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

1 常見流(liú)體的測量(liang)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(duō)，其測量的(de)儀器儀表(biao)也有很大(dà)的差别。以(yǐ)天然氣流(liú)量的測量(liang)爲例：目前(qián)，天然氣貿(mao)易計量📞分(fen)爲體積計(jì)量、質量計(jì)量和能🔴量(liàng)計量 3種，工業發(fā)達國家質(zhi)量計量和(he)能量計量(liàng)兩種方法(fǎ)都在使用(yòng)，而🏃🏻我國目(mù)前基本上(shàng)以體積計(jì)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(liu)量的測量(liang)難度🎯不高(gāo)，不同原理(li)的流量計(jì)大多數都(dōu)可以測量(liang)水的容量(liang)，但也不是(shì)随便裝一(yī)台就肯定(dìng)能用好的(de)。這是因爲(wei)水的潔淨(jing)程度不同(tong)，流體工況(kuang)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(you)産品所選(xuǎn)擇的計量(liàng)儀器不同(tóng)，高黏度油(yóu)品如原油(yóu)、重油、渣油(you)，爲了便于(yu)🐅輸送，往往(wǎng)被加熱到(dào)較高👈的溫(wēn)度。流👣體中(zhōng)含有固态(tai)💯雜質，測量(liang)前還需要(yào)過濾；液化(huà)氣體屬于(yú)高飽和蒸(zhēng)氣壓液體(tǐ)，測量時必(bì)須考慮氣(qì)化的問題(ti)，因此👄使用(yòng)的流量計(jì)也比較特(tè)殊，如渦街(jiē)流量計、渦(wō)輪流量計(jì)、容積式流(liu)量計、科氏(shi)質量流量(liang)計等。  
1.3 氣液多相(xiang)流體的測(ce)量方法  
氣液兩(liǎng)相流體的(de)流量測量(liang)從制造商(shang)的資料可(ke)看出，有幾(jǐ)💛種儀表可(ke)用來測量(liàng)離散相濃(nóng)度不高的(de)兩相流體(tǐ)的流量，在(zai)實際應用(yong)中也有一(yī)些成功應(yīng)用的實例(li)，但目前使(shi)用的流量(liang)計都是在(zài)單相流動(dong)狀态下評(píng)定其測量(liàng)性能，現在(zài)還沒有以(yǐ)單相流标(biao)定的流量(liàng)計用來測(cè)量兩相⛷️流(liú)時系統變(bian)化的評定(dìng)标🧡準，因此(ci)這樣的應(yīng)用究竟帶(dài)來多大的(de)誤差還不(bu)很清楚，僅(jin)有一些零(líng)星的數據(jù)和一些定(dìng)性的分析(xī)。常用的氣(qi)液兩相流(liu)量測量儀(yí)器有：電磁(cí)🤞流量計、科(ke)氏力質量(liang)流量計、超(chāo)聲流量計(ji)等。  
1.4 科(ke)氏質量流(liu)量計的測(cè)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(kē)氏力。該加(jia)速度是法(fǎ)國工程🥵師(shi)科🚩裏奧利(li)斯在研究(jiu)水輪機的(de)機械理論(lun)時發現的(de)。科氏力，是(shi)對旋轉體(tǐ)系中進行(hang)直線運動(dong)的質點由(you)于慣性相(xiang)對于旋轉(zhuan)體系産生(sheng)的直線運(yùn)動的偏移(yi)的一種描(miao)述，科裏奧(ao)利力來自(zì)于物體運(yun)動🥰所具有(you)的慣🐇性。  
在旋轉(zhuan)體系中進(jin)行直線運(yùn)動的質點(diǎn)，由于慣性(xing)，有沿著✔️原(yuán)有運動方(fāng)向繼續運(yun)動的趨勢(shi)，但是由于(yu)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(tā)😍原有的運(yun)動趨勢的(de)方向，如果(guǒ)以旋轉體(tǐ)系♌的視角(jiao)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(dong)時，相對于(yú)旋轉🛀🏻體🔅系(xi)，其軌迹是(shi)一條曲線(xian)。立足于旋(xuán)轉體系，我(wǒ)們認爲有(you)一個力驅(qū)使質點運(yun)動軌迹形(xíng)成曲線，這(zhe)個力就是(shì)科裏奧利(lì)力。  
科(ke)裏奧利力(lì)的計算公(gong)式爲： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧(ào)利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲相對于(yu)靜止參考(kao)系質點的(de)運動速度(dù)（矢量）； ω爲旋轉體(ti)系的角速(su)度（矢量）； ×表示兩(liǎng)個向量的(de)外積符号(hào)（ Vr×ω：大小(xiao)等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)右手螺旋(xuán)定則）。  
1.4.2 彎管流量(liàng)計的原理(lǐ)  
原理(lǐ)上，當被測(ce)介質通過(guo)振動的測(ce)量管道時(shí)，科氏力能(neng)直接用于(yu)質量流量(liang)的測量。測(ce)量管道經(jīng)常呈 U形如圖所(suo)示。管道用(yong)剛性固定(ding)件支撐，并(bing)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(tǒng)。如果在入(ru)口段觀察(chá)一小團流(liú)體，那麽它(ta)的質量元(yuan)流出固定(dìng)端。該質量(liang)元随管道(dào)半徑逐漸(jiàn)增大而作(zuo)圓弧軌迹(ji)❄️運動。當彎(wān)管向上運(yun)動時，形成(chéng)一個方向(xiang)朝下的科(kē)氏力。同時(shi)，觀察出口(kou)段🔱的狀态(tai)，質量元流(liu)入固定端(duān)。同樣産生(shēng)一個方向(xiang)朝上的科(ke)🐆氏力。由 B稱的配(pei)置在兩邊(bian)呈現出相(xiang)同數值但(dàn)不同符号(hào)的科👣氏力(lì)。在流🚩體流(liu)動時，由于(yú)力矩的作(zuò)用，導緻測(cè)量管道沿(yan) B-B\'軸産(chǎn)生一個附(fu)加的扭曲(qu)運 B動(dong)。在入口段(duan)和出口段(duàn)分别安裝(zhuang)傳感器 S1和 S2檢測管道(dao)沿 A-A\'和(he) B-B\'軸的(de)位移量。信(xìn)号過零點(dian)的時間差(chà)事管道扭(niu)曲的檢測(cè)✏️量，它與通(tōng)過管道的(de)質量流量(liang)成正比。
科氏質(zhi)量流量計(jì)原理的結(jié)構

1.4.3 單(dan)直管流量(liàng)計的測量(liang)原理  
兩端拉緊(jǐn)固定的測(cè)量管道是(shi)直徑 d和長度 l的钛合(he)金管。由安(ān)裝在管道(dào)中間的振(zhen)動裝置以(yi)一階模式(shi)方式産生(shēng)振動。工作(zuo)頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在(zài)傳感器檢(jian)測位置 ±z=±l/3處，振動(dong)幅度調整(zheng)約爲 x±m（ ±z）。如果(guǒ)流體質量(liang)元 m以(yǐ)速度 v流過由角(jiǎo)速度 ω振動的管(guan)道，那麽這(zhe)質量元就(jiu)會在管壁(bì)上産生科(kē)氏力，即 FC=2mv×ω在管道(dao)的前後半(bàn)段上，除了(le)一階諧振(zhen)外，還産生(sheng)作用力⁉️方(fāng)⛹🏻‍♀️形相反的(de)二階模式(shi)振動。一階(jie)和二階模(mó)式振動的(de)疊加在時(shi)間上産生(sheng) 90°的相(xiang)移。因此，當(dāng)管道中存(cún)在質量流(liu)量時，測量(liàng)管道産🏒生(sheng)擺動運

1.4.4 雙直管(guan)流量計的(de)測量原理(li)  

雙直(zhi)管質量流(liú)量計有 2根測量(liàng)管道、優化(huà)的流速分(fèn)配器、 4個位移傳(chuan)感器和 2個電磁(cí)式振蕩驅(qū)動器組成(cheng)。其原理是(shì)： 2個電(dian)磁式振蕩(dang)驅動器以(yi)諧振頻率(lǜ)使兩根測(cè)量管道同(tong)步的相向(xiang)振動。每個(ge)電磁式驅(qu)動器兩邊(biān)的對稱位(wèi)置各安裝(zhuāng)有一⭐個位(wèi)🔞移檢測傳(chuán)感器用于(yu)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(xie)振狀态。 2個位移(yí)傳感器所(suo)測到的位(wèi)移正弦信(xìn)号無相位(wèi)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(guan)道有微小(xiao)的變形，從(cong)而使 2個位移傳(chuan)感器有相(xiàng)位偏差。該(gai)相位偏差(chà)與科氏力(lì) FC成正(zhèng)比，即與流(liu)過測量管(guan)道的質量(liang)流量成正(zhèng)比。相當于(yu) 2個單(dān)直管質量(liàng)流量計軸(zhóu)向對稱地(dì)同步工作(zuò)。  

2 科氏(shì)質量流量(liang)計的優缺(que)點  

2.1 科(kē)氏質量流(liu)量計的優(you)點  

時(shi)間差與測(cè)量效應成(chéng)線性關系(xì)；直接測量(liàng)質量流量(liàng)；測量儀♋還(hái)可附加檢(jiǎn)測流體密(mì)度 ρ 和(hé)介質溫度(du) T ；測量(liang)結果有很(hen)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(wei) ±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(du)🎯、黏度、電導(dǎo)率和熱導(dao)率）無關；測(ce)量結果與(yu)流速分布(bu)無關，即不(bu)需要特殊(shu)的入口引(yin)導管道，流(liu)量計能測(ce)量真正的(de)質量流量(liang)平均值；出(chū)口端不需(xū)要施加反(fan)壓力，也就(jiù)☂️不需要出(chū)口引導導(dao)管；安裝位(wèi)㊙️置可以任(ren)意選擇；可(kě)進行🐆雙向(xiang)測量；所有(you)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(shi)性的介質(zhi)。  

2.2 科氏(shì)流量計的(de)缺點  

除了上述(shu)大量優點(diǎn)外，同樣也(ye)存在不足(zú)，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(zēng)大；除✨單直(zhi)管外，有些(xie)流量☂️計彎(wan)頭較多，很(hěn)難清洗，而(er)且自行排(pai)空能力差(chà)；測量管道(dao)的材料與(yǔ)被測介質(zhi)要注意它(ta)們的相容(róng)性；可測量(liang)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(zhi)，嚴重時産(chǎn)生較📧大的(de)測量誤差(cha)；有些流量(liàng)計的安裝(zhuang)受到安裝(zhuāng)規程的限(xian)制；采用流(liú)量分配器(qì)的流量計(jì)，在測量不(bú)均勻的介(jie)質時，會産(chǎn)生較大的(de)㊙️測量誤差(chà)；測量高黏(nián)度介質要(yao)求附加激(ji)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(liang)中的應用(yòng)  

科氏(shi)質量流量(liàng)計的應用(yong)已遍及幾(ji)乎所有工(gong)業領🍉域⭐。主(zhu)要⛷️原🧑🏽‍🤝‍🧑🏻因是(shi)高精度和(he)大量程，這(zhe)是大多數(shù)其他流量(liàng)🍓測量💋方法(fa)所沒有的(de)🔅。通常科氏(shi)質量流量(liàng)計的🤩精度(dù)如下：  

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

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

3.1 丙烯氣液(ye)兩相流量(liàng)測量技術(shù)參考  

丙烯（ propylene）常溫下爲(wei)無色、無臭(chòu)、稍帶有甜(tian)味的氣體(ti)。分子量 42.08，在标準(zhun)大氣壓下(xia)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點(dian) -47.4℃ 。丙烯在輸(shu)送和儲存(cun)中必須進(jìn)行加壓處(chù)理，另外，這(zhè)種流體的(de)流量測量(liang)中容易因(yīn)儀表的壓(yā)力損失而(er)💃在流🏒量計(jì)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(he)流量一🛀次(ci)裝置受損(sǔn)💋。  

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

在輸送過(guo)程中當溫(wen)度将降低(di)或由于調(diao)節閥突然(ran)關🌐小🛀導緻(zhi)管道内壓(yā)力增加時(shi)，丙烯會處(chù)于氣液兩(liǎng)相狀态。此(cǐ)時，丙烯氣(qi)液混合物(wù)密度相應(yīng)會發生變(biàn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼化，因而給(gei)質量流量(liang)計測量帶(dai)來誤差。誤(wu)差可以通(tōng)🛀🏻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(shu)送後有 10%qm冷凝成(chéng)液态，令其(qi)爲 qml，而(ér)保持氣态(tai)的部分爲(wei) qms，從定(ding)義知，此時(shí)濕氣的幹(gàn)度爲

采用溫度(dù)補償，所以(yǐ)按照臨界(jiè)飽和狀态(tai)查表，得到(dào)此🔱時的丙(bǐng)烯氣體密(mì)度爲 ρs，液體密度(dù)爲 ρL，顯(xian)然液體與(yu)氣體部分(fen)的體積流(liú)量爲

式中 qvl表示丙烯(xi)液體的體(ti)積流量， m3/s； qvs表(biao)示丙烯氣(qi)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(zhàn)氣液兩相(xiàng)總體積流(liu)量 qv之(zhi)比 Rv爲(wei)

因爲(wèi)

所以(yǐ)

在該(gai)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(ben)可🤟以忽略(luè)⛹🏻‍♀️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(jiang)是有效的(de)🎯。  

3.2.1 選用(yong)更的儀表(biǎo)  

近年(nián)來，科氏力(li)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(qì)配用，測量(liàng)液體時，流(liu)體的質量(liàng)流量度可(ke)達流量值(zhi)的 ±0.05%，而(ér)且已延伸(shēn)到氣體流(liu)量的測量(liàng)。應用上述(shù)配置的流(liú)量計測量(liàng)⛷️氣體質量(liang)流量，度可(ke)達流量值(zhi)的 ±0.35%。并(bìng)且能直接(jiē)顯示質量(liang)流量。  

3.2.2 合理選擇(ze)安裝位置(zhì)  

流量(liàng)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(ti)下，與槽的(de)出口處盡(jin)量近🐅些。這(zhe)樣，丙烯在(zài)⭐輸送過程(cheng)中，可減少(shǎo)經輸送管(guǎn)道從大氣(qi)中吸收熱(rè)量。同時，安(ān)裝位置應(ying)盡量低些(xie)，這樣可提(ti)高過冷深(shēn)度。  

3.2.3 将(jiāng)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(ci)壓差絕大(dà)部分降落(luo)在調節閥(fá)上。丙烯流(liú)過此閥時(shí)，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(liú)。爲了避免(miǎn)流過流量(liàng)計的流體(ti)中存在兩(liang)相流，節流(liu)閥必須裝(zhuāng)在流量計(ji)下🛀遊。  

3.3 提高丙烯(xi)流量測量(liang)度的方法(fa)  

大部(bu)分質量流(liú)量計制造(zao)商以 “量程誤差(chà)加零點不(bú)穩定度 ”的方式(shi)表達基本(ben)誤差，這是(shi)因爲這種(zhǒng)儀表零點(diǎn)穩定性較(jiào)差🔞。這種表(biao)達方式初(chu)看上去度(dù)很高，但計(ji)入零點不(bú)穩定度後(hou)，度并不那(na)麽高。  

零點不穩(wen)定性通常(cháng)以 %FS表(biǎo)示，也有以(yǐ)流量值 kg/min表示，零(ling)點不穩定(dìng)度一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間(jiān)。當流量爲(wèi)下限流量(liang)時，因零點(diǎn)不穩定性(xìng)引入🌈的誤(wù)差是很可(ke)觀的，所以(yǐ)儀表選用(yòng)時，應将口(kǒu)徑選得盡(jin)可能小一(yi)些，這樣可(kě)将零點不(bú)穩定度的(de)數值減小(xiǎo)，提高實際(ji)得到的測(ce)量度。  

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