質量流(liu)量計在(zài)氣液兩(liǎng)相測量(liàng)中的應(yīng)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(fa)  
需(xū)要測量(liàng)流量的(de)氣體種(zhong)類繁多(duo)，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(liang)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(zhì)量計量(liang)和能量(liang)計量 3種，工(gong)業發達(dá)國家質(zhì)量計量(liàng)和能量(liang)計量兩(liang)種方法(fa)都🏃在使(shǐ)用，而我(wǒ)國目前(qián)基本上(shang)以體積(ji)計量爲(wei)主。  
1.2 液體流(liu)量的測(cè)量方法(fǎ)  
常(cháng)見的液(yè)體有水(shui)、石油、液(ye)化氣體(ti)等。水流(liú)量的測(ce)量難度(du)不高，不(bú)㊙️同原理(lǐ)的流量(liang)計大多(duō)數都可(ke)以測量(liang)水的容(róng)量，但也(ye)🙇‍♀️不是随(sui)便裝一(yi)台就肯(kěn)定能用(yòng)好的。這(zhè)是因爲(wei)水的潔(jié)淨程🔞度(dù)不同，流(liú)體工況(kuang)條件各(gè)異，流量(liang)測量的(de)範圍就(jiù)會出現(xiàn)懸殊；石(shí)油具有(yǒu)一定的(de)黏稠度(dù)，因此🤟不(bú)同黏度(dù)的石油(yóu)産品所(suǒ)選擇的(de)計量儀(yí)器不同(tóng)，高黏度(du)油品如(ru)原油💁、重(zhòng)油、渣油(yóu)，爲了便(biàn)于♌輸送(sòng)，往往被(bèi)加熱到(dao)較高的(de)溫度。流(liú)體中含(hán)有固态(tai)雜質，測(ce)量前還(hai)需要♻️過(guò)濾；液化(huà)氣體屬(shǔ)于高飽(bao)和蒸氣(qi)壓液體(ti)，測量時(shí)必須考(kao)慮氣化(hua)的問題(tí)，因此🥰使(shǐ)用的流(liú)量計也(yě)比較🐕特(tè)殊，如渦(wō)街流量(liang)計、渦輪(lún)流量計(ji)、容積式(shi)流量計(ji)、科氏質(zhi)量流量(liang)計等。  
1.3 氣液(yè)多相流(liú)體的測(cè)量方法(fa)  
氣(qì)液兩相(xiang)流體的(de)流量測(ce)量從制(zhì)造商的(de)資料可(kě)看❗出，有(you)幾⭐種儀(yi)表可用(yong)來測量(liang)離散相(xiàng)濃度不(bú)高的兩(liang)相流體(ti)的流量(liàng)，在實際(ji)應用中(zhong)也有一(yī)些成功(gong)應用的(de)實例，但(dàn)目前使(shǐ)用的🥰流(liu)量計都(dou)是在📧單(dān)相流動(dong)狀态下(xia)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(liang)相流時(shí)系統變(biàn)化的評(píng)定标準(zhun)，因此這(zhe)樣的應(ying)用究竟(jìng)帶來多(duo)大的誤(wu)差還❄️不(bu)很清楚(chu)，僅有一(yī)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(xiàng)流量測(cè)量儀器(qi)有：電磁(ci)流量計(ji)、科氏♻️力(lì)質量流(liu)📞量計、超(chao)聲流量(liàng)計等。  
1.4 科氏(shì)質量流(liú)量計的(de)測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏力(lì)的形成(chéng)  
由(you)科氏加(jia)速度作(zuo)用産生(sheng)科氏力(lì)。該加速(sù)度是法(fa)國工程(chéng)師科💋裏(lǐ)奧利斯(sī)在研究(jiu)水輪機(ji)的機械(xie)理論時(shi)發現的(de)。科氏力(li)，是對旋(xuán)轉體系(xi)中進行(hang)直線運(yun)動的質(zhi)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(pian)移的一(yī)種描述(shù)，科裏奧(ao)利⁉️力來(lai)自于物(wu)體運動(dong)所具有(you)的慣🏃性(xing)。  
在(zai)旋轉體(tǐ)系中進(jin)行直線(xian)運動的(de)質點，由(you)于慣性(xìng)，有🐉沿著(zhe)原有🚩運(yùn)動方向(xiàng)繼續運(yun)動的趨(qū)勢，但是(shì)由于體(ti)系本身(shēn)是旋轉(zhuan)的，在經(jīng)曆了一(yi)段時間(jiān)的運動(dòng)之後，體(tǐ)系中質(zhi)點的🙇🏻位(wei)置會有(yǒu)所變💋化(huà)，而它原(yuán)有的運(yùn)動趨勢(shi)的方向(xiàng)，如果以(yǐ)😍旋轉體(ti)系的視(shì)角去觀(guān)察，就會(huì)發生一(yī)定程度(du)的偏離(li)。  
當(dāng)一個質(zhì)點相對(dui)于慣性(xing)系做直(zhí)線運動(dòng)時，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體💜系，其(qi)軌迹是(shi)一條曲(qu)線。立足(zu)于旋轉(zhuan)體系，我(wo)們認爲(wei)有㊙️一個(ge)力驅使(shǐ)質⭐點運(yun)動軌迹(ji)形成曲(qǔ)線，這個(gè)力就是(shi)科裏奧(ào)利力。  
科裏(lǐ)奧利力(li)的計算(suàn)公式爲(wei)： F=2mVr×ω 
式(shì)中 F爲科裏(li)奧利力(lì)； m爲(wei)質點的(de)質量； Vr爲相(xiang)對于靜(jìng)止參考(kǎo)系質點(diǎn)的運動(dong)速度（矢(shi)量）； ω爲旋轉(zhuǎn)體系的(de)角速度(du)（矢量）； ×表示(shi)兩個向(xiàng)量的外(wai)積符号(hào)（ Vr×ω：大(dà)小等于(yu) v·ω·sinθ，，方(fang)向滿足(zú)右手螺(luo)旋定則(ze)）。  
1.4.2 彎(wān)管流量(liang)計的原(yuán)理  
原理上(shàng)，當被測(ce)介質通(tong)過振動(dong)的測量(liang)管道時(shi)，科氏力(li)能直🙇‍♀️接(jie)用于質(zhì)量流量(liàng)的測量(liàng)。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(jī)勵器㊙️ E沿 A-A\'軸産(chan)生振動(dong)，形成沿(yan)該軸的(de)一個旋(xuán)轉參考(kǎo)系統。如(ru)果在🥵入(rù)🈲口段觀(guan)察一小(xiao)團流體(ti)，那麽它(ta)的質量(liàng)元流出(chū)固定端(duan)🌈。該質💞量(liang)元随管(guǎn)🌐道半徑(jing)逐漸增(zēng)大而作(zuo)圓弧軌(gui)迹運動(dòng)。當彎管(guǎn)向上運(yùn)動時，形(xíng)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(yuan)流入固(gù)定端。同(tóng)樣産生(shēng)一個方(fang)向朝上(shàng)的科氏(shì)力。由 B稱的(de)配置在(zai)兩邊呈(cheng)現出相(xiàng)同數值(zhi)但不同(tong)符号的(de)科氏力(li)。在流體(ti)流動時(shi)，由于力(li)矩的作(zuo)用，導緻(zhì)測量🌈管(guan)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(fèn)别安裝(zhuāng)傳感器(qi) S1和(he) S2檢(jian)測管道(dào)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位(wei)移量。信(xìn)号過零(líng)點的時(shí)間差事(shi)管道扭(niu)曲的檢(jiǎn)👣測♻️量，它(ta)❌與通過(guò)管道的(de)質量流(liu)量成正(zheng)比。
科氏質(zhì)量流量(liàng)計原理(lǐ)的結構(gòu)

1.4.3 單(dan)直管流(liú)量計的(de)測量原(yuan)理  
兩端拉(la)緊固定(ding)的測量(liang)管道是(shì)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(fang)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(ce)位置 ±z=±l/3處，振(zhen)動幅度(du)調整約(yue)爲 x±m（ ±z）。如(ru)果流體(tǐ)質量元(yuan) m以(yǐ)速度 v流過(guo)由角速(sù)度 ω振動的(de)管道，那(nà)麽這質(zhì)量元就(jiu)會在管(guan)壁上産(chan)生科氏(shì)力，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的前(qián)後半段(duàn)上，除了(le)一階諧(xié)振外，還(hai)産生作(zuo)用力方(fāng)形相反(fǎn)的二階(jie)模式振(zhèn)動。一階(jiē)和二階(jiē)模式振(zhèn)動👨‍❤️‍👨的疊(die)加在㊙️時(shi)間上産(chan)生 90°的相移(yi)。因此，當(dang)管道中(zhong)存在質(zhì)量流量(liang)時，測量(liàng)管道産(chan)生擺動(dong)運

1.4.4 雙直管(guan)流量計(jì)的測量(liàng)原理  

雙直(zhí)管質量(liàng)流量計(jì)有 2根測量(liang)管道、優(yōu)化的流(liu)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(qì)組成。其(qí)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(liang)管道同(tóng)步的相(xiang)向振動(dong)。每個電(diàn)磁式驅(qū)動器兩(liǎng)邊的對(dui)稱位置(zhì)各安裝(zhuāng)有一💋個(ge)位移檢(jiǎn)測傳感(gǎn)器用于(yu)測量科(kē)氏力效(xiao)應。當沒(mei)有介質(zhi)流過測(cè)量管道(dao)時，測量(liàng)管♍道處(chu)于自然(ran)諧振狀(zhuang)🔞态。 2個位移(yi)傳感器(qì)所測到(dào)的位移(yí)正弦信(xìn)号無相(xiang)位差。 當有(you)介質流(liú)過時，由(yóu)于有科(kē)氏力 FC的作(zuo)用，測量(liàng)管道有(yǒu)微小的(de)變形，從(cong)而使 2個位(wèi)移傳感(gan)器有相(xiang)位偏差(cha)。該相位(wèi)偏差與(yǔ)科氏力(li) FC成(chéng)正比，即(ji)與流過(guò)測量管(guǎn)道的質(zhi)量流量(liàng)成正比(bǐ)。相❓當⛹🏻‍♀️于(yu) 2個(ge)單直管(guǎn)質量流(liú)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(dian)  

2.1 科(ke)氏質量(liang)流量計(ji)的優點(dian)  

時(shi)間差與(yu)測量效(xiào)應成線(xiàn)性關系(xi)；直接測(cè)量質量(liàng)流量；測(ce)⛱️量儀還(hái)可附加(jiā)檢測流(liú)體密度(dù) ρ 和(hé)介質溫(wen)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(duān)值的 ±0.005% ；密度(dù) ρ爲(wei) ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結(jie)果與壓(ya)力和溫(wen)度無關(guan)；測量結(jie)果與流(liú)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(guǒ)與流速(sù)分布無(wu)關🌈，即不(bú)需要特(tè)殊的入(rù)口引導(dǎo)管道，流(liú)量計能(néng)測量真(zhen)正的質(zhì)量流量(liàng)平均值(zhi)；出口端(duān)不需要(yào)施加反(fan)壓力，也(yě)就💚不需(xu)要出口(kǒu)引導導(dao)♊管；安裝(zhuang)位💘置可(kě)以任意(yi)選擇；可(kě)進行雙(shuāng)向測量(liàng)；所有可(kě)加壓力(li)的介質(zhì)都能測(cè)量，如液(yè)态和氣(qì)态介質(zhi)，特别是(shì)受污✏️染(rǎn)有腐蝕(shí)性的介(jie)質。  

2.2 科氏流(liú)量計的(de)缺點  

除了(le)上述大(da)量優點(diǎn)外，同樣(yàng)也存在(zai)不足，如(rú)：流量計(ji)👅價格貴(guì)，複雜幾(ji)何形狀(zhuàng)的測量(liàng)管道使(shǐ)壓力損(sǔn)耗增🤩大(dà)；除單直(zhi)管外，有(yǒu)些流量(liang)計彎頭(tóu)較多，很(hěn)難清洗(xǐ)，而且自(zì)行排空(kong)能力差(chà)；測量管(guan)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(liú)量限制(zhi)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(zhuāng)置，嚴重(zhong)時産生(sheng)🤩較❤️大的(de)測量誤(wù)差；有些(xiē)流量計(jì)的安裝(zhuāng)受到安(an)裝規程(chéng)的限制(zhì)；采用流(liú)量分配(pei)器的流(liú)量計，在(zài)測量不(bu)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(dù)🌈介質要(yao)求附加(jiā)激勵能(néng)量和需(xu)要特殊(shu)的标定(ding)等。  

3 科氏質(zhi)量流量(liàng)計在氣(qì)液兩相(xiang)測量中(zhōng)的應用(yong)  

科(ke)氏質量(liang)流量計(jì)的應用(yong)已遍及(jí)幾乎所(suǒ)有工業(ye)領域。主(zhǔ)要原因(yīn)是高精(jing)度和大(dà)量程，這(zhe)是大多(duō)數其他(ta)流量🐉測(ce)量方法(fa)所沒有(you)的。通常(chang)科氏質(zhì)量流量(liàng)計的精(jīng)度如下(xià)：  

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

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

3.1 丙烯氣(qì)液兩相(xiang)流量測(cè)量技術(shù)參考  

丙烯(xī)（ propylene）常(cháng)溫下爲(wèi)無色、無(wú)臭、稍帶(dai)有甜味(wèi)的氣體(ti)。分子量(liàng) 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(fèi)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(biǎo)的壓力(lì)損失而(er)✏️在流💔量(liang)計的出(chu)口處産(chan)生氣穴(xue)和伴随(suí)而來的(de)氣蝕現(xian)象，引起(qǐ)流量📧計(ji)示值偏(pian)高和流(liú)量一✨次(cì)裝置受(shou)損🐉。  

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

在輸送(sòng)過程中(zhong)當溫度(du)将降低(dī)或由于(yú)調節閥(fa)突然關(guan)小導緻(zhì)管道内(nei)壓力增(zeng)加時，丙(bǐng)烯會處(chu)于氣液(yè)兩相狀(zhuang)态。此✏️時(shí)，丙🈲烯氣(qì)液混合(hé)物密度(du)相應會(hui)發生變(biàn)化，因而(ér)給質量(liang)流量計(jì)♍測量帶(dai)來誤差(chà)。誤差可(ke)以通過(guò)密度補(bǔ)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(she)經長距(ju)離輸送(song)後有 10%qm冷凝(níng)成液态(tài)，令其爲(wei) qml，而(ér)保持氣(qi)态的部(bù)分爲 qms，從定(ding)義知，此(ci)時濕氣(qi)的幹度(du)爲

采用溫(wēn)度補償(chang)，所以按(àn)照臨界(jiè)飽和狀(zhuang)态查表(biǎo)，得到此(ci)時的丙(bǐng)烯氣體(tǐ)密度爲(wèi) ρs，液(yè)體密度(du)爲 ρL，顯然液(ye)體與氣(qi)體部分(fèn)的體積(jī)流量爲(wei)

式(shì)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(liu)量， m3/s。  

由(yóu)定義知(zhi)，氣體幹(gan)部分流(liu)量占氣(qì)液兩相(xiàng)總體積(jī)流量 qv之比(bǐ) Rv爲(wèi)

因(yīn)爲

所以

在該(gai)例中， Rv=99.93%，由此(ci)可見，在(zài)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(ling)外，爲了(le)避免丙(bǐng)烯流量(liang)測量時(shi)出現氣(qi)液兩相(xiàng)混合現(xian)象，選用(yòng)📱下面的(de)設計和(he)安裝方(fāng)法将是(shi)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(shù)獲得了(le)快速發(fā)展，例如(rú) CMF100傳(chuan)感器與(yǔ) 2700變(biàn)送器配(pèi)用，測量(liàng)液體時(shi)，流體的(de)質量流(liu)量度可(ke)達流💋量(liang)值的 ±0.05%，而且(qie)已延伸(shen)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(liang)流量，度(dù)可達流(liú)量值的(de) ±0.35%。并(bìng)且能直(zhí)接顯示(shi)質量流(liu)量。  

3.2.2 合理選(xuan)擇安裝(zhuāng)位置  

流量(liang)傳感器(qì)安裝位(wèi)置應選(xuan)擇在槽(cao)的頂部(bu)出口管(guǎn)道上。保(bǎo)證直管(guǎn)段的前(qián)提下，與(yǔ)槽的出(chū)口處盡(jin)量近些(xiē)。這💔樣，丙(bǐng)烯在輸(shu)送過程(chéng)中，可減(jiǎn)少經輸(shū)送管道(dào)從大氣(qi)中吸收(shou)熱量。同(tong)時，安裝(zhuāng)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(liàng)計後邊(biān)  

丙(bǐng)烯中間(jian)槽與丙(bǐng)烯分離(lí)器之間(jian)有較大(da)壓差，此(ci)壓差絕(jue)大部分(fèn)降落在(zai)調節閥(fá)上。丙烯(xi)流過此(cǐ)閥時，壓(yā)💰力突然(ran)升📞高，一(yī)定數量(liang)的氣體(tǐ)液化，從(cóng)而出現(xian)氣液🌐兩(liang)相流🌈。爲(wei)了避免(mian)流過流(liu)量計的(de)流體中(zhong)存在兩(liang)相流，節(jie)流閥✌️必(bì)須裝在(zai)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(yi) “量(liàng)程誤差(cha)加零點(diǎn)不穩定(dìng)度 ”的方式(shi)表達基(jī)本誤差(chà)，這是因(yīn)爲這種(zhǒng)儀表零(líng)點穩定(dìng)性較差(chà)💋。這種表(biao)達方式(shì)初看上(shang)去度很(hěn)高，但計(ji)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(yě)有以流(liú)量值 kg/min表示(shi)，零點不(bu)穩定度(du)一般在(zai) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dāng)流量爲(wèi)下限流(liú)量時，因(yīn)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(xuǎn)用時，應(yīng)将口徑(jing)選得盡(jìn)可能小(xiao)一⛹🏻‍♀️些，這(zhe)樣可将(jiang)零點不(bú)穩定度(du)的數值(zhí)減小，提(tí)高實際(jì)得到的(de)測量度(dù)。  

參(can)考文獻(xian)  
[1]張(zhāng)可欣 .城鎮(zhen)供水排(pái)水行業(ye)流量計(ji)量儀表(biao)的選型(xing)與應用(yòng)技術 [M].北京(jing)：中國建(jiàn)築工業(yè)出版社(she)， 2010， 5. 
[2]梁國(guó)偉 蔡武昌(chāng) .流(liu)量測量(liàng)技術及(jí)儀表 [M].北京(jīng)：機械工(gong)業出版(bǎn)社， 2002， 5. 
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[4]鄭德(de)智，樊尚(shang)春，刑維(wei)魏 .科氏質(zhì)量流量(liàng)計相位(wei)差檢測(ce)新方法(fǎ) [J].儀(yi)器儀表(biǎo)學報， 2005， 26(5).(end)