質量流量計(ji)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(fāng)法  
1.1氣體(ti)流量的測量(liang)方法  
需(xu)要測量流量(liàng)的氣體種類(lei)繁多，其測量(liàng)的儀器儀表(biao)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(yì)📐計量分爲😄體(tǐ)積計量、質量(liang)計量和能量(liang)計量 3種(zhǒng)，工業發達國(guó)家質量計量(liàng)和能量計量(liàng)兩種方法都(dou)在使用🍓，而我(wo)國目前基本(běn)上以體積計(ji)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(yóu)、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(suí)便裝一台就(jiù)肯定能用好(hǎo)的。這是因💋爲(wèi)水的🤟潔淨程(cheng)度不同，流體(ti)工況條件各(gè)異，流量測量(liàng)的範圍就會(huì)出現懸殊；石(shi)油具有一定(dìng)的🔅黏稠度，因(yīn)此不同黏度(dù)的石油産品(pin)所😄選擇的計(ji)量儀器不同(tóng)，高黏💯度油品(pin)如原油、重油(yóu)、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(he)蒸氣壓液體(ti)，測量時必須(xu)考慮氣⛱️化的(de)問題，因此使(shǐ)用的流量計(jì)也比較🚶‍♀️特殊(shū)，如渦街流量(liàng)計、渦輪流量(liang)計、容積式流(liu)量🎯計、科氏質(zhì)量🌈流量計等(děng)。  
1.3 氣液多(duō)相流體的測(cè)量方法  
氣液兩相流(liú)體的流量測(cè)量從制造商(shāng)的資料可看(kàn)🐆出，有幾種儀(yi)表可用來測(ce)量離散相濃(nóng)度不高的兩(liang)相流體的流(liu)量✊，在實際應(ying)用中也有一(yi)些成功應用(yòng)🏃‍♂️的實例，但目(mù)前使用的💚流(liú)量計都是在(zài)💞單相流動狀(zhuang)🍉态下評定其(qi)測量性能，現(xian)在還沒有以(yi)單相流标定(ding)的流量計用(yòng)來測量兩相(xiang)流時系統變(biàn)化的評定标(biāo)準，因此這樣(yàng)的應用究竟(jing)帶來多大的(de)誤差還不很(hěn)清楚，僅有一(yi)些零星的數(shu)據和一些定(ding)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(shì)力質量流量(liàng)計、超聲流量(liàng)計等🔞。  
1.4 科(kē)氏質量流量(liang)計的測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏(shì)力的形成  
由科氏加(jiā)速度作用産(chǎn)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(kē)氏力，是對旋(xuan)轉體系中進(jin)行直線運動(dòng)的🐅質點由于(yu)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(kē)裏奧利力來(lai)自于物體運(yun)動所具有的(de)慣性。  
在(zai)旋轉體系中(zhōng)進行直線運(yun)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(xì)本身是旋轉(zhuǎn)的，在經曆了(le)一段時間的(de)運動之後，體(ti)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(rú)果以✏️旋轉體(ti)系的視角去(qu)觀察，就會發(fa)生一定程度(dù)的偏離。  
當一個質點(diǎn)相對于慣性(xìng)系做直線運(yun)動時，相對于(yu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼旋轉體系，其(qí)軌迹是一條(tiáo)曲線。立足于(yu)旋轉體系，我(wo)們認爲有一(yī)個💯力驅使質(zhì)點運動軌迹(ji)形成曲線，這(zhe)個力就是科(ke)裏奧利力。  
科裏奧利(li)力的計算公(gōng)式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科(ke)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(diǎn)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(zú)右手螺旋定(ding)則）。  
1.4.2 彎管(guan)流量計的原(yuan)理  
原理(lǐ)上，當被測介(jie)質通過振動(dòng)的測量管道(dao)時，科氏力能(neng)直接用于質(zhì)量流量的測(ce)量。測量管道(dao)經常呈 U形如圖所示(shi)。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(dong)，形成沿該軸(zhóu)的一個旋轉(zhuan)參考系統。如(ru)果在入口段(duan)觀察一小團(tuán)流體，那麽它(tā)的質量元流(liu)出固定端。該(gāi)質🌈量元👨‍❤️‍👨随管(guǎn)道半徑逐漸(jian)增大而作圓(yuan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼弧軌迹運動(dòng)。當彎管向上(shàng)運動♌時，形成(cheng)一個方向朝(cháo)下的科氏力(lì)。同時，觀察出(chū)口段的狀态(tài)，質量元流入(rù)固定端。同樣(yàng)産生一個方(fāng)向朝上的科(kē)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(liu)體流動時，由(yóu)于力矩的作(zuo)用，導緻測量(liàng)管道沿 B-B\'軸産生一個(ge)附加的扭曲(qu)運 B動。在(zai)入口段和出(chū)口段分别安(ān)裝傳感器 S1和 S2檢(jiǎn)測管道沿 A-A\'和 B-B\'軸(zhou)的位移量。信(xin)号過零點的(de)時間差事管(guǎn)道扭曲的檢(jiǎn)測量，它與通(tong)過管道的質(zhi)量流量成正(zheng)比。
科氏(shì)質量流量計(jì)原理的結構(gou)

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(guǎn)道是直徑 d和長度 l的钛合金(jīn)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(dòng)。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在傳(chuán)感器檢測位(wèi)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(dòng)的管道，那麽(me)這質量元就(jiu)會在管壁上(shang)産生科氏力(lì)，即💃 FC=2mv×ω在管(guan)道的前後半(ban)段上，除了一(yī)階諧振外，還(hái)産生作用力(lì)方形相反的(de)二階模式振(zhen)動。一階和二(èr)階模式振動(dòng)的疊加在時(shí)間上産生 90°的相移。因(yin)此，當管道中(zhōng)存在質量流(liú)量時，測量管(guǎn)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(zhì)量流量計有(yǒu) 2根測量(liang)管道、優化的(de)流速分配器(qi)、 4個位移(yi)傳感器和 2個電磁式(shi)振蕩驅動器(qi)組成。其原理(lǐ)是： 2個電(diàn)磁式振蕩驅(qū)動器以諧振(zhen)頻率使兩根(gēn)測量管🐆道同(tóng)步的相向振(zhen)動。每個電磁(ci)式驅動器兩(liang)邊的對稱位(wei)置各安裝♊有(yǒu)一個位移檢(jian)測傳感器用(yong)于測量科氏(shì)力效應。當沒(mei)有介質流過(guo)測量管🤞道時(shí)，測量管🌏道處(chu)于自然諧振(zhen)狀态。 2個(gè)位移傳感器(qi)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(wei)小的變形，從(cóng)而使 2個(gè)位移傳感器(qi)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(liang)管道的質量(liàng)流量成正比(bi)。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(ji)的優點  

時間差與測(cè)量效應成線(xian)性關系；直接(jiē)測量質量流(liú)量；測量儀還(hai)可附加檢測(cè)流體密度 ρ 和介質溫(wēn)度 T ；測量(liang)結果有很高(gao)的精度（典型(xíng)的精度：質量(liang)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(du)無關；測量結(jie)果與流體的(de)性能（密度、黏(nián)度、電導率和(he)熱導率）無關(guan)；測量結果與(yu)流速分布無(wú)關，即不需要(yào)特殊的入口(kǒu)引導管道，流(liú)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(dao)導🍓管；安裝位(wei)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(xing)的介質。  

2.2 科氏流量計(ji)的缺點  

除了上述大(dà)量優點外，同(tóng)樣也存在不(bu)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(liang)計彎頭較多(duo)，很難清洗，而(ér)且自行排空(kong)能力差；測量(liang)管道的材料(liào)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(zhèn)動和沖擊會(huì)影響流量計(jì)的機械裝置(zhì)，嚴重時産生(sheng)較大的測量(liàng)誤差；有些流(liu)量計的安裝(zhuang)受到安裝規(guī)程的限制；采(cai)用流量分配(pei)器的流量計(ji)，在㊙️測量不均(jun1)勻的介質時(shi)，會産生🈲較大(dà)的💰測量誤差(chà)；測量高黏度(dù)介質要求附(fù)加激勵🚶能量(liàng)和需要特殊(shu)的标定等。  

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

科氏質量(liang)流量計的應(ying)用已遍及幾(jǐ)乎所有工業(ye)領域。主要原(yuan)因是高精度(du)和大量程，這(zhè)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(xia)：  

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

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

3.1 丙烯氣(qi)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(chòu)、稍帶有甜味(wèi)的氣體。分子(zi)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(sòng)和儲存中必(bi)須進行加壓(ya)處理，另外，這(zhè)種流體的流(liu)🍉量測量中容(róng)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(suí)而來的氣蝕(shi)現象，引起流(liú)量計示值偏(pian)高和流量一(yi)次裝置受損(sǔn)。  

3.2 丙烯流(liu)量測量系統(tong)誤差的生成(cheng)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(ran)關✌️小導緻管(guǎn)道内壓力增(zeng)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(xiang)應會發生變(bian)化，因而給質(zhi)量流量計✂️測(cè)量帶來誤差(cha)♊。誤差可以通(tong)✍️過密度補💔償(cháng)來處理。  

一常用壓力(lì)爲 1.0MPa 的丙(bing)烯氣體，其流(liu)量爲 qm，假(jiǎ)設經長距離(li)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(wei) qms，從定義(yì)知，此時濕氣(qì)的幹度爲

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

式中 qvl表示丙烯(xi)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(ding)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(wèi)

所以

在該例中(zhong)， Rv=99.93%，由此可(kě)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(bi)免丙烯流量(liàng)測量時出現(xian)氣液兩相混(hùn)合🙇‍♀️現象，選用(yong)下面的設計(jì)和安裝方法(fa)将是有效的(de)。  

3.2.1 選用更(gèng)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(fā)💔展🎯，例如 CMF100傳感器與 2700變送器配(pei)用，測量液體(tǐ)時，流體的質(zhì)量流量度可(ke)達流🛀量值💔的(de)♊ ±0.05%，而且已(yi)延伸到氣體(ti)流量的測量(liàng)。應用上述配(pei)置的流量計(jì)👅測量氣體質(zhi)量流量，度可(ke)達流量值的(de) ±0.35%。并且能(néng)直接顯示質(zhì)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(zhí)管段的前提(tí)下，與槽的出(chū)口處盡量近(jin)些。這樣，丙烯(xī)在輸送過程(chéng)🤩中，可減少經(jīng)輸送管道從(cóng)大氣中吸收(shōu)熱量。同時🌈，安(an)裝位置應盡(jin)量低些，這樣(yang)😄可提高過冷(leng)深度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安裝(zhuāng)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(cǐ)閥時，壓力突(tu)然升高，一定(ding)數量的氣體(ti)液化，從而出(chū)現氣液兩相(xiang)流。爲了避免(miǎn)流過流量計(jì)✉️的流體中存(cún)在兩相流，節(jiē)流閥必須裝(zhuāng)在流量計下(xia)遊。  

3.3 提高(gao)丙烯流量測(cè)量度的方法(fa)  

大部分(fen)質量流量計(ji)制造商以 “量程誤差(cha)加零點不穩(wen)定度 ”的(de)方式表達基(ji)本誤差，這是(shì)因爲這種儀(yí)表零點穩定(ding)性較差✨。這🍉種(zhong)表達方式初(chū)看上去度很(hěn)高，但計入零(líng)點不穩🌈定度(du)後，度并不那(na)麽高。  

零(líng)點不穩定性(xìng)通常以 %FS表示，也有以(yǐ)流量值 kg/min表示，零點不(bu)穩定度一般(bān)在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dang)流量爲下限(xian)流量時，因零(ling)點不穩定性(xing)引入的誤差(cha)是🔴很♍可觀的(de)，所以儀表選(xuǎn)用時，應将口(kou)徑選得盡可(ke)能小一些，這(zhè)樣可将零點(diǎn)不穩定度的(de)數值🈲減小，提(tí)高實際得到(dào)的🌍測量度。  

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