質量流(liú)量計在氣液兩(liang)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(cè)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(liàng)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(liang)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(yè)體有水、石油、液(yè)化氣體等。水流(liú)量的測量難度(dù)不高，不同原理(li)的流量計大多(duō)數都可以測量(liang)水的容量，但也(ye)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(dù)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(bú)同黏度的石油(yóu)産品所選擇的(de)計量儀器不同(tong)，高黏度油品如(rú)原油、重油、渣油(yóu)，爲了便于輸送(song)，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(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(kǎo)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(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(ye)多相流體的測(cè)量方法  
氣(qì)液兩相流體的(de)流量測量從制(zhì)造商的資料可(ke)看出☀️，有幾🈲種儀(yi)表可用來測量(liang)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(yi)些成功應用的(de)實例，但目前㊙️使(shi)用的流量計都(dou)是在單相流動(dong)狀态下評定其(qí)測量性能，現在(zai)還沒有以單相(xiang)流标定❌的流量(liang)計用來測量兩(liang)相流時系統變(biàn)化的評定标準(zhun)，因此這樣的應(ying)用究竟帶來多(duō)大的誤差還不(bu)很清楚，僅有一(yī)些零星的數據(jù)和一些定性的(de)分析。常用的氣(qi)液兩相流量測(cè)量儀器有：電磁(ci)流量計、科氏力(li)質量流量計、超(chao)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(you)科氏加速度作(zuò)用産生科氏力(li)。該加速度是法(fǎ)國工程師科☎️裏(li)奧利斯在研究(jiu)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(zhi)點由于慣性相(xiang)對于🏃旋轉體系(xì)産生的直線運(yùn)動㊙️的偏移的一(yī)種描述，科裏奧(ào)利力來自于物(wu)體運動所具有(yǒu)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(xing)，有㊙️沿著原有運(yùn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼動方向繼續運(yun)動的趨勢，但是(shi)由于體系本身(shēn)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(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(zhi)點相對于慣性(xìng)系做直線運動(dong)時，相對于旋⭕轉(zhuǎn)體系🏒，其軌迹是(shì)一條曲線。立足(zu)于旋轉體系，我(wo)們認爲有👣一個(ge)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(lì)的計算公式爲(wèi)： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧利力(lì)； m爲質點的(de)質量； Vr爲相(xiang)對于靜止參考(kao)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(xiang)量的外積符号(hào)（ Vr×ω：大小等于(yú) v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)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(ce)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(liàng)的測量。測量管(guan)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(ru)口段觀察一小(xiao)團流體，那麽它(tā)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(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(shēng)一個方向朝上(shang)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(li)。在流體流動時(shí)，由于力矩的作(zuò)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(dòng)。在入口段和出(chū)口段分别安裝(zhuāng)傳感器 S1和(hé) S2檢測管道(dao)沿 A-A\'和 B-B\'軸的位移量。信(xìn)号過零點的時(shi)間差事管道扭(niu)曲的檢☀️測量👌，它(tā)與🧡通過管道的(de)質量流量成正(zheng)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(dìng)的測量管道是(shì)直徑 d和長(zhǎng)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(sheng)振動。工作頻率(lü) fB=ωB/2π接近于一(yi)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(tǐ)質量元 m以(yi)速度 v流過(guo)由角速度 ω振動的管道，那(na)麽這質量元就(jiù)會在管壁上産(chǎn)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(fāng)形🔴相反的二階(jiē)模式振動。一階(jiē)和二階模式振(zhèn)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(dong)運

1.4.4 雙直管(guan)流量計的測量(liàng)原理  

雙直(zhí)管質量流量計(ji)有 2根測量(liàng)管道、優化的流(liu)速分配器、 4個位移傳感器(qi)和 2個電磁(cí)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(yǐ)諧振頻率使兩(liǎng)根測量管📱道👉同(tóng)步的相向振動(dòng)。每個電磁式驅(qu)動器兩邊的對(dui)稱位置各安裝(zhuāng)有一個位移檢(jian)測傳感器用于(yu)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(yi)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(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(xiàng)位偏差。該相位(wei)偏差與科氏力(li)💯 FC成正比，即(jí)與流過測量管(guan)道的質量流量(liàng)成正比。相🐉當于(yu) 2個單直管(guan)質量流量計軸(zhou)向對稱地同步(bù)工作。  

2 科氏(shi)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(xiao)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(he)介質溫度 T ；測量結果有很(hěn)高的精度（典型(xíng)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(guan)；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(ce)量結果與🐆流速(sù)分布無關，即不(bú)需要特殊的入(ru)口引導管道，流(liú)量計能測量真(zhen)正的質量流量(liang)👌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(ke)進行雙向測量(liàng)；所有可加壓力(li)的介質都能測(cè)量，如液态和氣(qi)❗态介質，特别是(shì)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(zài)不足，如：流量計(jì)價格貴，複雜幾(jǐ)何形狀的測量(liang)管道使壓力損(sǔn)耗增大；除單直(zhi)管外，有些流量(liang)💁計彎頭較多，很(hěn)難清洗，而且自(zì)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(liàng)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(zhuang)受到安裝規程(cheng)的限制；采用流(liu)量分配器的流(liú)量計，在測量不(bu)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(xiàng)測量中的應用(yong)  

科氏質量(liàng)流量計的應用(yòng)已遍及幾乎所(suǒ)有工業領域。主(zhu)要原因是高精(jīng)度和大量程，這(zhè)是大多數其他(tā)流量測量方法(fǎ)😄所沒有的。通常(chang)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(dui)誤差） ± 零點(diǎn)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(wèi)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(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(xue)和伴随而來的(de)氣蝕現象，引起(qi)流量計示值偏(piān)高和流量一次(ci)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(zhōng)當溫度将降低(di)或由于調節閥(fá)突然關小導緻(zhì)管道内壓力增(zēng)加時，丙烯會處(chù)于氣液兩相狀(zhuang)态。此時，丙烯氣(qì)液混🔞合物密度(dù)相應會發生變(biàn)化，因而👨‍❤️‍👨給質量(liàng)流量計測量帶(dai)♈來誤差。誤差可(ke)以通過密度補(bǔ)償來處理👉。  

一常用壓力爲(wei) 1.0MPa 的丙烯氣(qì)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(er)保持氣态的部(bù)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(bǐng)烯氣體密度爲(wèi) 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(wèi)

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(liú)量占氣液兩相(xiang)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(cǐ)可見，在氣液混(hun)合中，液體部分(fèn)占的體積基本(ben)可‼️以🈲忽略不計(jì)。  

另外，爲了(le)避免丙烯流量(liàng)測量時出現氣(qi)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(liàng)計的制造技術(shù)獲得了快速發(fā)展，例如🧑🏾‍🤝‍🧑🏼 CMF100傳(chuán)感器與 2700變(bian)送器配用，測量(liàng)液體時，流體的(de)質量流量度可(ke)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(bing)且能直接顯示(shi)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(wèi)置應選擇在槽(cáo)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(jin)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(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(jie)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(fa)上。丙烯流過此(cǐ)閥時，壓力突然(ran)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(ji)下遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流量測量(liàng)度的方法  

大部分質量流(liú)量計制造商以(yǐ) “量程誤差(chà)加零點不穩定(ding)度 ”的方式(shi)表達基本誤差(cha)，這是因爲這種(zhong)儀表零點穩定(ding)性✨較差。這種表(biǎo)達方式初看上(shàng)去度很高，但計(ji)入零點不穩💁定(ding)度後，度☀️并不那(nà)麽高。  

零點(dian)不穩定性通常(chang)以 %FS表示，也(yě)有以流量值 kg/min表示，零點不(bu)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(yi)儀表選用時，應(ying)将口徑選得盡(jìn)可能小一些，這(zhe)樣可将零點不(bú)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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