流量💃測(cè)量方法(fa)所沒有(you)的。通常(chang)科氏質(zhi)量流量(liàng)計的精(jīng)度如下(xià)：  

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

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

3.1 丙烯氣(qi)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(wu)臭、稍帶(dai)有甜味(wei)的氣體(ti)。分子量(liang) 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(bing)烯在輸(shu)送和儲(chǔ)存中必(bi)須進行(hang)加壓處(chu)理，另外(wai)，這種🏃🏻‍♂️流(liu)體🈚的流(liú)㊙️量測量(liàng)中容易(yi)因儀表(biao)的壓力(lì)損失而(ér)在流量(liàng)計的出(chu)口處産(chan)生氣穴(xué)和伴随(suí)而來的(de)氣蝕現(xian)象，引起(qǐ)流量計(jì)示值偏(pian)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(shēng)成與處(chù)理  

在輸送(song)過程中(zhong)當溫度(du)将降低(di)或由于(yú)調節閥(fá)突然關(guān)小👉導緻(zhi)管道内(nei)壓力增(zēng)加時，丙(bing)烯會處(chu)于氣液(ye)兩相狀(zhuang)态。此時(shí)，丙🈲烯氣(qì)⭐液混合(he)物密度(du)相應會(hui)發生變(biàn)化，因而(ér)給質量(liàng)流量計(ji)測量帶(dài)來誤差(chà)。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(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(tai)，令其爲(wèi) qml，而(ér)保持氣(qì)态的部(bu)分爲 qms，從定(dìng)義知，此(cǐ)時濕氣(qi)的幹度(dù)爲

采用溫(wen)度補償(chang)，所以按(an)照臨界(jie)飽和狀(zhuàng)态查表(biǎo)，得到此(ci)時的丙(bing)🎯烯氣體(ti)密度爲(wei) ρs，液(yè)體密度(du)爲 ρL，顯然液(yè)體與氣(qi)體部分(fen)的體積(ji)流量爲(wei)

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

由(you)定義知(zhī)，氣體幹(gàn)部分流(liu)量占氣(qi)液兩相(xiàng)總體積(jī)流量 qv之比(bi) Rv爲(wei)

因(yin)爲

所以

在該(gai)例中， Rv=99.93%，由此(ci)可見，在(zai)氣液混(hun)合中，液(ye)體部分(fen)占的體(ti)積基本(běn)可以忽(hu)略不🔴計(jì)。  

另(ling)外，爲了(le)避免丙(bing)烯流量(liàng)測量時(shi)出現氣(qi)液兩相(xiàng)混合現(xiàn)象，選用(yong)下面的(de)設計和(hé)安裝方(fāng)法将是(shì)有效的(de)。  

3.2.1 選(xuǎn)用更的(de)儀表  

近年(nián)來，科氏(shi)力流量(liàng)計的制(zhi)造技術(shu)獲得了(le)快速發(fā)展，例如(rú) CMF100傳(chuan)感器與(yu) 2700變(bian)送器配(pei)用，測量(liàng)液體時(shi)，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(ying)用上述(shù)配置的(de)流量🏃‍♂️計(jì)👅測量氣(qi)體質量(liang)流量，度(du)可達流(liú)量值的(de) ±0.35%。并(bìng)且能直(zhi)接顯示(shi)質量流(liu)量。  

3.2.2 合理選(xuan)擇安裝(zhuang)位置  

流量(liang)傳感器(qì)安裝位(wèi)置應選(xuǎn)擇在槽(cao)的頂部(bu)出口管(guan)🔞道上。保(bao)證直管(guan)段的前(qián)提下，與(yǔ)槽的出(chū)口處盡(jin)量近些(xie)。這樣，丙(bǐng)㊙️烯在輸(shu)送過程(chéng)中，可減(jiǎn)少經輸(shu)送管道(dao)從大氣(qì)中吸收(shōu)熱量。同(tong)時，安裝(zhuang)位置應(yīng)盡量低(dī)些，這樣(yang)可提高(gāo)過冷深(shēn)度。  

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

丙(bǐng)烯中間(jian)槽與丙(bǐng)烯分離(li)器之間(jiān)有較大(da)壓差，此(ci)壓差絕(jue)大部分(fen)降落在(zai)調節閥(fa)上。丙烯(xi)流過此(ci)閥時，壓(ya)力突然(ran)升高，一(yī)定數量(liang)的氣體(ti)液化，從(cong)而出現(xian)氣液兩(liang)相流。爲(wei)了避免(miǎn)流過流(liú)量計的(de)流體👌中(zhong)存在兩(liang)相流，節(jiē)流閥必(bì)須裝在(zai)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(liu)量計制(zhi)造商以(yi) “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(cha)，這是因(yīn)爲這種(zhǒng)儀表零(líng)點穩定(dìng)性較差(cha)。這種表(biao)達方式(shi)初看上(shàng)去度很(hen)高，但計(jì)入零點(dian)㊙️不穩定(ding)度❗後，度(dù)并不🈲那(nà)麽高。  

零點(dian)不穩定(ding)性通常(cháng)以 %FS表示，也(yě)有以流(liú)量值 kg/min表示(shi)，零點不(bú)穩定度(dù)一般在(zai) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲(wei)下限流(liú)量時，因(yīn)零點不(bu)穩定性(xìng)引入的(de)誤㊙️差是(shi)很🏃可觀(guan)的，所以(yǐ)儀表選(xuan)用時，應(ying)将口徑(jing)選得盡(jìn)可能小(xiao)一些，這(zhe)❌樣可👨‍❤️‍👨将(jiāng)零點不(bu)穩定度(dù)的數值(zhi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼減小，提(ti)🤩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(zhen)供水排(pai)水行業(ye)流量計(ji)量儀表(biǎo)的選型(xíng)與應用(yong)技術 [M].北京(jīng)：中國建(jiàn)築工業(yè)出版社(shè)， 2010， 5. 
[2]梁國(guó)偉 蔡武昌(chang) .流(liú)量測量(liang)技術及(ji)儀表 [M].北京(jīng)：機械工(gong)業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
[3]紀(ji)綱 .流量測(ce)量儀表(biǎo)應用技(jì)巧 [M].北京：化(hua)學工業(yè)出版社(she)， 2009， 7. 
[4]鄭德(dé)智，樊尚(shàng)春，刑維(wéi)魏 .科氏質(zhì)量流量(liang)計相位(wèi)差檢測(cè)新方法(fǎ) [J].儀(yi)器儀表(biǎo)學報， 2005， 26(5).(end)