質量流量計(jì)在氣液兩相(xiang)測量中的應(ying)用分析

1 常見流(liú)體的測量方(fang)法  
1.1氣體(tǐ)流量的測量(liang)方法  
需(xū)要測量流量(liang)的氣體種類(lèi)繁多，其測量(liang)的儀器儀表(biǎo)也有很大的(de)差别。以天然(ran)氣流量的測(cè)量爲例：目😍前(qian)，天♋然氣貿易(yi)計量分爲體(ti)積計量、質量(liàng)計量和能量(liàng)計量 3種(zhong)，工業發達國(guó)家質量計量(liàng)和能量計量(liang)兩種方法都(dou)✏️在使用，而我(wǒ)國目前基本(ben)上以體積計(jì)量爲主。  
1.2 液體流量的(de)測量方法  
常見的液(yè)體有水、石油(you)、液化氣體等(děng)。水流量的測(cè)量難💃🏻度不🈚高(gao)，不同原理的(de)流量計大多(duo)數都可以測(ce)量水的容量(liàng)，但也不是随(sui)便裝一台就(jiu)肯定能用好(hǎo)的。這是因爲(wèi)水的🌈潔淨程(cheng)度不同🛀，流體(tǐ)工況條件各(ge)異，流量測量(liang)的範圍就會(huì)出現懸殊；石(shi)油具有一定(dìng)的🌏黏稠度，因(yin)此不同黏度(dù)的石油産品(pin)所選擇的計(jì)量儀器不同(tóng)，高黏度油品(pin)如原油、重油(you)、渣油，爲了便(biàn)于🌍輸送，往往(wǎng)被加熱到較(jiao)高的溫度。流(liú)體中含有固(gù)态雜質，測量(liàng)前還需要過(guo)濾；液化氣體(ti)屬于高飽和(hé)蒸🌈氣壓液體(tǐ)，測量時必須(xū)考慮氣化的(de)問題，因此使(shi)用❤️的流量計(ji)也比較特殊(shū)，如渦街流量(liàng)計、渦🤩輪流量(liang)計、容積式流(liú)量計、科氏質(zhi)量流量計等(deng)。  
1.3 氣液多(duo)相流體的測(cè)量方法  
氣液兩相流(liu)體的流量測(cè)量從制造商(shāng)的資料可看(kàn)出，有幾種儀(yí)表可用來測(ce)量離散相濃(nóng)度不高的兩(liǎng)相流🌈體的流(liú)量，在實際應(ying)🤟用中也有一(yī)些成功應用(yong)的實例，但目(mù)前使用的流(liú)量計都是在(zài)單相流動狀(zhuàng)态下評定其(qí)測量性能，現(xiàn)在還沒有以(yi)單相流标定(dìng)的流量計用(yong)🐇來測量兩相(xiàng)流時系統變(biàn)化的評定标(biao)✍️準，因此這樣(yang)的應用究竟(jing)帶來多大的(de)誤差還不很(hěn)清楚，僅有一(yī)些零星的數(shu)據和一些定(dìng)性的分析。常(chang)用的氣液兩(liang)相流量測量(liàng)儀器有：電磁(ci)❓流量計、科氏(shi)力質量流量(liang)計、超聲流量(liang)計等。  
1.4 科(kē)氏質量流量(liang)計的測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏(shì)力的形成  
由科氏加(jia)速度作用産(chan)生科氏力。該(gāi)加速度是法(fa)國工程師科(ke)裏奧利斯在(zai)研究水輪機(ji)的機械理論(lun)時發現的。科(ke)氏力，是對旋(xuan)轉體系中進(jin)行直線運動(dong)的質點由于(yú)慣性相對于(yu)旋轉體系産(chǎn)生的直線運(yun)動♊的偏移的(de)一種描述🌈，科(ke)裏奧利🌈力來(lái)自于物體運(yùn)動所具有的(de)慣性。  
在(zài)旋轉體系中(zhong)進行直線運(yùn)動的質點，由(you)于慣性，有🏒沿(yán)著🔞原💛有運🙇🏻動(dòng)方向繼續運(yùn)動的趨勢，但(dan)是由于體系(xi)本㊙️身是旋轉(zhuan)的，在經曆了(le)一段時間的(de)運動之後，體(tǐ)系中質點的(de)位置會有所(suo)變⚽化，而它原(yuan)有的運動趨(qu)勢的方向，如(ru)果以旋轉體(tǐ)系的視角去(qu)觀察，就會發(fā)生一定程度(dù)的偏離。  
當一個質點(diǎn)相對于慣性(xing)系做直線運(yun)動時，相對于(yú)旋轉體🌈系，其(qi)軌迹是一條(tiao)曲線。立足于(yu)旋轉體系，我(wo)們認爲有一(yi)個力驅使質(zhi)點運動軌迹(ji)形成曲線，這(zhè)🔞個力就是科(ke)裏奧利力。  
科裏奧利(lì)力的計算公(gong)式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科(kē)裏奧利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲(wei)相對于靜止(zhi)參考系質點(dian)的運動速度(du)（矢量）； ω爲(wei)旋轉體系的(de)角速度（矢量(liàng)）； ×表示兩(liǎng)個向量的外(wài)積符号（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zu)右手螺旋定(ding)則）。  
1.4.2 彎管(guǎn)流量計的原(yuan)理  
原理(li)上，當被測介(jie)質通過振動(dong)的測量管道(dao)時，科氏力能(néng)直接用于質(zhì)量流量的測(cè)量。測量管道(dao)經常呈 U形如圖所示(shì)。管道用剛性(xìng)固定件支撐(chēng)，并經激勵器(qi) E沿 A-A\'軸産生振動(dòng)，形成沿該軸(zhóu)的一個旋轉(zhuan)參考系統。如(rú)果☔在‼️入口段(duan)觀察一小團(tuán)流體，那麽它(ta)的質量元流(liú)出固定端。該(gāi)質量元随管(guǎn)道半徑逐漸(jiàn)增大而作圓(yuan)弧軌迹運動(dòng)。當彎管向上(shang)運動時，形成(cheng)一個方向朝(chao)下的科氏力(lì)。同時，觀察出(chū)口段的狀态(tai)，質量元流入(rù)固定端。同樣(yang)産生一個方(fāng)☎️向朝上的科(ke)氏力。由 B稱的配置在(zai)兩邊呈現出(chu)相同數值但(dan)不同符号的(de)科氏力。在流(liú)體流動時，由(you)于力矩的作(zuo)用，導緻測量(liàng)管道沿 B-B\'軸産生一個(gè)附加的扭曲(qu)運 B動。在(zài)入口段和出(chū)口段分别安(an)裝傳感器 S1和 S2檢(jian)測管道沿 A-A\'和 B-B\'軸(zhóu)的位移量。信(xin)号過零點的(de)時間差事管(guǎn)道扭曲的檢(jian)測量👉，它🏃🏻與🍉通(tōng)過管道的質(zhi)量流量成正(zhèng)比。
科氏(shi)質量流量計(ji)原理的結構(gòu)

1.4.3 單直管(guan)流量計的測(cè)量原理  
兩端拉緊固(gu)定的測量管(guan)道是直徑 d和長度 l的钛合金(jin)管。由安裝在(zài)管道中間的(de)振動裝置以(yǐ)一階模式💋方(fāng)式産生振動(dong)。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在傳(chuan)感器檢測位(wei)置 ±z=±l/3處，振(zhen)動幅度調整(zhěng)約爲 x±m（ ±z）。如果流體(ti)質量元 m以速度 v流過由角速(su)度 ω振動(dong)的管道，那麽(me)這質量元就(jiù)會在管壁上(shàng)産生科氏力(lì)，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的前後半(bàn)段上，除了一(yi)階諧振外，還(hái)産生作㊙️用力(li)方形相反的(de)二階模式振(zhèn)動。一階和二(èr)階模式振動(dong)⁉️的疊加在時(shi)間☂️上産生 90°的相移。因(yīn)此，當管道中(zhong)存在質量流(liú)量時，測量管(guan)道産✏️生擺動(dòng)運

1.4.4 雙直(zhí)管流量計的(de)測量原理  

雙直管質(zhi)量流量計有(yǒu) 2根測量(liang)管道、優化的(de)流速分配器(qì)、 4個位移(yi)傳感器和 2個電磁式(shi)振蕩驅動器(qì)組成。其原理(lǐ)是： 2個電(dian)磁式振蕩驅(qū)動器以諧振(zhen)頻率使兩根(gen)測量管🈲道☂️同(tong)步的相向振(zhen)動。每個電磁(ci)式驅動器兩(liǎng)邊的對稱位(wei)🎯置各安裝有(yǒu)一☂️個位移檢(jiǎn)測傳感器用(yong)于測量科氏(shi)力效應。當🌈沒(méi)有介質流過(guo)✌️測量管道時(shí)，測量管道處(chu)于自然諧振(zhèn)狀态。 2個(ge)位移傳感器(qì)所測到的位(wèi)移正弦信号(hao)無相位差👣。 當有介質(zhì)流過時，由于(yu)有科氏力 FC的作用，測(ce)量管道有微(wēi)小的變形，從(cong)而使 2個(ge)位移傳感器(qì)有相位偏差(chà)。該相位偏差(cha)與科氏力 FC成正比，即(jí)與流過測量(liàng)管道的質量(liàng)流量成正比(bǐ)。相當于 2個單直管質(zhì)量流量計軸(zhou)向對稱地同(tong)步工作。  

2 科氏質量流(liu)量計的優缺(quē)點  

2.1 科氏(shi)質量流量計(jì)的優點  

時間差與測(ce)量效應成線(xiàn)性關系；直接(jie)測量質量流(liu)量㊙️；測量儀還(hái)可附加檢測(ce)流體密度 ρ 和介質溫(wēn)度 T ；測量(liàng)結果有很高(gāo)的精度（典型(xíng)的精度：質量(liàng)流量爲 ±0.1%+ 末端值的 ±0.005% ；密度 ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結果與(yǔ)壓力和溫度(dù)無關；測量結(jié)果與流體的(de)性能（密度、黏(nián)度、電導率和(hé)熱導率）無關(guān)；測量結果與(yu)流速❄️分布🔆無(wú)關，即不需要(yao)特殊的入口(kǒu)引導管道，流(liu)量計能⭕測量(liang)真正的質量(liàng)流量平均值(zhí)；出口端不需(xū)😘要施加反壓(ya)力，也就不需(xū)要出口引導(dǎo)導管；安裝位(wèi)📱置可以任意(yi)🐇選擇；可進行(háng)雙向測量；所(suǒ)有可加壓力(li)的介質都能(neng)測量，如液态(tài)和氣💞态介質(zhì)，特别是🔞受污(wū)🧡染有腐蝕♈性(xìng)的介質。  

2.2 科氏流量計(ji)的缺點  

除了上述大(da)量優點外，同(tong)樣也存在不(bú)足，如：流量計(ji)價格♍貴，複雜(za)幾何形狀的(de)測量管道使(shi)壓力損耗增(zeng)大；除單直管(guǎn)外，有些💘流量(liàng)計彎頭較多(duo)，很難清洗，而(er)且自行排空(kong)能👣力差；測量(liàng)管道的材料(liao)與被測介質(zhì)要注意它們(men)的相容性；可(ke)測量☎️zui大的流(liu)量限制爲 680T/h ；強烈的振(zhen)動和沖擊會(huì)影響流量計(jì)的機械裝置(zhi)，嚴重💜時産生(shēng)✨較大的測量(liàng)誤差；有些流(liú)量計的安裝(zhuāng)受✉️到安裝規(gui)♋程的🌐限制💃；采(cai)用流量分配(pei)器的流量計(ji)，在測量不均(jun)勻的介質時(shi)🏃🏻‍♂️，會産生🐪較大(da)的測量誤差(cha)；測量高黏度(du)介質要求附(fu)加激勵🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能量(liàng)和需✨要特殊(shū)的标定等。  

3 科氏質量(liang)流量計在氣(qì)液兩相測量(liang)中的應用  

科氏質量(liàng)流量計的應(ying)用已遍及幾(ji)乎所有工業(yè)領域。主要原(yuán)因🔆是高精度(dù)和大量程，這(zhe)是大多數其(qi)他流量測量(liang)⁉️方法所沒有(you)的。通常科氏(shi)質量流量計(ji)的精度如❓下(xià)：  

液體： ±0.10%（示值相對(duì)誤差） ± 零(ling)點的穩态值(zhi)。  

氣體： ±0.50%（示值相對(dui)誤差） ± 零(ling)點的穩态值(zhí)。  

3.1 丙烯氣(qì)液兩相流量(liang)測量技術參(can)考  

丙烯(xi)（ propylene）常溫下(xià)爲無色、無臭(chou)、稍帶有甜味(wèi)的氣體。分子(zǐ)量 42.08，在标(biao)準大氣壓下(xia)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點(dian) -185.3℃ ，沸(fèi)點 -47.4℃ 。丙烯在輸送(song)和儲存中必(bì)須進行加壓(ya)處理，另外，這(zhè)種流體的流(liú)量測量中容(rong)易因儀表的(de)壓力損失而(er)在流量計的(de)出口處産生(shēng)氣穴和伴随(sui)而來的氣蝕(shi)現象，引🍓起流(liu)量計示值偏(piān)高和流量一(yī)次裝置受損(sǔn)。  

3.2 丙烯流(liu)量測量系統(tong)誤差的生成(chéng)與處理  

在輸送過程(chéng)中當溫度将(jiang)降低或由于(yú)調節閥突然(rán)🐪關小導💃緻管(guǎn)道内壓力增(zēng)加時，丙烯會(hui)處于氣液兩(liang)相狀🏃🏻‍♂️态。此時(shí)，丙🔞烯氣液混(hun)合物密度相(xiàng)應會發生變(bian)💚化，因而給質(zhì)量流量計測(cè)量帶來誤差(chà)。誤差可以通(tōng)過密度補償(chang)來處理。  

一常用壓力(li)爲 1.0MPa 的丙(bǐng)烯氣體，其流(liu)量爲 qm，假(jia)設經長距離(lí)輸送後有 10%qm冷凝成液(ye)态，令其爲 qml，而保持氣(qì)态的部分爲(wèi) qms，從定義(yi)知，此時濕氣(qì)的幹度爲

采用溫度(dù)補償，所以按(àn)照臨界飽和(hé)狀态查表，得(dé)到此時的丙(bǐng)烯氣體密度(dù)爲 ρs，液體(tǐ)密度爲 ρL，顯然液體與(yu)氣體部分的(de)體積流量爲(wèi)

式中 qvl表示丙烯(xī)液體的體積(ji)流量， m3/s； qvs表示丙烯(xī)氣體部分的(de)體積流量， m3/s。  

由定(dìng)義知，氣體幹(gàn)部分流量占(zhàn)氣液兩相總(zong)體積流量 qv之比 Rv爲

因爲(wei)

所以

在該例中(zhong)， Rv=99.93%，由此可(ke)見，在氣液混(hun)合中，液體部(bù)分占的體積(ji)基本可以忽(hū)略☀️不計。  

另外，爲了避(bì)免丙烯流量(liang)測量時出現(xian)氣液兩相混(hùn)合現🛀象，選用(yòng)下面的設計(jì)和安裝方法(fa)将是有效的(de)。  

3.2.1 選用更(geng)的儀表  

近年來，科氏(shì)力流量計的(de)制造技術獲(huo)得了快速發(fa)展🌏，例如 CMF100傳感器與 2700變送器配(pèi)用，測量液體(ti)時，流體的質(zhi)量流量度可(kě)達流量值🌂的(de) ±0.05%，而且已(yi)延伸到氣體(tǐ)流量的測量(liang)。應用上述配(pei)置的流量計(ji)測量🐉氣體質(zhi)量流量，度可(kě)達流量值的(de) ±0.35%。并且能(néng)直接顯示質(zhi)量流量。  

3.2.2 合理選擇安(ān)裝位置  

流量傳感器(qi)安裝位置應(ying)選擇在槽的(de)頂部出口管(guǎn)道上。保證直(zhi)管段的前提(ti)下，與槽的出(chū)口處盡量近(jin)些。這樣，丙😍烯(xi)在輸送過程(cheng)中，可減少經(jīng)輸送管道從(cong)大氣中吸收(shōu)熱量。同時，安(ān)裝位置應盡(jin)量低些，這樣(yang)可提高過🤩冷(leng)深度。  

3.2.3 将(jiāng)調節閥安裝(zhuang)在流量計後(hou)邊  

丙烯(xi)中間槽與丙(bing)烯分離器之(zhi)間有較大壓(ya)差，此壓🎯差絕(jue)🥵大部分降落(luò)在調節閥上(shàng)。丙烯流過此(ci)閥時，壓力突(tū)然升高，一㊙️定(ding)數✔️量的氣體(tǐ)液化，從而出(chu)現氣液兩相(xiàng)流。爲了避免(miǎn)流過流量計(ji)🤞的流體中存(cún)在兩相流，節(jie)流閥必須裝(zhuāng)在流量計下(xia)💞遊。  

3.3 提高(gao)丙烯流量測(ce)量度的方法(fa)  

大部分(fen)質量流量計(jì)制造商以 “量程誤差(chà)加零點不穩(wěn)定度 ”的(de)方式表達基(jī)本誤差，這是(shi)因爲這種儀(yí)表零點穩定(dìng)性較差。這種(zhong)表達方式初(chū)看上去度很(hen)高，但計入零(ling)點💛不穩定度(du)後，度并不那(nà)麽高。  

零(ling)點不穩定性(xing)通常以 %FS表示，也有以(yi)流量值 kg/min表示，零點不(bú)穩定度一般(bān)在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲下限(xiàn)流量時，因零(ling)點不穩定性(xìng)引入的⭕誤差(cha)是很可觀的(de)，所以儀表選(xuǎn)用時，應将口(kǒu)徑選得盡可(ke)能小一些，這(zhe)⚽樣可将零點(diǎn)不穩定度的(de)數值減小，提(tí)高實際得到(dao)的測量度。  

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