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(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(lei)繁多，其測量(liàng)的儀器儀表(biao)🔞也有很大的(de)差别。以天然(rán)氣流量的測(cè)量爲例：目前(qián)，天然氣貿易(yi)計量分爲體(ti)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(dōu)㊙️在使🛀用，而我(wǒ)國目前基本(běn)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(yóu)、液化氣體等(deng)。水流量的測(ce)量難❓度不高(gao)，不同原理的(de)流量計大多(duō)數都可以測(cè)量水的🈲容量(liang)，但也💘不是随(sui)便裝一台就(jiù)肯定能用好(hǎo)的。這是因爲(wei)水的潔淨程(cheng)度不同，流體(tǐ)工況條件各(ge)異💛，流量測量(liàng)🐕的範圍就會(huì)出現懸殊；石(shi)油具有一定(ding)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(pǐn)如原油、重油(you)、渣油，爲了便(bian)于輸送，往往(wǎng)被加熱💔到較(jiao)高的溫度。流(liú)體中含有固(gu)态💜雜質，測量(liang)前還需要⭕過(guo)濾；液化氣體(tǐ)屬🈲于高飽和(he)蒸🔞氣壓液體(tǐ)，測量時必須(xu)考慮氣化的(de)問題，因此使(shi)用♊的流量計(jì)也比較特殊(shū)，如🐅渦街流量(liang)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(duō)相流體的測(ce)量方法  
氣液兩相流(liú)體的流量測(cè)量從制造商(shang)的資料可看(kàn)出，有幾種儀(yi)♊表可用來測(cè)量離散相濃(nóng)度不高的兩(liǎng)📧相流😍體的流(liu)量☀️，在實際應(yīng)🌍用中也有一(yī)些成功應用(yòng)☔的實例，但目(mu)前使用的流(liú)量計✂️都是在(zài)單相流動狀(zhuang)态下評定其(qí)測量性能，現(xiàn)在還沒有以(yǐ)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(yàng)🌈的🌈應用究竟(jing)帶來多大的(de)誤差還不很(hen)清楚，僅有一(yī)些零💚星的數(shu)據和一些🐉定(dìng)性的分析。常(cháng)用🌍的氣液兩(liǎng)相流量測量(liang)儀器有：電磁(ci)流量計、科氏(shì)力質量流㊙️量(liàng)計、超聲流量(liang)計等。  
1.4 科(kē)氏質量流量(liàng)計的測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏(shi)力的形成  
由科氏加(jia)速度作用産(chǎn)生科氏力。該(gai)加速度是法(fǎ)國工程師科(kē)裏奧利斯在(zai)研究水輪機(jī)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(yu)慣性相對于(yú)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(lái)自于💘物體運(yun)動所具有的(de)慣性。  
在(zài)旋轉體系中(zhōng)進行直線運(yun)動的質點，由(yóu)于慣性，有沿(yán)著原有運動(dong)方向繼續運(yun)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(suǒ)變🥵化，而它原(yuán)有的運動趨(qū)勢的方向，如(ru)果以旋轉體(tǐ)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(dian)相對于慣性(xing)系做直線運(yùn)動時，相對于(yu)旋轉體系，其(qi)軌迹是一條(tiao)曲線。立足于(yu)旋轉體系，我(wǒ)們認爲有一(yī)個🙇🏻力驅使質(zhì)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(gōng)式爲： F=2mVr×ω 
式(shì)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(zhǐ)參考系質點(dian)的運動速度(dù)（矢量）； ω爲(wèi)旋轉體系的(de)角速度（矢量(liàng)）； ×表示兩(liang)個向量的外(wai)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(lǐ)上，當被測介(jiè)質通過振動(dong)的測量管道(dào)時，科氏❄️力能(néng)直接用于質(zhi)量流量的測(cè)量。測量管道(dào)經常呈💯 U形如圖所示(shi)。管道用剛性(xing)固定件支撐(cheng)，并經激勵器(qì) E沿 A-A\'軸産生振動(dong)，形成沿該軸(zhou)的一個旋轉(zhuǎn)參考系統。如(ru)果在入口🔅段(duàn)觀察一小團(tuán)流體，那麽它(tā)的質量元流(liú)🤟出固定端。該(gāi)質量元🌈随管(guǎn)道半徑逐漸(jian)增大而作圓(yuán)弧軌迹🍉運動(dòng)。當彎管向上(shàng)運動時，形成(cheng)一個方向朝(chao)下的科氏力(lì)。同時，觀察出(chu)口段的狀态(tai)，質量元流入(ru)🙇🏻固定端。同樣(yàng)産生一個方(fāng)向朝上的科(ke)💔氏力。由 B稱的配置在(zài)兩邊呈現出(chu)相同數值但(dàn)不同符号的(de)科氏力。在流(liu)體流動時，由(you)于力矩的作(zuo)用，導緻測量(liang)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(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(zheng)比。
科氏(shi)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(gù)定的測量管(guǎn)道是直徑 d和長度 l的钛合金(jin)管。由安裝在(zai)管道中間的(de)振動裝置以(yi)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(chuan)感器檢測位(wei)置 ±z=±l/3處，振(zhèn)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(shang)産生科氏力(li)，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的前後半(bàn)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(dong)的疊加在時(shí)間上産生 90°的相移。因(yin)此，當管道中(zhong)存在質量流(liú)量時，測量管(guǎn)道産生擺✂️動(dong)運

1.4.4 雙直(zhi)管流量計的(de)測量原理  

雙直管質(zhi)量流量計有(you) 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(shì)振蕩驅動器(qì)組成。其原理(li)是： 2個電(diàn)磁式振蕩驅(qū)動器以諧振(zhèn)頻率使兩根(gēn)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(you)一個位移檢(jiǎn)測傳感器用(yòng)于測量💚科氏(shi)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(zhèn)狀态。 2個(gè)位移傳感器(qì)所測到的位(wèi)移正弦信号(hào)無相位差。 當有介質(zhi)流過時，由于(yu)有科氏力 FC的作用，測(cè)量管道有微(wēi)小的變形，從(cong)而使 2個(gè)位移傳感器(qi)有相位偏差(cha)。該相位偏差(cha)與科氏力💋 FC成正比，即(ji)與流過測量(liang)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(zhóu)向對稱地同(tong)步工作。  

2 科氏質量流(liu)量計的優缺(que)點  

2.1 科氏(shì)質量流量計(jì)的優點  

時間差與測(ce)量效應成線(xian)性關系；直接(jiē)測量質量流(liu)量；測量❤️儀還(hái)可附加檢測(cè)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(du)無關；測量結(jie)果與流體的(de)性能（密度、黏(nian)度、電導率和(he)熱導率）無關(guān)；測量結果與(yǔ)流速㊙️分布無(wú)關，即不需要(yào)特殊的入口(kou)引導管道，流(liu)量計能💋測量(liàng)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(xu)要出🈲口引導(dao)導管；安裝位(wei)💃🏻置可以任意(yi)☂️選擇；可進行(hang)雙向測量；所(suǒ)🐆有可加壓力(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的介質都能(néng)測量，如液态(tai)和氣💚态介質(zhì)，特别是受污(wu)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(jì)價格貴，複雜(zá)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(liàng)管道的材料(liao)與被測介質(zhi)🌐要注意它們(men)的相容性；可(ke)測量zui大的流(liú)量限制爲 680T/h ；強烈的振(zhèn)動和沖擊會(hui)影響流量計(jì)的機械裝置(zhi)，嚴🏃🏻重時👌産生(sheng)較大的測量(liàng)誤差；有些流(liu)量計的安裝(zhuāng)受到安裝規(guī)程的限制🈲；采(cai)用流量分配(pei)器的流量計(jì)，在測量不均(jun1)勻的💛介質時(shí)，會産生較大(da)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(shū)的标定等。  

3 科氏質量(liàng)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(ye)領域。主要原(yuán)🈲因是高精度(dù)和大量程，這(zhe)是大多數其(qí)他流量測量(liang)方法所沒有(you)的。通常科氏(shì)質量流量計(ji)的精度如下(xia)：  

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

氣體： ±0.50%（示值相對(dui)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(xī)（ propylene）常溫下(xia)爲無色、無臭(chou)、稍帶有甜味(wei)的氣體。分子(zǐ)量 42.08，在标(biao)準大氣壓下(xià)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(yā)處理，另外，這(zhè)種流體的流(liú)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(sheng)✍️氣穴和伴随(suí)而來的氣蝕(shí)現象，引起流(liú)量計示值偏(piān)高和流量一(yī)次裝置受損(sǔn)。  

3.2 丙烯流(liú)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(jiāng)降低或由于(yú)調節閥突然(rán)關小導緻管(guan)🔞道内壓力增(zeng)加時，丙烯會(huì)處于氣液兩(liang)相狀态。此🌈時(shí)，丙烯氣🌈液混(hùn)合物密度相(xiang)應會發生變(bian)化，因而給質(zhì)量流量計測(cè)量帶來誤差(cha)。誤差可以通(tong)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(liú)量爲 qm，假(jiǎ)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(qi)态的部分爲(wèi) qms，從定義(yi)知，此時濕氣(qi)的幹度爲

采用溫度(dù)補償，所以按(àn)照臨界飽和(he)狀态查表，得(de)到此時的丙(bǐng)烯氣體密度(dù)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(wei)

式中 qvl表示丙烯(xī)液體的體積(jī)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(gan)部分流量占(zhàn)氣液兩相總(zǒng)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(bu)分占的體積(ji)基本可以忽(hu)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(hun)💯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(gèng)的儀表  

近年來，科氏(shì)力流量計的(de)制造技術獲(huò)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(zhi)量流量度可(ke)達流量值的(de) ±0.05%，而且已(yǐ)延伸到氣體(ti)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(ke)達流量值的(de) ±0.35%。并且能(neng)直接顯示質(zhì)量流量。  

3.2.2 合理選擇安(an)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(chu)口處盡量近(jin)些。這樣，丙🌈烯(xī)在輸送過程(cheng)中，可減少經(jing)輸送管道從(cong)大氣中吸收(shou)熱量。同時，安(an)裝位置應盡(jìn)💋量低些，這樣(yang)可提高過冷(leng)深度。  

3.2.3 将(jiāng)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(zhī)間有較大壓(yā)差，此壓差絕(jue)大👣部分降落(luò)在調節閥上(shang)。丙烯流過此(ci)閥時，壓力突(tū)🐅然升高，一定(dìng)數量的氣體(tǐ)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(cun)在兩相流，節(jiē)流閥必須裝(zhuang)在流量計下(xia)遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流量測(cè)量度的方法(fǎ)  

大部分(fèn)質量流量計(ji)制造商以 “量程誤差(cha)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(ding)性🐅較⭐差。這種(zhong)表達方式初(chu)看上去度很(hěn)高，但計入零(líng)點🔞不穩👌定度(du)後，度💛并不那(nà)麽高。  

零(líng)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(bu)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(líng)點不穩定性(xing)引入的誤差(cha)是很可觀的(de)，所以儀表選(xuan)用時，應将口(kou)徑選🏃🏻‍♂️得盡可(ke)能小一些，這(zhè)❤️樣可将零點(dian)不穩定度的(de)數值減小，提(ti)❓高實際🌂得到(dào)的測量度。  

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