質(zhì)量流量計(jì)在氣液兩相測(cè)量中的應(yīng)用分析
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1.1 氣體流量的測(cè)量方法
需要測(cè)量流量的氣體種類繁多，其測(cè)量的儀器儀表也有很大的差別。以天然氣流量的測(cè)量為例：目前，國(guó)際天然氣貿(mào)易計(jì)量分為體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量3種，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量?jī)煞N方法都在使用，而我國(guó)目前基本上以體積計(jì)量為主。
1.2 液體流量的測(cè)量方法
常見(jiàn)的液體有水、石油、液化氣體等。水流量的測(cè)量難度不高，不同原理的流量計(jì)大多數(shù)都可以測(cè)量水的容量，但也不是隨便裝一臺(tái)就肯定能用好的。這是因?yàn)樗臐崈舫潭炔煌黧w工況條件各異，流量測(cè)量的范圍就會(huì)出現(xiàn)懸殊；石油具有一定的黏稠度，因此不同黏度的石油產(chǎn)品所選擇的計(jì)量?jī)x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(tài)雜質(zhì)，測(cè)量前還需要過(guò)濾；液化氣體屬于高飽和蒸氣壓液體，測(cè)量時(shí)必須考慮氣化的問(wèn)題，因此使用的流量計(jì)也比較特殊，如渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)、科氏質(zhì)量流量計(jì)等。
1.3 氣液多相流體的測(cè)量方法
氣液兩相流體的流量測(cè)量從制造商的資料可看出，有幾種儀表可用來(lái)測(cè)量離散相濃度不高的兩相流體的流量，在實(shí)際應(yīng)用中也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例，但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能，現(xiàn)在還沒(méi)有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)系統(tǒng)變化的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來(lái)多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。常用的氣液兩相流量測(cè)量?jī)x器有：電磁流量計(jì)、科氏力質(zhì)量流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。
1.4 科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理
1.4.1 科氏力的形成
由科氏加速度作用產(chǎn)生科氏力。該加速度是法國(guó)工程師科里奧利斯在研究水輪機(jī)的機(jī)械理論時(shí)發(fā)現(xiàn)的。科氏力，是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述，科里奧利力來(lái)自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性。
在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性，有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會(huì)有所變化，而它原有的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會(huì)發(fā)生一定程度的偏離。
當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于慣性系做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認(rèn)為有一個(gè)力驅(qū)使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡形成曲線，這個(gè)力就是科里奧利力。
科里奧利力的計(jì)算公式為：F=2mVr×ω
式中F為科里奧利力；m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；Vr為相對(duì)于靜止參考系質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度（矢量）；ω為旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢量）；×表示兩個(gè)向量的外積符號(hào)（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(jì)的原理
原理上，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)通過(guò)振動(dòng)的測(cè)量管道時(shí)，科氏力能直接用于質(zhì)量流量的測(cè)量。測(cè)量管道經(jīng)常呈U形如圖所示。管道用剛性固定件支撐，并經(jīng)激勵(lì)器E沿A-A'軸產(chǎn)生振動(dòng)，形成沿該軸的一個(gè)旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)。如果在入口段觀察一小團(tuán)流體，那么它的質(zhì)量元流出固定端。該質(zhì)量元隨管道半徑逐漸增大而作圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彎管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成一個(gè)方向朝下的科氏力。同時(shí)，觀察出口段的狀態(tài)，質(zhì)量元流入固定端。同樣產(chǎn)生一個(gè)方向朝上的科氏力。由B稱的配置在兩邊呈現(xiàn)出相同數(shù)值但不同符號(hào)的科氏力。在流體流動(dòng)時(shí)，由于力矩的作用，導(dǎo)致測(cè)量管道沿B-B'軸產(chǎn)生一個(gè)附加的扭曲運(yùn)B動(dòng)。在入口段和出口段分別安裝傳感器S1和S2檢測(cè)管道沿A-A'和B-B'軸的位移量。信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差事管道扭曲的檢測(cè)量，它與通過(guò)管道的質(zhì)量流量成正比。
科氏質(zhì)量流量計(jì)原理的結(jié)構(gòu)
兩端拉緊固定的測(cè)量管道是直徑d和長(zhǎng)度l的鈦合金管。由安裝在管道中間的振動(dòng)裝置以一階模式方式產(chǎn)生振動(dòng)。工作頻率fB=ωB/2π接近于一階頻率。在傳感器檢測(cè)位置±z=±l/3處，振動(dòng)幅度調(diào)整約為x±m(xù)（±z）。如果流體質(zhì)量元m以速度v流過(guò)由角速度ω振動(dòng)的管道，那么這質(zhì)量元就會(huì)在管壁上產(chǎn)生科氏力，即FC=2mv×ω在管道的前后半段上，除了一階諧振外，還產(chǎn)生作用力方形相反的二階模式振動(dòng)。一階和二階模式振動(dòng)的疊加在時(shí)間上產(chǎn)生90°的相移。因此，當(dāng)管道中存在質(zhì)量流量時(shí)，測(cè)量管道產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
評(píng)論