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

1 常見(jiàn)流體的(de)測量方(fāng)法  
1.1氣體流(liú)量的測(cè)量方法(fǎ)  
需(xū)要測量(liàng)流量的(de)氣體種(zhǒng)類繁多(duo)，其測量(liàng)的儀器(qì)儀表也(yě)🔞有🌏很大(dà)的差别(bié)。以天然(rán)氣流量(liang)的測量(liàng)爲例：目(mù)🌏前，天然(rán)氣🎯貿易(yi)計量㊙️分(fèn)爲體積(ji)計量、質(zhì)量計量(liang)和能量(liang)計量 3種，工(gōng)業發達(dá)國家質(zhì)量計量(liàng)和能量(liàng)計量兩(liang)種方法(fǎ)都在👄使(shi)用㊙️，而我(wǒ)國目前(qian)基本上(shàng)以體積(jī)計量爲(wèi)主。  
1.2 液體流(liu)量的測(ce)量方法(fa)  
常(cháng)見的液(yè)體有水(shui)、石油、液(ye)化氣體(tǐ)等。水流(liú)量的測(ce)量難度(du)不高🙇🏻，不(bu)同原理(li)的流量(liang)計大多(duō)數都可(ke)以測量(liang)水的♈容(rong)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(wèi)水的潔(jie)淨程🤞度(du)不同，流(liú)體工🤞況(kuàng)條件各(ge)異，流量(liang)測量的(de)範圍就(jiu)會出現(xiàn)懸殊；石(shí)油具有(you)一定的(de)黏稠度(dù)，因此不(bú)同黏度(dù)的⭐石油(you)産品所(suǒ)選擇的(de)計量🈲儀(yi)器不同(tóng)，高黏度(du)油品如(rú)原油🏃🏻‍♂️、重(zhòng)油、渣油(you)，爲了便(biàn)于輸送(song)，往往👅被(bèi)加熱到(dào)較高的(de)溫度。流(liú)體中含(han)有固态(tài)雜質，測(cè)量前還(hai)需要過(guo)濾；液化(huà)氣體屬(shu)于高飽(bǎo)和蒸氣(qi)壓液體(ti)，測量時(shi)必須考(kǎo)慮氣化(huà)的問題(ti)，因此使(shi)用🚩的流(liú)量計也(ye)比較特(te)殊，如☁️渦(wo)街流量(liang)計、渦輪(lun)流量計(ji)🙇🏻、容積式(shi)流量計(jì)、科氏質(zhì)量流🏃🏻‍♂️量(liàng)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(ce)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(liàng)離散相(xiàng)濃度不(bú)高的兩(liǎng)相流體(tǐ)的❄️流量(liàng)，在實♋際(jì)應用中(zhōng)也有一(yi)些成功(gong)應用的(de)實例，但(dan)目前使(shǐ)用的流(liu)量計都(dōu)是在單(dan)相流動(dòng)狀态下(xià)評定👉其(qí)測量性(xing)能，現在(zài)還🥰沒有(you)以單相(xiàng)流标定(dìng)的流量(liàng)計用來(lái)測量兩(liang)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(wu)差還不(bú)很清楚(chǔ)，僅有一(yi)些零星(xing)的數據(jù)和一些(xie)定性的(de)分析。常(cháng)用的氣(qi)液兩相(xiang)流量測(ce)量儀器(qì)有：電磁(ci)流量計(jì)、科氏🔞力(li)質量流(liú)量計、超(chao)聲流量(liàng)計等。  
1.4 科氏(shi)質量流(liú)量計的(de)測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏力(lì)的形成(chéng)  
由(yóu)科氏加(jia)速度作(zuo)用産生(shēng)科氏力(lì)。該加速(su)度是法(fǎ)國💁工程(cheng)師科裏(lǐ)💃🏻奧利斯(si)在研究(jiū)水輪機(ji)的機械(xie)理論時(shí)發現的(de)。科氏力(lì)，是對旋(xuan)轉體系(xì)中進行(hang)直線運(yun)動的質(zhì)點由于(yu)慣性相(xiang)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(dòng)所具有(you)的慣性(xing)。  
在(zai)旋轉體(ti)系中進(jin)行直線(xiàn)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(yùn)動的趨(qū)勢，但是(shi)由于體(tǐ)系本身(shēn)是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)曆了一(yi)段時間(jian)的運動(dòng)之後🌍，體(tǐ)系中✂️質(zhì)點的位(wèi)置會有(you)所變📧化(huà)，而它原(yuán)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(huì)♈發生一(yī)定程度(dù)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(dòng)時，相對(dui)于旋轉(zhuǎn)體系，其(qí)軌迹是(shi)一條曲(qu)線。立足(zú)于旋轉(zhuǎn)體系，我(wo)們認♊爲(wei)有一個(ge)力驅使(shi)質⚽點運(yùn)動軌迹(ji)形成曲(qu)線，這個(ge)力就是(shì)科裏奧(ao)利力。  
科裏(li)奧利力(lì)的計算(suàn)公式爲(wei)： F=2mVr×ω 
式(shi)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(kǎo)系質點(dian)的運動(dòng)速度（矢(shǐ)量）； ω爲旋轉(zhuǎn)體系的(de)角速度(du)（矢量）； ×表示(shì)兩個向(xiàng)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(ze)）。  
1.4.2 彎(wan)管流量(liàng)計的原(yuán)理  
原理上(shàng)，當被測(cè)介質通(tōng)過振動(dong)的測量(liang)管道時(shi)，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(tú)所示。管(guǎn)道用剛(gāng)性固定(dìng)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(xuan)轉參考(kǎo)系統。如(ru)🏃🏻‍♂️果在入(rù)口🤞段觀(guan)察一小(xiǎo)團流體(ti)，那麽它(ta)的質量(liàng)元流出(chu)固定端(duan)🌈。該質💘量(liang)元随管(guan)道半徑(jìng)逐漸增(zeng)大而作(zuò)圓弧軌(gui)迹運動(dong)。當彎管(guǎn)向上運(yun)動時，形(xíng)成一個(ge)方向朝(cháo)下的科(kē)氏力。同(tóng)時，觀😘察(cha)出口段(duan)的狀态(tai)，質量元(yuan)流入固(gù)定端。同(tóng)樣産生(sheng)一個方(fang)向朝上(shang)的科氏(shi)力。由 B稱的(de)配置在(zai)兩邊呈(chéng)現出相(xiang)同數值(zhi)但不同(tóng)符号的(de)科氏力(lì)。在🍉流體(tǐ)流動時(shí)，由于力(lì)矩的作(zuò)用，導緻(zhi)測量管(guan)道沿 B-B\'軸産(chan)生一個(ge)附加的(de)扭曲運(yun) B動(dòng)。在入口(kǒu)段和出(chu)口段分(fèn)别安裝(zhuang)傳感器(qi) S1和(he) S2檢(jiǎn)測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wèi)移量。信(xin)号過零(ling)點的時(shi)間差事(shi)管道扭(niǔ)曲的😘檢(jian)測量🔞，它(tā)與通過(guo)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(gòu)

1.4.3 單(dān)直管流(liú)量計的(de)測量原(yuán)理  
兩端拉(lā)緊固定(ding)的測量(liàng)管道是(shi)直徑 d和長(zhǎng)度 l的钛合(hé)金管。由(yóu)安裝在(zai)管道中(zhōng)間的振(zhen)動裝置(zhi)以一階(jiē)模式方(fang)式産生(shēng)振動。工(gong)作頻率(lü) fB=ωB/2π接(jiē)近于一(yi)階頻率(lǜ)。在傳感(gǎn)器檢測(ce)位置 ±z=±l/3處，振(zhèn)動幅度(dù)調整約(yue)爲 x±m（ ±z）。如(rú)果流體(ti)質量元(yuan) m以(yi)速度 v流過(guò)由角速(sù)度 ω振動的(de)管道，那(nà)麽這質(zhi)量元就(jiu)會在管(guan)壁上産(chan)生科氏(shì)力，即 FC=2mv×ω在管(guan)道的前(qian)後半段(duan)上，除了(le)一階諧(xie)振外，還(hai)産生作(zuo)🔴用力方(fang)☁️形相反(fǎn)的二階(jie)模式振(zhen)動。一階(jie)和二階(jie)模式振(zhen)動的疊(die)加在時(shí)間上産(chǎn)生 90°的相移(yi)。因此，當(dang)管道中(zhōng)存在質(zhi)量流量(liàng)時，測量(liàng)管道産(chan)生擺動(dòng)運

1.4.4 雙直管(guan)流量計(ji)的測量(liàng)原理  

雙直(zhi)管質量(liàng)流量計(ji)有 2根測量(liang)管道、優(you)化的流(liú)速分配(pei)器、 4個位移(yí)傳感器(qì)和 2個電磁(cí)式振蕩(dàng)驅動器(qi)組成。其(qí)原理是(shi)： 2個(ge)電磁式(shì)振蕩驅(qu)動器以(yǐ)諧振頻(pin)率使兩(liang)根測量(liang)管道同(tóng)步的相(xiàng)向振動(dòng)。每個電(dian)磁式驅(qū)動器兩(liang)邊的對(dui)稱位💋置(zhì)各安裝(zhuang)有一個(gè)位移檢(jian)測傳感(gan)器用于(yu)測量科(ke)氏力👌效(xiao)應。當沒(mei)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(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(xiàng)位差。 當有(you)介質流(liú)過時，由(you)于有科(ke)氏力 FC的作(zuò)用，測量(liang)管道有(you)微小的(de)變形，從(cong)而使 2個位(wèi)移傳感(gǎn)器有相(xiàng)位偏差(chà)。該相位(wèi)偏差與(yu)科氏力(lì) FC成(chéng)正比，即(jí)與流過(guo)測量管(guan)道的質(zhi)量流量(liàng)成正比(bi)。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(liu)量計的(de)優缺點(diǎn)  

2.1 科(kē)氏質量(liàng)流量計(jì)的優點(diǎn)  

時(shí)間差與(yǔ)測量效(xiào)應成線(xian)性關系(xi)；直接測(ce)量質量(liàng)流量；測(cè)量儀還(hái)可附加(jia)檢測流(liu)體密度(dù) ρ 和(hé)介質溫(wēn)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(liú)量爲 ±0.1%+ 末端(duan)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(jié)果與流(liu)體的性(xìng)能（密度(du)、黏度、電(diàn)導率和(he)熱導率(lü)）無關；測(cè)量結果(guo)與流速(sù)分布無(wu)關，即不(bu)需要特(te)殊的入(ru)口引導(dǎo)管道，流(liú)🌏量計能(néng)測量真(zhēn)正的質(zhì)😄量流量(liang)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(ke)加壓力(lì)的介質(zhi)都能測(cè)量，如液(yè)态和氣(qì)态介質(zhi)，特别是(shi)♋受污染(rǎn)有腐蝕(shi)性的介(jiè)質。  

2.2 科氏流(liú)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(ru)：流量計(jì)價格貴(guì)，複雜👅幾(jǐ)何形狀(zhuàng)的測量(liang)管道使(shi)壓力損(sǔn)耗增大(da)；除單直(zhi)🈚管外，有(you)些流量(liang)計彎頭(tou)較多，很(hen)難清洗(xǐ)，而且自(zì)行排空(kōng)能力差(cha)；測量管(guǎn)道㊙️的材(cái)料與被(bei)測介質(zhì)📧要注意(yì)它們的(de)相容性(xing)；可測量(liàng)zui大的流(liu)量🐉限制(zhi)爲 680T/h ；強烈的(de)振動和(hé)沖擊會(hui)影響流(liu)量計的(de)機械裝(zhuang)置，嚴重(zhong)時産生(shēng)🔅較大的(de)測量誤(wu)差；有些(xiē)流量計(ji)的安裝(zhuang)受到安(ān)裝規程(cheng)的⭐限制(zhì)；采用流(liu)量分配(pei)器的流(liu)量計，在(zài)測量不(bu)🥵均勻的(de)介質時(shi)，會産生(shēng)🈲較大的(de)🈲測量誤(wù)差；測量(liang)高黏度(du)介質要(yào)求🐅附加(jia)激勵能(neng)量和需(xū)要特殊(shū)的标定(ding)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(yòng)  

科(ke)氏質量(liàng)流量計(jì)的應用(yòng)已遍及(jí)幾乎所(suǒ)有工業(ye)領域。主(zhu)💯要原🌈因(yīn)💰是高精(jīng)度和大(da)量程，這(zhe)是大多(duō)數其他(tā)流量測(cè)量方法(fǎ)所沒🔆有(yǒu)的🐕。通常(cháng)科氏質(zhì)量流量(liàng)計的精(jīng)度如下(xia)：  

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

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

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

丙烯(xī)（ propylene）常(chang)溫下爲(wèi)無色、無(wú)臭、稍帶(dài)有甜味(wei)的氣體(tǐ)。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(fèi)點 -47.4℃ 。丙(bing)烯在輸(shū)送和儲(chǔ)存中必(bì)須進行(háng)加壓處(chu)理，另外(wai)，這種流(liú)體📞的流(liu)量測量(liàng)中容易(yi)因儀表(biao)的壓力(li)損失而(er)👉在流量(liàng)計的出(chu)口處産(chǎn)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(pian)高和流(liu)量一🍓次(ci)裝置受(shòu)損♻️。  

3.2 丙烯流(liu)量測量(liang)系統誤(wù)差的生(shēng)成與處(chù)理  

在輸送(sòng)過程中(zhong)當溫度(du)将降低(dī)或由于(yu)調節閥(fá)突然關(guan)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(qì)液混合(hé)物密度(du)相應會(huì)發生變(biàn)化，因而(er)給質量(liang)流量計(ji)測量帶(dai)來誤差(chà)。誤差可(kě)以通過(guo)密度補(bu)償來處(chù)理。  

一常用(yong)壓力爲(wei) 1.0MPa 的(de)丙烯氣(qì)體，其流(liu)量爲 qm，假設(shè)經長距(jù)離輸送(song)後有 10%qm冷凝(níng)成液态(tài)，令其爲(wèi) qml，而(er)保持氣(qi)态的部(bu)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(zhuàng)态查表(biao)，得到⭐此(ci)時💃🏻的丙(bǐng)烯氣體(tǐ)密度爲(wei) ρs，液(ye)體密度(du)爲 ρL，顯然液(ye)體與氣(qì)體部分(fèn)的體積(jī)流量爲(wei)

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

由(yóu)定義知(zhi)，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(yè)體部分(fèn)占的體(tǐ)積基本(ben)✏️可以忽(hū)略🍓不計(ji)。  

另(ling)外，爲了(le)避免丙(bing)烯流量(liàng)測量時(shí)出現氣(qi)液兩相(xiàng)混合現(xian)象，選✨用(yong)下面的(de)設計和(hé)安裝方(fang)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(shi)力流量(liang)計的制(zhi)造技術(shù)獲得了(le)快速發(fā)展，例如(rú)♍ CMF100傳(chuan)感器與(yu) 2700變(biàn)送器配(pèi)用，測量(liàng)液體時(shí)，流體的(de)質量流(liu)量度可(ke)達😍流量(liàng)值的 ±0.05%，而且(qiě)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(jì)🔴測量氣(qi)體質量(liàng)流量，度(du)可達流(liú)量值的(de) ±0.35%。并(bing)且能直(zhi)接顯示(shì)質量流(liu)量。  

3.2.2 合理選(xuǎn)擇安裝(zhuang)位置  

流量(liang)傳感器(qì)安裝位(wei)置應選(xuǎn)擇在槽(cao)的頂部(bù)出口管(guan)道上。保(bao)證直管(guan)段的前(qian)提下，與(yǔ)槽的出(chū)口處盡(jin)量近些(xiē)。這樣，丙(bing)烯在輸(shū)送🏃‍♀️過程(chéng)中，可減(jian)少經輸(shū)送管道(dào)從大氣(qi)中吸收(shōu)熱量。同(tong)時🔆，安裝(zhuāng)位置應(ying)盡量低(di)些，這樣(yàng)可提高(gao)過冷深(shēn)度。  

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

丙(bǐng)烯中間(jiān)槽與丙(bǐng)烯分離(li)器之間(jian)有較大(da)壓差，此(cǐ)壓🌏差絕(jue)大部分(fèn)降落在(zai)調節閥(fa)上。丙烯(xi)流過此(ci)閥時，壓(yā)力突然(rán)升高，一(yī)定數量(liàng)的氣體(ti)液化，從(cóng)而出現(xiàn)氣液兩(liǎng)相流。爲(wèi)了避免(mian)流過流(liu)量計的(de)流體中(zhōng)存在兩(liang)相😍流，節(jie)流閥必(bi)須裝在(zài)流量計(ji)下遊。  

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

大部分(fen)質量流(liú)量計制(zhi)造商以(yi) “量(liang)程誤差(chà)加零點(diǎn)不穩定(ding)度 ”的方式(shi)表達基(ji)本誤差(chà)，這是因(yīn)爲這種(zhǒng)儀表零(ling)點穩定(ding)性較差(cha)。這種表(biao)達方式(shì)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(na)麽高。  

零點(dian)不穩定(ding)性通常(cháng)以 %FS表示，也(yě)有以流(liu)量值 kg/min表示(shi)，零點不(bú)穩定度(dù)一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲(wei)下限流(liú)量時，因(yin)零點不(bú)穩定性(xìng)引入的(de)誤差是(shi)很可觀(guān)的，所以(yǐ)儀表選(xuan)用時，應(yīng)将口徑(jìng)選得盡(jìn)🔴可能小(xiao)一些，這(zhè)樣可将(jiang)零點不(bú)穩定度(dù)的數值(zhí)減小，提(ti)高實際(jì)得到的(de)測量度(dù)。  

參(can)考文獻(xian)  
[1]張(zhang)可欣 .城鎮(zhèn)供水排(pái)水行業(ye)流量計(jì)量儀表(biao)的選型(xing)與應用(yong)技術 [M].北京(jing)：中國建(jiàn)築工業(ye)出版社(she)， 2010， 5. 
[2]梁國(guó)偉 蔡武昌(chāng) .流(liú)量測量(liang)技術及(jí)儀表 [M].北京(jing)：機械工(gōng)業出版(ban)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(cè)新方法(fa) [J].儀(yí)器儀表(biao)學報， 2005， 26(5).(end)