質量流(liú)量計在氣液兩(liǎng)相測量中的應(yīng)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(duō)，其測量的儀器(qì)儀表💚也有很大(dà)的差别。以天然(rán)氣流量的測量(liang)爲例：目前，天然(ran)氣貿易計量分(fen)爲體積計量、質(zhi)量計量和能量(liàng)計量🔴 3種，工(gōng)業發達國家質(zhì)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(shàng)以體積計量爲(wei)主。  
1.2 液體流(liu)量的測量方法(fǎ)  
常見的液(yè)體有水、石油、液(yè)化氣體等。水流(liú)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(liang)水的容量，但也(yě)不是随便裝一(yī)台就肯定能用(yòng)好的。這是因🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爲(wei)水的潔淨程度(du)不同，流體工況(kuàng)條件各異，流量(liàng)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(bú)同黏度的❗石油(you)産品所選擇的(de)計量儀器不同(tong)，高黏度油品如(ru)原油⭐、重油、渣油(yóu)，爲了便于輸送(sòng)，往往被加熱到(dào)較高的溫度。流(liú)體中含有固态(tai)💞雜質，測量前還(hái)需要🔴過濾；液化(hua)氣體屬于高飽(bao)和蒸氣壓液體(tǐ)，測量時必須考(kao)慮氣化的問題(tí)，因此使用的流(liú)量計也比較特(tè)殊，如渦街流量(liàng)計、渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)、科氏質量流量(liang)計等。  
1.3 氣液(ye)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(zhi)造商的資料可(ke)看🤟出，有幾種儀(yi)表可用來測量(liàng)離散相濃度不(bu)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(shi)用的⛱️流量計都(dōu)是在單相流動(dòng)狀态下評定其(qi)測量性能，現在(zai)還沒有以單相(xiàng)流标定♻️的流量(liàng)計用來測量兩(liǎng)相流時系統變(bian)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(qi)液兩相流量💋測(ce)量儀器有：電磁(ci)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(yuan)理  
1.4.1 科氏力(lì)的形成  
由(yóu)科氏加速度作(zuò)用産生科氏力(lì)。該加速度是法(fa)國工程師科裏(li)奧利斯在研究(jiu)水輪機的機械(xiè)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(xiàng)對于📞旋轉體系(xi)産生的直線運(yun)動的偏移的一(yi)種描述，科裏奧(ào)利力來自于物(wù)體運動所具有(you)的慣性。  
在(zai)旋轉體系中進(jìn)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(yùn)動的趨勢，但是(shì)由于體系本身(shen)是⚽旋轉的，在經(jīng)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(huà)，而它🆚原有的運(yùn)動趨勢的方♊向(xiang)，如果以旋轉體(tǐ)系的視角去觀(guān)察，就會📐發生一(yi)定程度的偏離(lí)。  
當一個質(zhì)點相對于慣性(xìng)系做直線運動(dong)時，相對于旋轉(zhuan)體系🐪，其♻️軌迹是(shi)一條曲線。立足(zú)于旋轉體系，我(wǒ)們認爲有🏃一個(gè)力驅使質☔點運(yùn)動軌迹形成曲(qu)線，這個力就是(shì)科裏奧利力。  
科裏奧利力(li)的計算公式爲(wei)： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧利力(li)； m爲質點的(de)質量； Vr爲相(xiàng)對于靜止參考(kǎo)系質點的運動(dòng)速度（矢量）； ω爲旋轉體系的(de)角速度（矢量）； ×表示兩個向(xiàng)量的外積符号(hao)（ Vr×ω：大小等于(yu) v·ω·sinθ，，方向滿足(zu)右手螺旋定則(zé)）。  
1.4.2 彎管流量(liàng)計的原理  
原理上，當被測(cè)介質通過振動(dòng)的測量管道時(shí)，科氏❗力能直接(jiē)用于質量流量(liang)的測量。測量管(guan)道經常呈💜 U形如圖所示。管(guǎn)道用剛性固定(dìng)件支撐，并經激(ji)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(ru)口♊段觀察一小(xiao)團流體，那麽它(ta)的質量元流😘出(chu)固定端。該質量(liàng)元💃🏻随管🛀🏻道半徑(jing)逐漸增大而作(zuò)圓弧軌迹運動(dòng)。當彎管向💯上運(yùn)動時，形成一個(gè)方向朝下的科(kē)氏力。同時，觀🥵察(chá)出口段的狀态(tài)，質量元流入♌固(gu)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(xiang)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(guan)道沿 B-B\'軸産(chǎn)生一個附加的(de)扭曲運 B動(dòng)。在入口段和出(chū)口段分别安裝(zhuang)傳感器 S1和(hé) S2檢測管道(dào)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位移量。信(xin)号過零點的時(shi)間差事管道扭(niǔ)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(zhi)量流量計原理(lǐ)的結構

1.4.3 單(dān)直管流量計的(de)測量原理  
兩端拉緊固定(ding)的測量管道是(shì)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(zhèn)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(gan)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(yi)速度 v流過(guò)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(hai)産生作用力方(fang)形相🏃‍♂️反的二階(jiē)模式振動。一階(jie)和二階模式振(zhen)動的疊㊙️加在時(shí)間上産生 90°的相移。因此，當(dāng)管道中存在質(zhì)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(liang)管道、優化的流(liú)速分配器、 4個位移傳感器(qì)和 2個電磁(cí)式振蕩驅動器(qi)組成。其原理是(shi)： 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(dui)🎯稱位🐆置各安裝(zhuang)💋有一個位移檢(jian)測傳感器用于(yú)測量科氏力效(xiao)應。當✉️沒有介質(zhi)流過🤞測量管道(dao)時，測量管道處(chù)于自然諧振狀(zhuàng)态。 2個位移(yí)傳感器所測到(dao)的位移正弦信(xin)号無相位差。 當有介質流(liú)過時，由于有科(kē)氏力 FC的作(zuo)用，測量管道有(yǒu)微小的變形，從(cóng)而使 2個位(wei)移傳感器有相(xiang)位偏差。該相位(wèi)偏差與科氏力(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼 FC成正比，即(jí)與流過測量管(guǎn)道的質量流量(liàng)成正比。相當于(yú) 2個單直管(guǎn)質量流量計軸(zhóu)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(ke)氏質量流量計(ji)的優點  

時(shí)間差與測量效(xiao)應成線性關系(xi)；直接測量質量(liang)流量；測量儀還(hái)可附加檢測流(liú)體密度 ρ 和(hé)介質溫度 T ；測量結果有很(hen)高的精度（典型(xíng)的精度：質量流(liú)量爲 ±0.1%+ 末端(duān)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(liu)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(bú)需要特殊的入(rù)口引導管道，流(liu)量計能測量真(zhen)正的質量流量(liàng)平均值；出口端(duān)不需要施加反(fan)❤️壓力，也就不需(xu)要出口引導導(dǎo)管；安裝位置可(kě)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(ce)🌈量，如液态和氣(qi)态介質，特别是(shi)受污染有腐蝕(shi)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(jì)價格貴🥰，複雜幾(ji)何形狀的測量(liang)管道使壓力損(sǔn)耗增大；除單直(zhí)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(cai)料與被測介質(zhi)要注意它們的(de)相容✌️性；可測量(liàng)🐪zui大的流量限制(zhì)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(zhuang)受到安裝規程(chéng)的限制；采用流(liú)量分配器的流(liú)量計，在測量不(bu)均勻的介質時(shí)，會産生較大的(de)測量誤差；測量(liang)高黏度介質要(yao)求附加激勵能(neng)量和需要特殊(shu)的标定等。  

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

科氏質量(liang)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(jing)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(liàng)計的精度如下(xia)：  

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

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

3.1 丙烯氣液兩相(xiang)流量測量技術(shu)參考  

丙烯(xī)（ propylene）常溫下爲(wei)無色、無臭、稍帶(dai)有甜味的氣體(ti)。分子量 42.08，在(zai)标準大氣壓下(xia)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(bì)須進行加壓處(chù)理，另外，這種流(liú)體的流量測量(liàng)中容易因儀表(biao)的壓力損失而(er)在流😘量計的出(chū)口處産生氣穴(xue)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(liàng)系統誤差的生(shēng)成與處理  

在輸送過程中(zhong)當溫度将降低(dī)或由于調節閥(fá)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(zhuàng)态。此時，丙烯氣(qì)液混💰合物密度(dù)相應會發生變(bian)化，因而給質量(liang)🚩流量計測量帶(dài)來誤差。誤差可(kě)以通過密度補(bu)償來處理。  

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

采用溫度補償(cháng)，所以按照臨界(jiè)飽和狀态查表(biao)，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(ye)體與氣體部分(fen)的體積流量爲(wei)

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

由定義知(zhi)，氣體幹部分流(liu)量占氣液兩相(xiàng)總體積流量📐 qv之比 Rv爲(wei)

因爲

所以

在該(gāi)例中， Rv=99.93%，由此(ci)可見，在氣液混(hun)合中，液體部分(fèn)占的體積基本(běn)可以忽略🌈不計(ji)。  

另外，爲了(le)避免丙烯流量(liàng)測量時出現氣(qì)液兩相混💯合現(xian)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(fa)展，例✉️如 CMF100傳(chuán)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(liàng)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(liang)傳感器安裝位(wèi)置應選擇在槽(cao)的頂部出口管(guǎn)道上。保證直🔆管(guǎn)段的前提下，與(yǔ)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(qi)中吸收熱量。同(tóng)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(liàng)計後邊  

丙(bǐng)烯中間槽與丙(bǐng)烯分離器之間(jiān)有較大壓差，此(cǐ)壓🚶差絕大部分(fèn)降落在調節閥(fa)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(liang)相流。爲了避免(mian)流過🌈流量計的(de)流體中存在兩(liǎng)相流，節流閥必(bì)須裝在💞流量計(jì)下遊。  

3.3 提高(gāo)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(chà)加零點不穩定(dìng)度 ”的方式(shi)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(ji)入零點不穩定(dìng)度後，度并不那(nà)麽高。  

零點(diǎn)不穩定性通常(chang)以 %FS表示，也(ye)有以流量值 kg/min表示，零點不(bu)穩定度一般在(zai) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當流量爲(wèi)下限流量時，因(yīn)零點不穩定性(xìng)引入的誤差是(shì)很可觀的，所以(yi)儀表選用時，應(yīng)将口徑選得盡(jin)可能小一些，這(zhè)❓樣可🍉将零點不(bú)穩定度的數值(zhí)💋減小，提高實際(jì)😄得到的測量度(dù)。  

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