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

1 常見流(liu)體的測量(liang)方法  
1.1氣體流量(liang)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(liàng)爲例：目前(qian)，天然氣🌏貿(mào)易計量分(fen)爲體積計(jì)量、質量計(ji)量和能量(liang)計量 3種，工業發(fa)達國家質(zhì)量計量和(he)能量計量(liàng)兩種方法(fa)都在使用(yong)，而我國目(mù)前基本上(shang)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(qi)體等。水流(liu)量的測量(liàng)難🏃‍♀️度不高(gao)，不同原理(lǐ)的流量計(jì)大多數都(dou)可以測量(liang)水的容量(liàng)，但也不是(shi)随便裝一(yī)台就肯定(ding)能用好的(de)。這是因爲(wèi)水的潔淨(jing)程度不同(tong)，流體工況(kuàng)條件各異(yi)，流量測量(liàng)的範圍就(jiù)會出現懸(xuán)殊；石油具(ju)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(liang)儀器不同(tóng)，高黏度油(you)品如原油(yóu)、重油、渣油(you)，爲了便于(yú)輸送，往往(wang)被加熱到(dao)較高的溫(wen)度。流🤩體中(zhong)含有固态(tài)雜質，測量(liàng)前還需要(yao)過濾；液化(hua)氣體屬🚶‍♀️于(yu)高飽和蒸(zhēng)氣壓液體(ti)，測量時必(bi)須考慮氣(qì)🏃化的問題(ti)，因此使用(yong)的流量計(ji)也比較特(tè)殊，如渦街(jiē)流量計、渦(wo)輪流量計(ji)🚩、容積式流(liu)量計、科氏(shì)質量♈流量(liàng)計等。  
1.3 氣液多相(xiàng)流體的測(cè)量方法  
氣液兩(liang)相流體的(de)流量測量(liang)從制造商(shāng)的資料可(kě)看出，有幾(ji)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(zài)實際應用(yong)中也有一(yi)些成功應(ying)用的實例(li)，但目前使(shǐ)用的流量(liàng)計✔️都是在(zai)單相流動(dong)狀态下評(ping)定其測量(liang)性能，現在(zài)還沒有以(yǐ)單相流标(biao)定的流量(liang)計用來測(cè)量兩相流(liú)時系統變(bian)化的評定(dìng)标準，因此(cǐ)這樣的應(ying)用究竟帶(dai)來多大的(de)誤差還不(bú)很清楚，僅(jǐn)有一些零(ling)星的數據(ju)和一些定(dìng)性的分析(xi)。常用的氣(qì)液兩相流(liu)量測量儀(yi)器有：電磁(cí)流量計、科(ke)氏力質量(liàng)流🈲量計、超(chao)聲流量計(jì)等👄。  
1.4 科(ke)氏質量流(liú)量計的測(cè)量原理  
1.4.1 科氏力(li)的形成  
由科氏(shi)加速度作(zuò)用産生科(kē)氏力。該加(jia)速度是法(fa)國❄️工程🈲師(shi)科裏奧利(lì)斯在研究(jiu)水輪機的(de)機械理論(lun)時✊發現的(de)。科氏力，是(shì)對🤩旋轉體(tǐ)系中進行(háng)直線運動(dong)的🏃🏻質點由(you)🐇于慣性相(xiàng)對于旋轉(zhuan)體系産生(shēng)的直線運(yun)動🌏的偏移(yi)的一種描(miáo)述，科裏奧(ao)利力來自(zì)于物體運(yùn)動所具有(you)的慣⛹🏻‍♀️性。  
在旋轉(zhuan)體系中進(jin)行直線運(yun)動的質點(diǎn)，由于慣性(xìng)，有沿🌈著原(yuan)有運動方(fāng)向繼續運(yun)動的趨勢(shi)，但是由于(yú)體系本㊙️身(shēn)是♻️旋轉💯的(de)，在🌐經曆了(le)一段時間(jian)的運動之(zhī)後💔，體系中(zhong)♻️質點的位(wèi)置會有所(suǒ)變化，而它(ta)原有的運(yùn)動♌趨勢的(de)方向，如果(guo)以旋轉體(ti)系的視角(jiǎo)去觀察，就(jiù)會發生一(yī)定程度的(de)偏離。  
當一個質(zhì)點相對于(yu)慣性系做(zuo)直線運動(dong)時，相對于(yú)旋轉體系(xì)，其軌迹是(shì)一條曲線(xiàn)。立足于旋(xuan)轉體系，我(wo)們認🍉爲有(you)一個♋力驅(qu)🌈使質點運(yun)動軌迹形(xing)成曲線，這(zhe)個力就🔆是(shi)科裏奧利(li)力。  
科(ke)裏奧利力(li)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(yú)靜止參考(kao)系質點的(de)運動速度(du)（矢量）； ω爲旋轉體(ti)系的角速(sù)度（矢量）； ×表示兩(liang)個向量的(de)外積符号(hào)（ Vr×ω：大小(xiao)等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zu)右手螺旋(xuan)定則）。  
1.4.2 彎管流量(liàng)計的原理(li)  
原理(li)上，當被測(ce)介質通過(guo)振動的測(ce)量管道時(shi)，科氏🎯力能(neng)💚直接用于(yú)質量流量(liang)的測量。測(cè)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(qi) E沿 A-A\'軸産生(sheng)振動，形成(chéng)沿該軸的(de)一個旋轉(zhuan)參考系統(tong)。如🌈果在入(rù)口段觀察(cha)一小團流(liu)體，那麽它(ta)的質量元(yuán)流出固定(ding)端。該質量(liàng)元随管道(dào)半徑逐漸(jian)增大而作(zuò)圓弧軌迹(ji)運動。當彎(wan)管向上運(yun)動時，形成(chéng)一個方向(xiang)朝下的科(ke)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(sheng)一個方向(xiang)朝上的科(ke)氏力。由 B稱的配(pèi)置在兩邊(bian)呈現出相(xiang)同數值但(dan)不同符号(hào)的科💜氏力(li)。在流體流(liú)動時，由于(yu)力矩的作(zuò)用，導緻測(cè)量管道沿(yán) B-B\'軸産(chǎn)生一個附(fù)加的扭曲(qǔ)運 B動(dong)。在入口段(duan)和出口段(duàn)分别安裝(zhuāng)傳感器 S1和 S2檢測管道(dao)沿 A-A\'和(hé) B-B\'軸的(de)位移量。信(xìn)号過零點(diǎn)的時間差(cha)事管道扭(niǔ)曲的檢🛀🏻測(cè)量💰，它與通(tōng)過管道的(de)質量流量(liàng)成正比。
科氏質(zhi)量流量計(ji)原理的結(jie)構

1.4.3 單(dan)直管流量(liang)計的測量(liàng)原理  
兩端拉緊(jin)固定的測(ce)量管道是(shì)直徑 d和長度 l的钛合(hé)金管。由安(an)裝在管道(dao)中間的振(zhen)動裝置以(yi)一🔱階模式(shì)方式産生(sheng)振動。工作(zuò)頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在(zài)傳感器檢(jiǎn)測位置 ±z=±l/3處，振動(dong)幅度調整(zheng)約爲 x±m（ ±z）。如果(guo)流體質量(liàng)元 m以(yǐ)速度 v流過由角(jiǎo)速度 ω振動的管(guǎn)道，那麽這(zhè)質量元就(jiu)會在管壁(bì)上産生科(ke)氏力，即 FC=2mv×ω在管道(dào)的前後半(bàn)段上，除了(le)一階諧振(zhèn)外，還産生(sheng)作用力方(fang)形相反的(de)二階模式(shi)振動。一階(jiē)和二階模(mo)式振動😄的(de)疊加在時(shi)間上産👄生(sheng) 90°的相(xiàng)移。因此，當(dang)管道中存(cun)在質量流(liú)量時，測量(liàng)管道産👨‍❤️‍👨生(shēng)🌈擺動運㊙️

1.4.4 雙直管(guǎn)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(chuán)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(diàn)磁式振蕩(dàng)驅動器以(yi)諧振頻率(lǜ)使兩根測(ce)量管道同(tóng)步的相向(xiang)振動。每個(ge)電磁式驅(qu)動器兩邊(bian)的對稱位(wèi)置各💛安裝(zhuāng)有一個位(wèi)移檢測傳(chuan)感器用于(yú)測量🤩科氏(shi)力⭐效應。當(dāng)沒有介質(zhì)流過測量(liàng)管道時，測(ce)量管道處(chu)于自📱然諧(xié)振狀✌️态。 2個位移(yí)傳感器所(suo)測到的位(wei)移正弦信(xìn)号無相位(wei)差♌。 當(dāng)有介質流(liú)過時，由于(yu)有科氏力(li) FC的作(zuo)用，測量管(guan)道有微小(xiǎo)的變形，從(cóng)而使 2個位移傳(chuan)感器有相(xiang)位偏差。該(gāi)相位偏差(chà)與科氏力(li) 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(dan)直管質量(liang)流量計軸(zhóu)向對稱地(di)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(liú)量計的優(you)點  

時(shí)間差與測(ce)量效應成(cheng)線性關系(xi)；直接測量(liang)質量流量(liàng)；測🔞量儀還(hai)可附加檢(jiǎn)測流體密(mi)度 ρ 和(he)介質溫度(du) T ；測量(liang)結果有很(hěn)高的精度(dù)（典型的精(jing)度：質量流(liu)量爲 ±0.1%+ 末端值的(de) ±0.005% ；密度(du) ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲(wèi) ±0.05%+5℃ ）；測量結果(guo)與壓力和(he)溫度無關(guan)；測量結果(guǒ)與流體的(de)性能（密度(dù)🔞、黏👌度、電導(dǎo)率和熱導(dao)率）無關；測(cè)量結果與(yu)流速分布(bù)無關，即不(bu)需要特殊(shū)的入口引(yin)導管道，流(liu)☎️量計能測(cè)量真正的(de)質量流量(liang)平均值；出(chu)口端不需(xū)要施加反(fǎn)壓力，也就(jiu)不需要出(chu)口引導導(dao)🌈管；安裝位(wei)置可以任(rèn)意選擇；可(kě)進行雙向(xiang)測量；所有(yǒu)可加壓力(lì)的介質都(dōu)能👨‍❤️‍👨測量，如(rú)液态和氣(qi)态介質，特(te)别是❌受污(wū)🔞染有腐蝕(shi)性的介質(zhì)。  

2.2 科氏(shi)流量計的(de)缺點  

除了上述(shu)大量優點(diǎn)外，同樣也(yě)存在不足(zu)，如：流量計(ji)價格貴，複(fú)雜🛀幾何形(xíng)狀的測量(liàng)管道使壓(yā)力損耗增(zēng)大；除單直(zhi)📞管外❓，有些(xie)流量計彎(wān)頭較多，很(hen)難清洗，而(er)且自行排(pái)空能力差(chà)；測量管道(dào)的材料與(yu)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(chong)擊會影響(xiang)流量計的(de)機械裝置(zhì)，嚴重時産(chan)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(xiàn)制；采用流(liu)量分配器(qì)的流量計(jì)，在測量不(bu)均勻的介(jie)質時，會産(chan)生較大的(de)測量誤差(cha)；測量高黏(nian)度介質要(yao)求附加激(jī)勵能量和(hé)需要特殊(shū)的👌标定等(deng)。  

3 科氏(shì)質量流量(liang)計在氣液(yè)兩相測量(liàng)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(zhǔ)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(fǎ)所沒有的(de)🐆。通常科氏(shi)質量流量(liang)計的精度(du)如㊙️下：  

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

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

3.1 丙烯氣液(ye)兩相流量(liàng)測量技術(shu)參考  

丙烯（ propylene）常溫下爲(wèi)無色、無臭(chou)、稍帶有甜(tián)味的氣體(ti)。分子量 42.08，在标準(zhǔn)大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點(diǎn) -47.4℃ 。丙烯在輸(shū)送和儲存(cún)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(yin)儀表的壓(yā)力損失而(ér)在流量計(ji)的出口處(chù)🚶‍♀️産生氣穴(xué)和伴随而(er)來的氣蝕(shí)現象，引起(qǐ)流量計示(shi)值偏高和(hé)流量一次(cì)裝置受損(sun)。  

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

在輸送過(guò)程中當溫(wen)度将降低(di)或由于調(diào)節閥突然(ran)☔關小導緻(zhì)管道内壓(ya)力增加時(shi)，丙烯會處(chù)于氣液兩(liǎng)相狀态。此(ci)時，丙烯氣(qì)液混合物(wù)密度相應(yīng)會發生變(bian)化，因而給(gěi)質量流量(liàng)計測量帶(dài)⛷️來誤差。誤(wu)差可以通(tong)過密度補(bǔ)償來處理(li)。  

一常(chang)用壓力爲(wei) 1.0MPa 的丙(bǐng)烯氣體，其(qi)流量爲 qm，假設經(jīng)長距離輸(shu)送後有 10%qm冷凝成(chéng)液态，令其(qí)爲 qml，而(ér)保持氣态(tai)的部分爲(wei) qms，從定(ding)義知，此時(shi)濕氣的幹(gàn)度爲

采用溫度(dù)補償，所以(yǐ)按照臨界(jie)飽和狀态(tài)查表，得到(dào)此時的丙(bing)烯氣體密(mì)度爲 ρs，液體密度(dù)爲 ρL，顯(xiǎn)然液體與(yǔ)氣體部分(fèn)的體積流(liú)量爲

式中 qvl表示丙烯(xi)液體的體(tǐ)積流量， m3/s； qvs表(biao)示丙烯氣(qì)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(xiang)總體積流(liú)量 qv之(zhī)比 Rv爲(wei)

因爲(wèi)

所以(yi)

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此可見(jian)，在氣液混(hùn)合中，液體(ti)部分占的(de)體積基本(běn)👈可以忽略(luè)不計。  

另外，爲了(le)避免丙烯(xī)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(jiāng)是有效的(de)。  

3.2.1 選用(yòng)更的儀表(biao)  

近年(nian)來，科氏力(lì)流量計的(de)制造技術(shu)獲得了快(kuài)速發展，例(li)🔞如 CMF100傳(chuan)感器與 2700變送器(qi)配用，測量(liang)液體時，流(liu)體的質量(liang)流量度可(ke)達流量值(zhí)📞的🈚 ±0.05%，而(ér)且已延伸(shēn)到氣體流(liú)量的測量(liang)。應用上述(shu)配置的❄️流(liú)量✏️計測量(liang)氣體質量(liang)流量，度可(ke)達流量值(zhí)的 ±0.35%。并(bing)且能直接(jiē)顯示質量(liàng)流量。  

3.2.2 合理選擇(ze)安裝位置(zhi)  

流量(liàng)傳感器安(an)裝位置應(ying)選擇在槽(cao)的頂部出(chu)口管道上(shang)。保證直管(guan)段的前提(ti)下，與槽的(de)出口處盡(jin)量近些。這(zhè)💛樣，丙烯在(zai)輸送過程(cheng)中，可減少(shao)經輸送管(guan)道從大氣(qì)中吸收熱(re)量。同時，安(ān)裝位🆚置應(yīng)盡量低些(xie)，這樣可提(ti)高過冷深(shen)度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安(ān)裝在流量(liang)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(cǐ)壓差絕⛷️大(da)部分降落(luo)在調節閥(fá)上。丙烯流(liú)過此閥時(shi)，壓力突然(rán)升高，一定(ding)數量的氣(qì)體液化，從(cong)而出現氣(qi)液兩相流(liú)。爲了避免(miǎn)流過✔️流量(liang)計的流體(tǐ)☂️中存在兩(liǎng)相流，節流(liú)閥必須裝(zhuāng)在流量計(jì)下遊。  

3.3 提高丙烯(xī)流量測量(liang)度的方法(fǎ)  

大部(bu)分質量流(liú)量計制造(zào)商以 “量程誤差(chà)加零點不(bu)穩定度 ”的方式(shì)表達基本(ben)誤差，這是(shì)因爲這種(zhong)儀表零點(dian)穩定🔅性較(jiao)差💃。這種表(biǎo)達方式初(chū)看上去度(dù)很高，但計(jì)入☀️零點不(bú)穩定度後(hòu)，度并不🥵那(nà)麽高。  

零點不穩(wen)定性通常(chang)以 %FS表(biao)示，也有以(yi)流量值 kg/min表示，零(líng)點不穩定(ding)度一般在(zai) ±（ 0.01~0.04） %FS之間(jian)。當流量爲(wèi)下限流量(liang)時，因零點(diǎn)不穩定性(xing)引入的誤(wù)差是很可(kě)觀的，所以(yi)儀表選用(yòng)時，應将口(kou)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(xiao)，提✉️高實際(jì)得到的🔴測(ce)量度。  

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