質量流(liu)量計在氣液兩(liang)相測量中的應(ying)用分析

1 常見流體的(de)測量方法  
1.1氣體流量的測(ce)量方法  
需(xū)要測量流量的(de)氣體種類繁多(duo)，其測量的儀器(qì)儀表也有很✏️大(dà)的差别。以天然(ran)氣流量的測量(liang)爲例：目前，天然(rán)氣💘貿易計量分(fèn)爲體積計量、質(zhì)量計量和能♊量(liàng)計量 3種，工(gōng)業發達國家質(zhi)量計量和能量(liang)計量兩種方法(fǎ)♋都❗在使用，而我(wo)國目前基本上(shang)以體積計量爲(wèi)主。  
1.2 液體流(liu)量的測量方法(fǎ)  
常見的液(ye)體有水、石油、液(ye)化氣體等。水流(liu)量的測量🚩難度(du)不高，不同原理(lǐ)的流量計大多(duo)數都可以測量(liàng)水的🈲容量，但也(yě)不是随便裝一(yi)台就肯定能用(yong)好的🐅。這是因爲(wei)水的🔆潔淨程度(du)不同，流體工況(kuang)條件各異，流量(liang)測量的範圍就(jiù)㊙️會出現懸殊；石(shí)油具有一定的(de)黏稠度，因此不(bu)同黏度的石油(yóu)産品所☁️選擇的(de)計量儀器不同(tóng)，高📞黏度油品如(ru)原油、重油、渣油(you)，爲了便于輸送(sòng)，往往被加熱到(dào)較高的溫度。流(liu)體中含有固态(tài)雜質，測量前還(hai)需要過濾；液化(huà)氣體屬于高飽(bao)和蒸氣壓液體(ti)，測量時必須考(kao)慮氣🥵化的問題(ti)，因此使用的流(liu)量計也比較特(te)殊，如渦街流量(liang)計、渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)、科氏質量📱流量(liàng)計等。  
1.3 氣液(yè)多相流體的測(ce)量方法  
氣(qi)液兩相流體的(de)流量測量從制(zhì)造商的資料可(kě)看出，有幾☂️種儀(yi)表可用來測量(liàng)離散相濃度不(bú)高的兩相流體(ti)的流量，在實際(ji)應用中也有一(yī)些成功應用的(de)實例，但目前使(shǐ)用的流量計🤩都(dou)是在單相流動(dòng)狀态下評定其(qi)測量性能，現在(zài)還沒有以單相(xiang)流标定🔞的流量(liàng)計用來測量兩(liang)相流時系統變(biàn)化的評定标⚽準(zhǔn)，因此這樣的❌應(ying)用究竟帶來多(duo)大的誤差還不(bú)很清楚，僅有一(yi)些零星的數據(ju)和一些定性的(de)分析。常用的氣(qì)液兩相流量測(ce)量儀器有：電磁(cí)流量計、科氏力(li)質量流👉量計、超(chāo)聲流量計等。  
1.4 科氏質量流(liu)量計的測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏力(li)的形成  
由(yóu)科氏加速度作(zuò)用産生科氏力(li)。該加速度是法(fa)國👈工程師✍️科‼️裏(lǐ)奧利斯在研究(jiū)水輪機的機械(xie)理論時♊發現的(de)。科⛷️氏力，是對旋(xuán)轉體系中進行(háng)直線運動的質(zhì)點由于慣性⛱️相(xiang)對于🛀旋轉體系(xi)産生的直線運(yùn)動的偏移的一(yi)種描述🏃🏻，科裏奧(ao)利力來自于物(wu)體運動所具有(you)的慣性。  
在(zài)旋轉體系中進(jin)行直線運動的(de)質點，由于慣性(xìng)，有🔱沿🤩著🐅原有運(yun)動方向繼續運(yun)動的趨勢，但是(shi)由于體系本身(shen)是旋轉的，在經(jing)曆🈚了一段時間(jiān)的運動之後，體(ti)系中質點的位(wei)置會有所變化(hua)，而它原有的運(yun)動📱趨勢的方向(xiang)，如果以旋轉體(ti)系的視角去觀(guān)察，就會🥰發生一(yi)定程度的偏離(li)。  
當一個質(zhi)點相對于慣性(xing)系做直線運動(dong)時，相對于旋轉(zhuan)體系，其軌迹是(shì)一條曲線。立足(zú)于旋轉體系，我(wo)們認爲有一個(ge)力驅使質點運(yun)動軌迹形成曲(qǔ)線，這個力就是(shì)科裏🌈奧利力。  
科裏奧利力(lì)的計算公式爲(wèi)： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧利力(li)； m爲質點的(de)質量； Vr爲相(xiang)對于靜止參考(kǎo)系質點的運動(dong)速度（矢量）； ω爲旋轉體系的(de)角速度（矢量）； ×表示兩個向(xiang)量的外積符号(hao)（ Vr×ω：大小等于(yú) v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)右手螺旋定則(ze)）。  
1.4.2 彎管流量(liang)計的原理  
原理上，當被測(cè)介質通過振動(dòng)的測量管道時(shi)，科氏力⛷️能直接(jie)用于質量流量(liàng)的測量。測量管(guǎn)道經常呈 U形如圖所示。管(guan)道用剛性固定(ding)件支撐，并經激(jī)勵器 E沿 A-A\'軸産生振動(dong)，形成沿該軸的(de)一個旋轉參考(kǎo)系統。如果在入(rù)口段觀察一小(xiao)團流體，那麽它(tā)的質量元流出(chū)固定端。該質量(liang)元随管道半徑(jìng)逐漸增大而作(zuo)圓弧軌迹☔運動(dong)。當彎管向上運(yùn)動❤️時，形成一個(ge)方向朝下的科(ke)氏力。同時，觀察(cha)出口段🔞的狀态(tai)，質㊙️量元流入固(gù)定端。同樣産生(sheng)一個方向朝上(shàng)的科😍氏力。由 B稱的配置在(zai)兩邊呈現出相(xiàng)同數值但不同(tóng)符号的科🧑🏾‍🤝‍🧑🏼氏力(lì)。在㊙️流體流動時(shí)，由于力矩的作(zuo)用，導緻測量管(guǎn)道沿 B-B\'軸産(chǎn)生一個附加的(de)扭曲運 B動(dong)。在入口段和出(chu)口段分别安裝(zhuāng)傳感器 S1和(he) S2檢測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位移量。信(xin)号過零點的時(shí)間差事管道扭(niu)曲的檢🙇‍♀️測量✍️，它(ta)‼️與通過管道的(de)質量流量成正(zhèng)比。
科氏質(zhì)量流量計原理(lǐ)的結構

1.4.3 單(dan)直管流量計的(de)測量原理  
兩端拉緊固定(dìng)的測量管道是(shi)直徑 d和長(zhang)度 l的钛合(he)金管。由安裝在(zài)管道中間的振(zhen)動裝置以一階(jiē)模式方式産生(shēng)振動。工作頻率(lü) fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在傳感(gǎn)器檢測位置 ±z=±l/3處，振動幅度(du)調整約爲 x±m（ ±z）。如果流體(ti)質量元 m以(yǐ)速度 v流過(guo)由角速度 ω振動的管道，那(na)麽這質量元就(jiu)會在管壁上産(chan)生科氏力♌，即 FC=2mv×ω在管道的前(qian)後半段上，除了(le)一階諧振外，還(hái)産生作用力📞方(fang)形相反的二階(jie)模式振動。一階(jie)和二階模式🏃‍♂️振(zhen)動的疊加在時(shi)間上産生 90°的相移。因此，當(dang)管道中存在質(zhi)量流量時，測量(liang)管道産生擺動(dòng)運

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計的測量(liang)原理  

雙直(zhí)管質量流量計(jì)有 2根測量(liàng)管道、優化的流(liú)速分配器、 4個位移傳感器(qì)和 2個電磁(ci)式振蕩驅動器(qì)組成。其原理是(shì)： 2個電磁式(shi)振蕩驅動器以(yi)諧振頻率使兩(liǎng)根測量管道同(tóng)步的相向振動(dong)。每個電磁式驅(qu)動器兩邊的對(duì)稱位置各安裝(zhuang)☔有一個位移檢(jiǎn)測傳感器用于(yú)測量科氏力效(xiào)應。當沒有介💃🏻質(zhì)流過測量管道(dào)時，測量管道處(chu)于自然諧振狀(zhuang)态。 2個位移(yí)傳感器所測到(dao)的位移正弦信(xìn)号無相位差。 當有介質流(liu)過時，由于有科(ke)氏力 FC的作(zuo)用，測量管道有(you)微小的變形，從(cong)而使 2個位(wèi)移傳感器有相(xiang)位偏差。該相位(wei)偏差與科氏力(lì)🏃🏻‍♂️ FC成正比，即(jí)與流過測量管(guan)道的質量流量(liang)成正比。相當于(yu) 2個單直管(guǎn)質量流量計軸(zhou)向對稱地同步(bù)工作。  

2 科氏(shì)質量流量計的(de)優缺點  

2.1 科(kē)氏質量流量計(ji)的優點  

時(shí)間差與測量效(xiào)應成線性關系(xì)；直接測量質量(liang)流量；測量儀💔還(hai)🐆可附加檢測流(liú)體密度 ρ 和(hé)介質溫度 T ；測量結果有很(hěn)高的精度（典型(xing)的精度：質量流(liu)量爲 ±0.1%+ 末端(duan)值的 ±0.005% ；密度(dù) ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結果與壓(ya)力和溫度無關(guān)；測量結果與流(liú)體的性能🛀🏻（密度(du)、黏👅度、電導率和(he)熱導率）無關；測(cè)量結果與🈲流速(sù)分布無關，即不(bu)需要⭐特殊的入(ru)口引導管道，流(liú)量計能測量真(zhēn)正的質量流量(liàng)☔平均值；出口端(duān)不需要施加反(fǎn)壓力，也就不需(xu)要出口引導導(dao)管；安裝位🎯置可(ke)以任意選擇；可(kě)進行雙向測量(liàng)；所有可加壓力(lì)的介質都能測(cè)量，如液态和氣(qì)态介質，特别是(shi)受污染有腐蝕(shí)性的介質。  

2.2 科氏流量計的(de)缺點  

除了(le)上述大量優點(diǎn)外，同樣也存在(zai)不足，如：流量計(ji)價⛹🏻‍♀️格貴，複雜幾(jǐ)何形狀的測量(liang)管道使壓力損(sun)耗增大；除單直(zhi)管外，有些流量(liang)計彎頭較多，很(hen)難清洗，而且自(zi)行排空能力差(chà)；測⭐量管道的材(cái)料與被測介質(zhì)要注意它們的(de)相容性；可測量(liang)⛹🏻‍♀️zui大的流量👈限制(zhi)爲 680T/h ；強烈的(de)振動和沖擊會(hui)影響流量計的(de)機械裝置，嚴重(zhong)時産生較大的(de)測量誤差；有些(xie)流量計的安裝(zhuāng)受到安裝規🈲程(cheng)的限制；采用流(liú)量分配器的流(liu)量計，在測量不(bú)均勻的介質時(shi)🐪，會産生較大的(de)測量誤差；測量(liang)高黏度🏃‍♀️介質要(yào)求附加激勵能(neng)量和需要特殊(shū)的标定等。  

3 科氏質量流量(liàng)計在氣液兩相(xiang)測量中的應用(yong)  

科氏質量(liàng)流量計的應用(yong)已遍及幾乎所(suo)有工業領域。主(zhǔ)要原因是高精(jīng)度和大量程，這(zhè)是大多數其他(ta)流量測量方法(fǎ)所沒⛱️有的💔。通常(cháng)科氏質量流量(liang)計的精度如下(xia)：  

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

氣體(ti)： ±0.50%（示值相對(duì)誤差） ± 零點(diǎn)的穩态值。  

3.1 丙烯氣液兩相(xiàng)流量測量技術(shù)參考  

丙烯(xi)（ propylene）常溫下爲(wèi)無色、無臭、稍帶(dài)有甜味的氣體(ti)。分子量 42.08，在(zài)标準大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點 -47.4℃ 。丙烯在輸(shu)送和儲存中必(bi)須進行加壓處(chu)理，另外，這種流(liú)體💛的流量測量(liang)中容易因儀表(biǎo)的壓力損失而(ér)🙇‍♀️在流量計的出(chū)🐪口處産生🔴氣穴(xué)和伴随而來的(de)氣蝕現象，引起(qi)流量♊計示值偏(pian)高和流量一🏃次(cì)裝置受損。  

3.2 丙烯流量測量(liang)系統誤差的生(shēng)成與處理  

在輸送過程中(zhōng)當溫度将降低(di)或由于調節閥(fa)突然🛀🏻關小🌂導緻(zhi)管道内壓力增(zeng)加時，丙烯會處(chù)于氣液兩相狀(zhuang)态。此時，丙🌈烯氣(qi)⛹🏻‍♀️液混合物密度(du)相應會發生變(biàn)化，因而給質量(liàng)流量計🔴測量帶(dài)來誤差📞。誤差可(kě)以通過密度補(bǔ)償來處理。  

一常用壓力爲(wei) 1.0MPa 的丙烯氣(qi)體，其流量爲 qm，假設經長距(ju)離輸送後有 10%qm冷凝成液态(tài)，令其爲 qml，而(ér)保持氣态的部(bu)分爲 qms，從定(ding)義知，此時濕氣(qi)的幹度爲

采用溫度補償(chang)，所以按照臨界(jiè)飽和狀态查表(biǎo)，得到此時💋的丙(bing)🈲烯氣體密度爲(wei) ρs，液體密度(du)爲 ρL，顯然液(yè)體與氣體部分(fèn)的體積流量爲(wei)

式中 qvl表示丙烯液體(tǐ)的體積流量， m3/s； qvs表示丙(bǐng)烯氣體部分的(de)體積流量， m3/s。  

由定義知(zhī)，氣體幹部分流(liu)量占氣液兩相(xiang)總體積流量 qv之比 Rv爲(wèi)

因爲

所以

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此(cǐ)可見，在氣液混(hùn)合中，液體部分(fen)占的體積基本(běn)可以忽略不📐計(jì)。  

另外，爲了(le)避免丙烯流量(liang)測量時出現氣(qi)液兩相混合現(xiàn)象，選用下面的(de)設計和安裝方(fāng)法将是有效的(de)。  

3.2.1 選用更的(de)儀表  

近年(nián)來，科氏力流量(liang)計的制造技術(shu)獲得了快速發(fā)展，例如 CMF100傳(chuan)感器與 2700變(biàn)送器配用，測量(liang)液體時，流體的(de)質量流量度可(kě)達流量值的 ±0.05%，而且已延伸(shēn)到氣體流量的(de)測量。應用上述(shù)配置的流量🌈計(ji)測量氣體質量(liang)流量，度可達流(liu)量值的 ±0.35%。并(bìng)且能直接顯示(shì)質量流量。  

3.2.2 合理選擇安裝(zhuang)位置  

流量(liàng)傳感器安裝位(wei)置應選擇在槽(cao)的頂部出口管(guan)道上。保證直♋管(guan)段的前提下，與(yu)槽的出口處盡(jìn)量近✂️些。這樣，丙(bing)烯在輸送過程(chéng)🐆中，可減少經輸(shū)送管道從🤩大氣(qì)中吸收熱量。同(tong)時，安裝位置應(yīng)盡量低些，這樣(yàng)可提高過冷深(shen)度。  

3.2.3 将調節(jiē)閥安裝在流量(liang)計後邊  

丙(bing)烯中間槽與丙(bing)烯分離器之間(jiān)有較大壓差，此(ci)壓差🔞絕♊大部分(fèn)降落在調節閥(fá)上。丙烯流過此(ci)閥時，壓力突然(rán)升高，一定數量(liang)的氣體液化，從(cong)而出現氣液兩(liǎng)相流。爲了避🥰免(mian)流過流量計的(de)流體中存在兩(liang)相流，節流閥必(bì)須裝在流量計(ji)下☎️遊。  

3.3 提高(gao)丙烯流量測量(liang)度的方法  

大部分質量流(liú)量計制造商以(yi) “量程誤差(cha)加零點不穩定(dìng)度 ”的方式(shì)表達基本誤差(cha)，這是因爲這種(zhǒng)儀表零點穩定(dìng)性較差。這種表(biao)達方式初看上(shàng)去度很高，但計(jì)入零點不穩定(ding)度後，度🈲并不那(nà)麽高。  

零點(diǎn)不穩定性通常(cháng)以 %FS表示，也(ye)有以流量值 kg/min表示，零點不(bú)穩定度一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當流量爲(wèi)下限流量時，因(yin)零點不穩定性(xing)引入的誤差💘是(shi)很可觀的，所以(yǐ)儀表選用時，應(ying)将口徑選得盡(jìn)可能小一些，這(zhè)⭐樣可将零點不(bu)穩定度的數值(zhí)⛹🏻‍♀️減小，提高實際(ji)得到的測量度(dù)。  

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