摘 要：隨著社會的發展，人們的生活對流體的應用愈益廣泛，尤其是工業界越來越多的生產需要檢測和控制流體（包括氣體和液體等）的物理參數。本文分析了幾種典型流體的流量測量方法，并對科氏質量流量計基本原理和應用進行了闡述。

關鍵字：質量流量計 氣液兩相 應用

    1 常見流體的測量方法

    1.1 氣體流量的測量方法

    需要測量流量的氣體種類繁多，其測量的儀器儀表也有很大的差別。以天然氣流量的測量為例：目前，國際天然氣貿易計量分為體積計量、質量計量和能量計量3種，工業發達國家質量計量和能量計量兩種方法都在使用，而我國目前基本上以體積計量為主。

    1.2 液體流量的測量方法

    常見的液體有水、石油、液化氣體等。水流量的測量難度不高，不同原理的流量計大多數都可以測量水的容量，但也不是隨便裝一臺就肯定能用好的。這是因為水的潔凈程度不同，流體工況條件各異，流量測量的范圍就會出現懸殊；石油具有一定的黏稠度，因此不同黏度的石油產品所選擇的計量儀器不同，高黏度油品如原油、重油、渣油，為了便于輸送，往往被加熱到較高的溫度。流體中含有固態雜質，測量前還需要過濾；液化氣體屬于高飽和蒸氣壓液體，測量時必須考慮氣化的問題，因此使用的流量計也比較特殊，如渦街流量計、渦輪流量計、容積式流量計、科氏質量流量計等。

    1.3 氣液多相流體的測量方法

    氣液兩相流體的流量測量從制造商的資料可看出，有幾種儀表可用來測量離散相濃度不高的兩相流體的流量，在實際應用中也有一些成功應用的實例，但目前使用的流量計都是在單相流動狀態下評定其測量性能，現在還沒有以單相流標定的流量計用來測量兩相流時系統變化的評定標準，因此這樣的應用究竟帶來多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數據和一些定性的分析。常用的氣液兩相流量測量儀器有：電磁流量計、科氏力質量流量計、超聲流量計等。

    1.4 科氏質量流量計的測量原理

    1.4.1 科氏力的形成    

    由科氏加速度作用產生科氏力。該加速度是法國工程師科里奧利斯在研究水輪機的機械理論時發現的。科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述，科里奧利力來自于物體運動所具有的慣性。

    在旋轉體系中進行直線運動的質點，由于慣性，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之后，體系中質點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀察，就會發生一定程度的偏離。

    當一個質點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。

    科里奧利力的計算公式為：F=2mVr×ω

    式中F為科里奧利力；m為質點的質量；Vr為相對于靜止參考系質點的運動速度（矢量）；ω為旋轉體系的角速度（矢量）；×表示兩個向量的外積符號（Vr×ω：大小等于v·ω·sinθ，，方向滿足右手螺旋定則）。

    1.4.2 彎管流量計的原理

    原理上，當被測介質通過振動的測量管道時，科氏力能直接用于質量流量的測量。測量管道經常呈U形如圖所示。管道用剛性固定件支撐，并經激勵器E沿A-A'軸產生振動，形成沿該軸的一個旋轉參考系統。如果在入口段觀察一小團流體，那么它的質量元流出固定端。該質量元隨管道半徑逐漸增大而作圓弧軌跡運動。當彎管向上運動時，形成一個方向朝下的科氏力。同時，觀察出口段的狀態，質量元流入固定端。同樣產生一個方向朝上的科氏力。由B稱的配置在兩邊呈現出相同數值但不同符號的科氏力。在流體流動時，由于力矩的作用，導致測量管道沿B-B'軸產生一個附加的扭曲運B動。在入口段和出口段分別安裝傳感器S₁和S₂檢測管道沿A-A'和B-B'軸的位移量。信號過零點的時間差事管道扭曲的檢測量，它與通過管道的質量流量成正比。

科氏質量流量計原理的結構

    1.4.3 單直管流量計的測量原理

    兩端拉緊固定的測量管道是直徑d和長度l的鈦合金管。由安裝在管道中間的振動裝置以一階模式方式產生振動。工作頻率f_B=ω_B/2π接近于一階頻率。在傳感器檢測位置±z=±l/3處，振動幅度調整約為x^±_m（±z）。如果流體質量元m以速度v流過由角速度ω振動的管道，那么這質量元就會在管壁上產生科氏力，即F_C=2mv×ω在管道的前后半段上，除了一階諧振外，還產生作用力方形相反的二階模式振動。一階和二階模式振動的疊加在時間上產生90°的相移。因此，當管道中存在質量流量時，測量管道產生擺動運動。

    1.4.4 雙直管流量計的測量原理

    雙直管質量流量計有2根測量管道、優化的流速分配器、4個位移傳感器和2個電磁式振蕩驅動器組成。其原理是：2個電磁式振蕩驅動器以諧振頻率使兩根測量管道同步的相向振動。每個電磁式驅動器兩邊的對稱位置各安裝有一個位移檢測傳感器用于測量科氏力效應。當沒有介質流過測量管道時，測量管道處于自然諧振狀態。2個位移傳感器所測到的位移正弦信號無相位差。 當有介質流過時，由于有科氏力F_C的作用，測量管道有微小的變形，從而使2個位移傳感器有相位偏差。該相位偏差與科氏力F_C成正比，即與流過測量管道的質量流量成正比。相當于2個單直管質量流量計軸向對稱地同步工作。

    2 科氏質量流量計的優缺點

    2.1 科氏質量流量計的優點

    時間差與測量效應成線性關系；直接測量質量流量；測量儀還可附加檢測流體密度ρ 和介質溫度T ；測量結果有很高的精度（典型的精度：質量流量為±0.1%+ 末端值的±0.005% ；密度ρ為±0.5kg/m³；ΔT為±0.05%+5℃）；測量結果與壓力和溫度無關；測量結果與流體的性能（密度、黏度、電導率和熱導率）無關；測量結果與流速分布無關，即不需要特殊的入口引導管道，流量計能測量真正的質量流量平均值；出口端不需要施加反壓力，也就不需要出口引導導管；安裝位置可以任意選擇；可進行雙向測量；所有可加壓力的介質都能測量，如液態和氣態介質，特別是受污染有腐蝕性的介質。

    2.2 科氏流量計的缺點

    除了上述大量優點外，同樣也存在不足，如：流量計價格貴，復雜幾何形狀的測量管道使壓力損耗增大；除單直管外，有些流量計彎頭較多，很難清洗，而且自行排空能力差；測量管道的材料與被測介質要注意它們的相容性；可測量最大的流量限制為680T/h ；強烈的振動和沖擊會影響流量計的機械裝置，嚴重時產生較大的測量誤差；有些流量計的安裝受到安裝規程的限制；采用流量分配器的流量計，在測量不均勻的介質時，會產生較大的測量誤差；測量高黏度介質要求附加激勵能量和需要特殊的標定等。

    3 科氏質量流量計在氣液兩相測量中的應用

    科氏質量流量計的應用已遍及幾乎所有工業領域。主要原因是高精度和大量程，這是大多數其他流量測量方法所沒有的。通常科氏質量流量計的精度如下：

    液體：±0.10%（示值相對誤差）± 零點的穩態值。

    氣體：±0.50%（示值相對誤差）± 零點的穩態值。

    3.1 丙烯氣液兩相流量測量技術參考

    丙烯（propylene）常溫下為無色、無臭、稍帶有甜味的氣體。分子量42.08，在標準大氣壓下密度0.5139g/cm³（20/4℃），冰點-185.3℃，沸點-47.4℃。丙烯在輸送和儲存中必須進行加壓處理，另外，這種流體的流量測量中容易因儀表的壓力損失而在流量計的出口處產生氣穴和伴隨而來的氣蝕現象，引起流量計示值偏高和流量一次裝置受損。

    3.2 丙烯流量測量系統誤差的生成與處理

    在輸送過程中當溫度將降低或由于調節閥突然關小導致管道內壓力增加時，丙烯會處于氣液兩相狀態。此時，丙烯氣液混合物密度相應會發生變化，因而給質量流量計測量帶來誤差。誤差可以通過密度補償來處理。

    一常用壓力為1.0MPa 的丙烯氣體，其流量為q_m，假設經長距離輸送后有10%q_m冷凝成液態，令其為q_ml，而保持氣態的部分為q_ms，從定義知，此時濕氣的干度為。

    采用溫度補償，所以按照臨界飽和狀態查表，得到此時的丙烯氣體密度為ρ_s，液體密度為ρ_L，顯然液體與氣體部分的體積流量為

    式中q_vl表示丙烯液體的體積流量，m³/s；q_vs表示丙烯氣體部分的體積流量，m³/s。

    由定義知，氣體干部分流量占氣液兩相總體積流量q_v之比R_v為

    

    因為

    所以，在該例中，Rv=99.93%，由此可見，在氣液混合中，液體部分占的體積基本可以忽略不計。

    另外，為了避免丙烯流量測量時出現氣液兩相混合現象，選用下面的設計和安裝方法將是有效的。

    3.2.1 選用更精確的儀表

    近年來，科氏力流量計的制造技術獲得了快速發展，例如CMF100傳感器與2700變送器配用，測量液體時，流體的質量流量精確度可達流量值的±0.05%，而且已延伸到氣體流量的測量。應用上述配置的流量計測量氣體質量流量，精確度可達流量值的±0.35%。并且能直接顯示質量流量。

    3.2.2 合理選擇安裝位置

    流量傳感器安裝位置應選擇在槽的頂部出口管道上。保證直管段的前提下，與槽的出口處盡量近些。這樣，丙烯在輸送過程中，可減少經輸送管道從大氣中吸收熱量。同時，安裝位置應盡量低些，這樣可提高過冷深度。

    3.2.3 將調節閥安裝在流量計后邊

    丙烯中間槽與丙烯分離器之間有較大壓差，此壓差絕大部分降落在調節閥上。丙烯流過此閥時，壓力突然升高，一定數量的氣體液化，從而出現氣液兩相流。為了避免流過流量計的流體中存在兩相流，節流閥必須裝在流量計下游。

    3.3 提高丙烯流量測量精確度的方法

    大部分質量流量計制造商以“量程誤差加零點不穩定度”的方式表達基本誤差，這是因為這種儀表零點穩定性較差。這種表達方式初看上去精確度很高，但計入零點不穩定度后，精確度并不那么高。

    零點不穩定性通常以%FS表示，也有以流量值kg/min表示，零點不穩定度一般在±（0.01~0.04）%FS之間。當流量為下限流量時，因零點不穩定性引入的誤差是很可觀的，所以儀表選用時，應將口徑選得盡可能小一些，這樣可將零點不穩定度的數值減小，提高實際得到的測量精確度。

    參考文獻

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