兩相流量測(cè)量

兩相流流量測(cè)試技術(shù)摘要：兩相流流量檢測(cè)在工業(yè)上有著十分重要的意義，本文綜述了兩相流流量測(cè)試的一些常見(jiàn)方法和最新進(jìn)展，主要包括孔板流量計(jì)，彎頭流量計(jì)，哥里奧利力式流量計(jì)，熱式質(zhì)量流量計(jì)，超聲波流量計(jì)，電磁流量計(jì)，相關(guān)法測(cè)流量，分流分相技術(shù)等。關(guān)鍵字：兩相流，流量，流量計(jì)1.簡(jiǎn)介1.1兩相流的流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)任一流道截面的流體的總質(zhì)量稱為質(zhì)量流量，用W,kg/s表示。對(duì)于氣液兩相流動(dòng)，有W二W+Wgl流道單位截面通過(guò)的質(zhì)量流量稱為質(zhì)量流速，用G，kg'm2?s表示：WG=—A單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)任一流道截面的流體的總體積稱為體積流量，用Q，m3js表示，對(duì)于氣液兩相流動(dòng)，有：Q二Q+Qgl兩相流測(cè)量的重要性多相流在自然界、工程設(shè)備及日常生活中都是廣泛存在的，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展多相流動(dòng)體系在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人類生活中的地位日益重要。多相流動(dòng)體系中又以兩相流動(dòng)體另最為普遍，尤其是氣液兩相流現(xiàn)象在化工、石油、電力、制藥和生化等工業(yè)部門都是普遍石在的。在原油開(kāi)采過(guò)程中，從井口噴出的常常是原油、天然氣和水三種組分的混合物（有時(shí)混合物中還夾雜砂子）。為了確定各油井的原油和天然氣的產(chǎn)量，或觀測(cè)另底地層中儲(chǔ)油構(gòu)造的油氣含量情況的變化，需要在線測(cè)量管線中原油、天然氣和水三者的體積流量或質(zhì)量流量。因此，在許多生產(chǎn)過(guò)程中，兩相（氣液、氣固和液固）流體或多相（多組分）流體的測(cè)量和控制是一個(gè)亟須解決，而又長(zhǎng)期未能很好解決的難題。由于兩相流動(dòng)或多相流動(dòng)比單相流動(dòng)不僅流動(dòng)特性復(fù)雜得多，而且相間存在著界面效應(yīng)和相對(duì)速度，致使參數(shù)檢測(cè)的難度較大。為此，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均做了大量研究工作如，輻射線技術(shù)、激光多普勒技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、光纖技術(shù)、期沖中

子活性示蹤技術(shù)、相關(guān)技術(shù)及流動(dòng)成像技術(shù)等。也有很多研究工作是應(yīng)用傳統(tǒng)的單相流儀表和兩相流模型進(jìn)行多參數(shù)組合辨識(shí)而檢測(cè)的。這些兩相流參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)和方法大都處于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究階段，已商品化的工業(yè)型儀表為數(shù)還很少，兩相流參數(shù)檢測(cè)是一個(gè)亟待發(fā)展的研究領(lǐng)域。兩相流動(dòng)或多相流動(dòng)是一種復(fù)雜的、多變量隨機(jī)過(guò)程，隨著隨機(jī)過(guò)程理論的逐步發(fā)展和信號(hào)處理技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法和過(guò)程辨識(shí)理論與技術(shù)，進(jìn)行兩相流參數(shù)的估計(jì)將成為重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。當(dāng)今計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，獲取多個(gè)信息量對(duì)兩相流流體局部空間區(qū)域，應(yīng)用流動(dòng)在像技術(shù)進(jìn)行微觀測(cè)量也將是重要的發(fā)展方向之一。研制高靈敏度和穩(wěn)定度的陣列式傳感器，以邊到較準(zhǔn)確地測(cè)量離散相的濃度及其分布是重要的基礎(chǔ)工作?？臻g濾波器法、相關(guān)法和激光多普勒法在測(cè)量?jī)上嗔髁魉俜矫鎸@得廣泛的應(yīng)用。如何將成熟的單相流檢測(cè)技術(shù)用于兩相流參數(shù)檢測(cè)仍將是受到普遍重視的研究方向。2.兩相流流量測(cè)試方法2.1孔板流量計(jì)孔板流量計(jì)是最常用的一種利用壓差原理測(cè)量流量的節(jié)流式流量計(jì)。用于測(cè)量單相流體已非常成熟，且已標(biāo)準(zhǔn)化。其基本原理如下：已非常成熟，且已標(biāo)準(zhǔn)化。其基本原理如下：圖1孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖2.1.1孔板流量計(jì)原理孔板流量計(jì)是通過(guò)改變流體在管道中的流通截面積從而引起動(dòng)能與靜壓能的改變來(lái)檢測(cè)流量的裝置。其主要元件是在管道中插入的一塊中心開(kāi)圓孔的板，流體流經(jīng)孔板時(shí)因流道縮小、流速增加，即動(dòng)能增加，且由于慣性作用從孔口流出后繼續(xù)收縮形成一最小截面（稱為縮脈）2—2?？s脈處流速最大因而靜壓相應(yīng)最低，在孔板前上游截面1與縮脈截面2之間列伯努利方程：TOC\o"1-5"\h\zu2 p u2 pA+ 1= 2+ 22 p 2 p式中縮脈截面2的準(zhǔn)確軸向位置以及截面積均難于確定，因此u、p2也難于確定。兼之實(shí)22際流體通過(guò)孔板的阻力損失等尚未計(jì)及的因素，—般工程上采用規(guī)定孔板兩側(cè)測(cè)壓口位置，用孔口流速uo代替役并相應(yīng)乘上一個(gè)校正系數(shù)C的辦法進(jìn)行修正，即式中匕，Pb為孔板兩側(cè)測(cè)壓口處的壓力。又根據(jù)連續(xù)性方程冒叮計(jì)1帶入可得Uo )其中，C0=--= ，稱之為孔板流量系數(shù)。,'1-(”故管道內(nèi)流體質(zhì)量流量可以寫(xiě)成，G二C '2pAPm 0孔板流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流動(dòng)由于流經(jīng)孔板時(shí)的兩相流體流動(dòng)工況較為復(fù)雜，流動(dòng)壓差和流量、含氣率之間的關(guān)系與流型有關(guān)，不同的流動(dòng)模型將得到不同的計(jì)算關(guān)系式。基本的流動(dòng)模型有均相模型和基于分相流動(dòng)的動(dòng)量模型。雖已有不少應(yīng)用孔板進(jìn)行的測(cè)量和研究，也取得一定進(jìn)展，但仍在不斷地開(kāi)發(fā)之中。1.均相模型均相流動(dòng)模型把兩相流體作為充分混合的單相流體，均相混合物的比體積計(jì)算式為：v=xv+(1一x)vgl可以得到流量公式為：A2A^xv+(1-x)vg l此式適用于折算液速或折算氣速高的流動(dòng)工況，另外，一些試驗(yàn)表明，用均相模型求得的流量值高于實(shí)際值，在低壓情況下，尤為顯著。2.動(dòng)量流動(dòng)模型動(dòng)量流動(dòng)模型是以分相流動(dòng)模型的動(dòng)量守恒方程式為基礎(chǔ)，忽略重位壓降和摩擦壓降項(xiàng)，導(dǎo)出兩相流體流過(guò)孔板的壓降。

TOC\o"1-5"\h\zAP (1一x)2 vx2TP二 + AP (1-a) vallChisholm以此模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用分液相、分氣相求得壓降，即求液相流量單獨(dú)流過(guò)孔板時(shí)動(dòng)量變化引起的壓降a和氣相流量單獨(dú)流過(guò)孔板時(shí)動(dòng)量變化引起的壓降A(chǔ)pg，得出,AP C 1TP—1+ 1 AP XX2lTP—X2+CX+1APg其中，v_AP 1-其中，v_AP 1-x.(P.X2—l ( )2(g)，AP xPglC——(—1-)0-5+(—g)0-5，S為滑速比;SP PglMurdock按此模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到：(TP)0.5—1+1.26( 4)0.5AP APg g我國(guó)林宗虎也利用標(biāo)準(zhǔn)銳邊圓孔板測(cè)量了氣液兩相流的含氣率和流量。試驗(yàn)是在氟里昂流體回路上進(jìn)行的，并歸納了其他學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了適用范圍較廣的計(jì)算式：AP AP(一TP)0.5—6+X[(一卜)0.5-6]AP APlg其中， P-的函數(shù)，可由下圖查取Pg0.81 0.81 1 I L__0 0.1 02 03上述一些計(jì)算式均同經(jīng)驗(yàn)式或半經(jīng)驗(yàn)式，因而各計(jì)算式的應(yīng)用范圍不應(yīng)超出得出此計(jì)算式的試驗(yàn)參數(shù)范圍，否則計(jì)算誤差便會(huì)急劇上升。2.2彎頭流量計(jì)彎頭流量計(jì)可用于測(cè)量單相流體，氣固兩相流體，氣液兩相流體和液固兩相流體，其工作原理為利用流體流過(guò)彎頭時(shí)由于離心力造成彎頭內(nèi)外壁的壓力差和流體流量之問(wèn)的相互

關(guān)系來(lái)測(cè)量流量。通過(guò)測(cè)量彎頭內(nèi)外壁面之間的壓力差就可以計(jì)算出流體的流量。圖2是彎頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，速度分布及測(cè)壓管路的示意圖。彎頭內(nèi)側(cè)半徑為r1，流體速度為U1,彎頭外側(cè)半徑為r2,速度為U2?彎頭內(nèi)速度分布可以看成是按雙曲線分布，即,Ur=Ur=C，其中C為常數(shù)。1122iriU1U2圖2彎頭測(cè)流量示意圖測(cè)壓計(jì)iriU1U2圖2彎頭測(cè)流量示意圖測(cè)壓計(jì)流過(guò)彎頭的質(zhì)量流量經(jīng)積分運(yùn)算后可按下式計(jì)算：G=2兀C(R—vR2—r2)p，其中R為彎頭中心線處的半徑；P為兩相混合物的平均密度；r=R-r1應(yīng)用伯努利定律計(jì)算彎頭內(nèi)則及外側(cè)的壓力差A(yù)p，有：pC24RrAp=2R2—r2聯(lián)立以上二式，可得：G-聯(lián)立以上二式，可得：G-吋轎”—\R2—r2實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常要乘上一個(gè)流量修正系數(shù)C，這樣實(shí)際流量公式為:DG二C2pApR2二2kC?—Jr2—r2)八 jRr有學(xué)者研究表明，在彎頭的彎轉(zhuǎn)角為60?180度時(shí)，彎頭流量修正系數(shù)C近似為常數(shù),D其值約為1.07.當(dāng)彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)都確定時(shí)，只要通過(guò)已知流體平均密度和測(cè)壓管測(cè)定的壓差就可以計(jì)算

出流量，流量公式可以寫(xiě)成：G=gpAp彎頭式流量計(jì)用于測(cè)量?jī)上嗔髁髁康膬?yōu)點(diǎn)在于不產(chǎn)生因測(cè)量流量而帶來(lái)的附加壓力損失，在測(cè)量氣液兩相流流量時(shí)，對(duì)于氣液兩相流的脈動(dòng)工況不敏感。但在測(cè)量氣固兩相流流量時(shí)，應(yīng)注意尋壓管的堵塞問(wèn)題。應(yīng)用彎頭式流量計(jì)測(cè)量氣固兩相流時(shí)，固相濃度值不宜過(guò)高。且這種流量計(jì)較難標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)后方可應(yīng)用。2.3畢托管畢托管的構(gòu)造如圖3所示。它由兩根彎成直角的同心套管組成，內(nèi)管壁無(wú)孔，外管靠近端點(diǎn)處沿著管壁的周圍開(kāi)有若干個(gè)測(cè)壓小孔，兩管之間的環(huán)隙端面是封閉的。為了減小渦流引起的測(cè)量誤差，測(cè)速前端通常做成半球形。測(cè)量時(shí)，畢托管的管口要正對(duì)著管道中流體的流動(dòng)方向。U型管壓差計(jì)的兩端分別與畢托管的內(nèi)管與套管環(huán)隙連接。設(shè)在畢托管前一小段距離的點(diǎn)①處的流速為v，壓力為P1;如內(nèi)管已充滿被測(cè)流體，則11后續(xù)流體到達(dá)點(diǎn)②處即被截住，速度降為零，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使點(diǎn)②處的壓力增至？。2此時(shí)內(nèi)管代表的是靜壓能和動(dòng)能之和，稱為全壓，即：prp=p/p+v22。因外管壁面四周的測(cè)壓小孔與流體流動(dòng)方向平行，所以外管代表的是流體的靜壓能。由以上分析可知，U形管壓差計(jì)讀數(shù)反映出的是全壓與靜壓能之差，即： A?p=p2/-p/p=Y2，故v1v1實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對(duì)上式進(jìn)行修正，主要原因有兩個(gè)：一是由于兩個(gè)小孔并不是在同一個(gè)斷面上，因此測(cè)得的并不是同一點(diǎn)的能量；二是畢托管的放入對(duì)流體造成了擾動(dòng)影響。修正后為：V]=c ,c為修正系數(shù)，一般為0.98?1,通常去c=1.以上分析是針對(duì)單相流體而言的，當(dāng)應(yīng)用畢托管測(cè)量?jī)上嗔黧w流速時(shí)要求兩相間沒(méi)有速度漂移，為：即只適用于氣液/氣固兩相混合均勻的場(chǎng)合，如細(xì)泡狀流，霧狀流等。具體公式V=\:型，其中p=ap+(1-a)PIp m g 11m應(yīng)用皮托管測(cè)量x或G主要存在的問(wèn)題是：兩相流體在管道截面上速度分布很復(fù)雜。影響因素又多，因此皮托管安裝位置對(duì)測(cè)量結(jié)果有用膜式分離器，分離效率不高，測(cè)量精度低；加之流動(dòng)模型可能未能充分反映實(shí)際過(guò)程而造成偏差。2.4力學(xué)法測(cè)流量2.4.1哥里奧利力式流量計(jì)哥里奧利力式流量計(jì)是根據(jù)牛頓第二定律建立起力、加速度和質(zhì)量三者關(guān)系的質(zhì)量流量計(jì)。它的原理如圖4所示。用一個(gè)U形管和一個(gè)T形簧片作流量計(jì)的主體，U形管的開(kāi)口端和T形簧片的橫端均被固定住，另—端用電磁激勵(lì)，使其產(chǎn)生垂直于圖面方向的振動(dòng)，并利用光電檢測(cè)器將此振動(dòng)檢測(cè)出來(lái)。圖4哥里奧利力式流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖U形管的扳動(dòng)迫使管內(nèi)的流體和它一起運(yùn)動(dòng)。設(shè)流體從圖中下面的管口流入，從上面的管口流出，U形管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)受一個(gè)哥里奧利力的作用，流體質(zhì)點(diǎn)也對(duì)管子產(chǎn)生一個(gè)大小相等方向相反的作用力。由于流體在兩臂內(nèi)流動(dòng)的方向相反，所以u(píng)形管兩臂承受的這個(gè)力的方向也相反，故U形管是受到一個(gè)力矩。在這個(gè)力矩的作用下U形管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，測(cè)得這個(gè)變形即測(cè)得了管內(nèi)流體的質(zhì)量流量。U形管的振動(dòng)可以看成是繞固定端助瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng),其角速度為°，管子里流體的流速為V,如果流體的質(zhì)量是m,則流體質(zhì)點(diǎn)上作用的哥里奧利力式流量計(jì)為F=2m?V由于VI和V2的方向相反，所以兩個(gè)哥氏力的方向也相反，這樣造成了一個(gè)繞0-0軸的力矩M，M=fr+frc11c22若結(jié)構(gòu)對(duì)稱，則該力矩可以寫(xiě)成M=2fr=4m?Vrc1力矩M使得U形管扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。，有M=K，其中，K為U形管扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)這樣，管中流體質(zhì)量流量G即可得到，G=mV=竺4?r再利用光電檢測(cè)器，把U形管扭轉(zhuǎn)角度0轉(zhuǎn)換成兩個(gè)脈沖信號(hào)之間的關(guān)系，2r0=UAtT其中，U是管子安裝在光電檢測(cè)器處的速度T另外，U=L?，L為管子長(zhǎng)度；T最后有KLAtG= 8r2哥里奧利力式流量計(jì)測(cè)量流量時(shí)受兩相流體速度場(chǎng)分布情況助影響較小，因而在測(cè)量時(shí)不需要有一前置穩(wěn)定直管段．2.4.2角動(dòng)量式流量計(jì)圖5是一種角動(dòng)量式質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。這種流量計(jì)主要由一被電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)作恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的多葉道渦輪和一靜子組成。兩相流體流入渦輪后隨渦輪一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的兩相流體從渦輪流入靜子后給靜子施加一個(gè)力矩。由于此力矩是和兩相流體的質(zhì)量流量成正比的，因而測(cè)出此力矩即可算得流過(guò)管道的兩相流體質(zhì)量。質(zhì)量為dm的兩相流體對(duì)渦輪軸線的動(dòng)量矩dH為dH=?dI其中，dI=r2dm當(dāng)此兩相流體進(jìn)入靜子后，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受阻，動(dòng)量矩發(fā)生變化．根據(jù)動(dòng)量矩定律，動(dòng)量矩變化等于沖量矩，兩相流體進(jìn)入靜子后所受到的沖量矩為：Mdt=dH聯(lián)立以上各式有，M=?r2GM燉動(dòng)戲式跚M燉動(dòng)戲式跚輪流量計(jì)I一制輪？一掙予*一住筠4-：!」瘁迢區(qū)說(shuō)K-餌輪険轉(zhuǎn)他2.5熱式質(zhì)量流量計(jì)熱式質(zhì)量流量計(jì)是在加熱流體時(shí)利用測(cè)量熱的傳遞、熱的轉(zhuǎn)移或是利用熱量消散效應(yīng)來(lái)測(cè)得流體質(zhì)量流量的流量計(jì)?；跓崃總鬟f轉(zhuǎn)移效應(yīng)的產(chǎn)品有熱分布式流量計(jì)、托馬斯流量計(jì)和邊界流量計(jì)；基于熱量消散效應(yīng)的產(chǎn)品有侵入型熱消散式流量計(jì)和熱線（熱膜）風(fēng)速計(jì)。與其他形式的質(zhì)量流量計(jì)相比較，熱式質(zhì)量流量計(jì)能夠測(cè)量極低流速的微小流量。它的結(jié)構(gòu)中不存在可動(dòng)部件，可靠性高。如無(wú)分流管的熱分布流量計(jì)沒(méi)有阻流元件，測(cè)量不會(huì)引起壓力損失；帶分流管的熱分布式或侵入式流量計(jì)雖有阻流件，但壓力損失很小。熱式質(zhì)量流量計(jì)也有其不足之處：熱式質(zhì)量流量響應(yīng)慢；被測(cè)流體組分變化較大的場(chǎng)所，因C值和傳熱系數(shù)變化，測(cè)量值會(huì)有較大變化而產(chǎn)生誤差；對(duì)小流量而言，儀表會(huì)給被測(cè)p流體帶來(lái)相當(dāng)熱量；對(duì)于細(xì)管型儀表若流體在管壁沉積垢層會(huì)影響測(cè)量值，而且易堵塞，必須定期清洗。2.5.1托馬斯流量計(jì)托馬斯流量計(jì)是一種接觸式流量計(jì)，它由外熱源對(duì)被測(cè)流體加熱，測(cè)量因流體流動(dòng)而造成的溫度變化來(lái)反映質(zhì)量流量，或利用加熱流體時(shí)流體溫度上升所需能量與流體質(zhì)量流量之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量流體質(zhì)量流量。通過(guò)托馬斯流量計(jì)的流體質(zhì)量流量W為：cATpm其中，E——單位時(shí)間內(nèi)輸給流量計(jì)的電功率；c——流體的定壓比熱容；pm對(duì)于氣液兩相c=ca+c（l-a）；pm pg pl對(duì)于油水兩相c二c卩+c（1—卩），0為含油率;pm po pw△T——熱源前后兩測(cè)溫點(diǎn)的溫度差。熱分布式流量計(jì)熱分布式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理如圖6所示，在測(cè)量管外繞有兩個(gè)阻值相同、位置對(duì)稱的線圈，并與另外兩個(gè)電阻組成一個(gè)直流電橋。電阻線圈既是加熱元件，又是測(cè)溫元件。電橋通有恒定的電流，對(duì)測(cè)量管道內(nèi)的流體進(jìn)行加熱。當(dāng)流體靜止時(shí)，兩線圈平均溫度相同，線圈中心線上下游溫度分布是對(duì)稱的，如圖中虛線所示；當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，上游線圈溫度下降，下游線圈溫度上升，測(cè)量管中的溫度分布曲線發(fā)生改變，如圖中實(shí)線所示。測(cè)出兩線圈電阻值變化，即可求出兩繞組溫度差△T,AT與質(zhì)量流量W的關(guān)系為AW二K ATcpm式中A—線圈與周圍環(huán)境的總熱傳導(dǎo)系數(shù)；K一比例系數(shù)。圖6熱分布式流量結(jié)構(gòu)圖3.浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)又稱插入式熱式質(zhì)量流量計(jì)，它是在原來(lái)熱線接觸式流量計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種堅(jiān)固型熱式質(zhì)量流量計(jì)，近年來(lái)得到很快的發(fā)展。浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理如圖7示，它有兩個(gè)探頭浸入被測(cè)流體中，一個(gè)含有加熱器的速度探頭Sl和一個(gè)不含加熱器的溫度探頭S2,其中Sl用來(lái)測(cè)量被流體帶走熱量后探頭壁面的溫度，S2用來(lái)測(cè)量來(lái)流溫度。根據(jù)能量守恒定律，給速度探頭加熱的功率Q應(yīng)等于流體流過(guò)探頭帶走的熱量。Q二hA(T-T)ug式中h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A—圓柱形探頭表面積；

T—速度探頭和溫度探頭所測(cè)得的溫度。T—速度探頭和溫度探頭所測(cè)得的溫度。圖7浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖量熱式流量計(jì)用于測(cè)量氣液兩相流的流量．在接近大氣壓下測(cè)量氣液混合物的質(zhì)量流量時(shí)，由于氣液兩相的密度差很大，所以測(cè)量的質(zhì)量流量實(shí)際上為液相的質(zhì)量流量．隨著壓力增大，氣液密度差減小，測(cè)出的混合物質(zhì)量流量才包括了氣液兩相的質(zhì)尺流量。此時(shí)，要分別測(cè)定氣相及液相的質(zhì)量流量，除應(yīng)用量熱式流量計(jì)外，還要應(yīng)用一種流量計(jì)或密度計(jì)。量熱式流量計(jì)用于測(cè)定氣固兩相流的質(zhì)量流量還存在一定困難。例如固體顆粒的溫度變化滯后于氣體，此外要測(cè)準(zhǔn)氣固兩相流的溫度也不易實(shí)現(xiàn)．這些都影響到測(cè)量精確性，因而不宜將量熱式流量計(jì)用于測(cè)氣固兩相流的質(zhì)量流量。2.6超聲波流量計(jì)超聲波流量計(jì)常用的信號(hào)檢測(cè)方法有時(shí)差法、相位差法、頻差法、多普勒法、相關(guān)法波束偏移法和噪聲法等。由于時(shí)差法、相位差法和頻差法的基本原理都是通過(guò)測(cè)量超聲波脈、肆順流和逆流對(duì)速度之差來(lái)反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法，其中時(shí)差法和頻差法克服了聲速隨流體變化帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確度較高，被廣泛應(yīng)用。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射的超聲波多普勒頻移來(lái)確定流體流量的，適用于含懸浮粒、氣泡等流體流量的測(cè)量。相關(guān)法是利用檢點(diǎn)關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，因此在原理上此法的測(cè)量準(zhǔn)確度與流體孛的聲速無(wú)關(guān)，也與溫度、濃度等無(wú)關(guān)，準(zhǔn)確度高，適用范圍廣，特別在微處理器普及且相關(guān)器產(chǎn)品繁多，價(jià)格較低廉的今天，相關(guān)流量計(jì)有著十分廣闊的發(fā)展前途。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來(lái)反應(yīng)流體流速的，低速時(shí)，靈敏度很低，適用性不大。噪聲法是利用管道中流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過(guò)檢測(cè)噪聲表示流速或流量值，其結(jié)構(gòu)及原理最為簡(jiǎn)單，但只適用于流量測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高的場(chǎng)合。超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路和流量顯示三部分組成。目前，傳播速度差法（時(shí)差法、相位差法、頻差法）和多普勒法是工業(yè)超聲波流量計(jì)中采用的最多的方法。應(yīng)用傳播速度差法測(cè)量?jī)上嗔黧w時(shí)只能測(cè)得兩相流體的流速，要測(cè)得其質(zhì)量流量還需配用一密度計(jì)以測(cè)得兩相流體的密度，然后經(jīng)運(yùn)算后才能得出兩相流體的質(zhì)量流量。

2.6.1傳播速度差法時(shí)差法時(shí)差法測(cè)量液體的原理如圖8所示，利用聲波在液體中傳播時(shí)，聲波與流體流動(dòng)方向不同傳播速度不同的特點(diǎn)，測(cè)定其順流傳播時(shí)間t］和逆流傳播時(shí)間t2的差值，計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量。圖8時(shí)差法原理圖設(shè)靜止流體聲速為C,流體流動(dòng)速度為V,把一組傳感器Pl、P2與管道軸線安裝成o角，L為傳感器的距離，D為管道內(nèi)徑）。從P1到P2順流發(fā)射時(shí)，聲波傳播時(shí)間tl為L(zhǎng)t=—c+Vcos0從P2到Pl逆流發(fā)射時(shí)，聲波傳播時(shí)間t2為：Lt=—c-Vcos0一般c>>V，所以兩種傳播方式的時(shí)間差為：2LVcos0At=c2根據(jù)上式可求出速度V,再求出流量Q。相位差法從上式看出V受C的影響大，C又受溫度、物性、干度等因素的影響。此外At的量級(jí)很小，約為10-8?10-9秒，測(cè)量At則需要復(fù)雜的電子儀器。所以常采用測(cè)量連續(xù)超聲波在順流和逆流傳播時(shí)接收信號(hào)之間的相位差，簡(jiǎn)稱相差法。設(shè)連續(xù)波的角頻率?，則. . 2?LVcos0A?=?At=c2頻差法頻差法超聲波流量計(jì)是在直接時(shí)差法和相差法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在被測(cè)流體內(nèi)由兩對(duì)超聲波發(fā)射器組成兩個(gè)通道，一個(gè)通道接順流方向發(fā)射超聲波，另一個(gè)通道接逆流方向發(fā)射超聲波。設(shè)順流發(fā)射時(shí)，發(fā)射聲波的頻率為fl,即：逆流發(fā)射時(shí)，發(fā)射聲波的頻率為f2,即:c-Vcos02t2頻差為:2Vcos0Af_L由此可見(jiàn)，測(cè)量出頻率差值，就可以得到流速V,而且式中不含C,故測(cè)量結(jié)果與溫度無(wú)關(guān)。多普勒法多普勒頻移法的原理是聲波的多普勒效應(yīng)。聲波的多普勒應(yīng)是聲源與接收器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的聲波頻率會(huì)有變化，稱之為多普勒頻移。可推導(dǎo)出接收器接收的聲波頻率f為:接收器固定時(shí):聲源向接收器靠近c(diǎn)f_f—0c-V聲源遠(yuǎn)離接收器時(shí)cf_f-c+V聲源固定時(shí):接收器向聲源靠近時(shí)cf_f-1 0c+V接收器遠(yuǎn)離聲源時(shí)，c+Vcos0當(dāng)顆粒將接收到的fl頻率的聲波傳入接收器時(shí)，接收器接收到的聲波頻率為f2，即:ffc_fc+Vcos02 1c-Vcos0 0c-Vcos0因此聲波接收器和發(fā)送器問(wèn)的多普勒頻移為:Vcos0Af_2f—0c-Vcos0考慮到c>>Vcos0，所以上式可以寫(xiě)成:Vcos0Af_2f-0c即，V= Af=KAf2f0cos0速度與多普勒頻移Af成正比。測(cè)定Af就可以得到兩相流體流速;

2.7電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來(lái)測(cè)量導(dǎo)電流體體積流量的儀表。自1932年第一臺(tái)圓形管道的電磁流量計(jì)問(wèn)世以來(lái)，隨著材料科學(xué)、電子學(xué)及微型計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，電磁流量計(jì)得到了快速的發(fā)展，其可靠性高、耐腐蝕性強(qiáng)、容易變更測(cè)量范圍的特點(diǎn)，使其成為目前廣泛應(yīng)用的體積流量測(cè)量?jī)x表。電磁感應(yīng)定律是法拉第最早通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)導(dǎo)體回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與同回路相交的磁通隨時(shí)間的變化率成正比，其方向由楞次定律決定。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及其所產(chǎn)生的感應(yīng)電流總是力圖阻止回路中的磁通屮的變化。因此，回路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小和方向可表示成E=--dt具有一定導(dǎo)電性能的流體在置于磁場(chǎng)中的管道內(nèi)流動(dòng)，由于導(dǎo)電流體流動(dòng)時(shí)切割磁力線，也會(huì)在流體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)．感應(yīng)電勢(shì)的方向仍可按右手定則確定；感應(yīng)電勢(shì)的大小出下式確定：E=BDV流過(guò)管道一定斷面的體積流量等于該斷面的面積與流速的乘積，對(duì)于圓形管道，以平均流速V流過(guò)測(cè)量管的體積流量為Q=-D2Vv4有，e=4Dq有，由式可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和測(cè)量管內(nèi)徑D—定時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與瞬時(shí)體積流量QV是線性關(guān)系，而與其它物理參數(shù)無(wú)關(guān)，這也是電磁流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)之一。圖9圖9電磁流量計(jì)原理圖電磁流量計(jì)從法拉第提出概念到實(shí)際的商品化應(yīng)用經(jīng)過(guò)了一百二十多年的發(fā)展，與其它類型的流量計(jì)相比，電磁流量計(jì)是一種測(cè)量精度高、應(yīng)用范圍廣的流量?jī)x表，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量通道是光滑直管段，不因流量檢測(cè)的方法原因產(chǎn)生壓力損失，壓力損失極小，無(wú)可動(dòng)部件；流量測(cè)量不受流體溫度、壓力、密度、粘度等條件影響；可對(duì)多相流進(jìn)行測(cè)量，精度高，量程寬；輸出電動(dòng)勢(shì)正比與流體的截面平均流速，且動(dòng)態(tài)范圍不受限制；輸出電動(dòng)勢(shì)與流速變化同步，響應(yīng)速度快；可測(cè)流體的正反向流量。盡管電磁流量計(jì)具有上面所述的許多優(yōu)異的性能，但在使用上也存在著一定的局限性，其不足之處有：要求被測(cè)量流體必須是導(dǎo)電的，因而有可測(cè)量最低電導(dǎo)率的限制，如不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；流速分布影響測(cè)量精度，對(duì)直管段有要求；因傳感器材料原因不能用于較高溫度的測(cè)量場(chǎng)合。2.8相關(guān)法測(cè)流量應(yīng)用相關(guān)法可以測(cè)定管內(nèi)兩相流體的流速和容積流量。如要測(cè)定兩相流體的質(zhì)量流量，則還需和一密度計(jì)配合使用．首先考慮流體在封閉管道內(nèi)的流動(dòng)。如圖10所示：圖10理想流體在管道中的流動(dòng)a-a'和b-b'分別是與流體流動(dòng)方向垂直的兩個(gè)流通截面，它們彼此沿管道軸線方向相隔一已知距離L。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，如果暫不考慮流體內(nèi)部存在的黏性阻力及管道內(nèi)壁對(duì)流體的摩擦作用，則可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為截面上各處的流體是以同一速度，即以液體的體積平均流速V從截面a-a'流動(dòng)到截面b-b'，那么：cpvQcpA由于截面a-a'和b-b'之間的距離L是已知的，因此，只要能確定時(shí)間間隔T，就可以按下式計(jì)算出流體的體積平均流速VcpcpT這樣流速測(cè)量問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為時(shí)間間隔的測(cè)量問(wèn)題了。相關(guān)流量計(jì)的工作原理可以用圖來(lái)說(shuō)明?？梢钥闯觯谘毓艿垒S線相距為已知距離L的兩個(gè)截面a—a'和b—b'處，分別安裝有結(jié)構(gòu)完全相同的某種物理效應(yīng)(例如光學(xué)，電學(xué)，聲學(xué)等)的傳感器。按照流體的流動(dòng)方向，一般將這兩個(gè)傳感器分別稱為上游傳感器和下游傳感器，在工作時(shí)，這些傳感器會(huì)會(huì)向被測(cè)流體發(fā)射一定幅度的能量束，或者在一定的空間范圍內(nèi)形成一定程度的能量場(chǎng)。當(dāng)被測(cè)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部自然發(fā)生的隨機(jī)噪聲現(xiàn)象，例如，單相流體內(nèi)部湍流“旋渦”的不斷產(chǎn)生和衰減，兩相流體中離散相顆粒的尺寸分布的隨機(jī)變化，以及多組分流體中各組分的局部濃度的隨機(jī)變化等，都會(huì)對(duì)傳感器發(fā)出的能量束或它們所形成的能量場(chǎng)產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)制作用(幅值調(diào)制，相位調(diào)制或者兩者的混合調(diào)制作用等)。隨之，傳感器中的敏感元件會(huì)檢測(cè)到這些調(diào)制作用引起的隨機(jī)噪聲信號(hào)，并產(chǎn)生相應(yīng)的物理量的變化。當(dāng)然，這些物理量隨時(shí)間的變化也將呈現(xiàn)隨機(jī)的性質(zhì)。最后，通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換電路，就可以分別從上，下游傳感器提取出與被測(cè)流體流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)噪聲信號(hào)x(t)和y(t)。圖11相關(guān)法測(cè)流量原理圖如果兩傳感器間的距離足夠小，流體在上下游傳感器之間的流動(dòng)時(shí)流動(dòng)特性的變化較小，則隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t)將基本相同，只是y(t)比x(t)有一個(gè)時(shí)間上的滯后。將信號(hào)x(t)和y(t)作互相關(guān)運(yùn)算，則互相關(guān)函數(shù)R(T)為：xyR(t)二limjTx(t-t)y(t)dtxy TT80互相關(guān)函數(shù)R(t)圖形的峰值(最大值)位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間T0就是兩信號(hào)間的滯后時(shí)xy 0間，一般稱為渡越時(shí)間。圖12互相關(guān)函數(shù)圖形因此，流體的傳播速度V可以按下式計(jì)算：cV——，通常稱V為相關(guān)速度。cT c0在理想流動(dòng)狀態(tài)下，即流體在上下游傳感器流動(dòng)符合Taylor的“凝固”流動(dòng)圖形假設(shè)，即當(dāng)流體從上游截面流動(dòng)到下游截面時(shí)，流體中的渦旋或離散相顆粒都以同樣的速度移動(dòng)，則被測(cè)流體的體積平均流速V可以用相關(guān)速度V表示，即cp cV=V=—cp cT0因而，被測(cè)流體的體積流量Q可表示為Q=VAc以上的敘述，只是在極為簡(jiǎn)化的前提條件下，對(duì)相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)原理所作的一種說(shuō)明。實(shí)際上，運(yùn)用相關(guān)流量測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單相或兩相流體的流速或體積流量的測(cè)量時(shí)，還有許多影響因素，需要在設(shè)計(jì)和使用該系統(tǒng)時(shí)予以考慮。主要應(yīng)考慮的有以下幾點(diǎn)：1．檢測(cè)流動(dòng)噪聲的傳感器通常都具有一定的幾何形狀與尺寸，它對(duì)被測(cè)流體內(nèi)部的隨機(jī)噪聲實(shí)際上起了一個(gè)空間濾波作用（低通或帶通）。又由于被測(cè)流體在管道橫截面上的各點(diǎn)的速度并不相同（取決于流速分布廓形），這樣一來(lái)，所檢測(cè)到的隨機(jī)流動(dòng)噪聲在上，下游傳感器之間的傳遞時(shí)間并不一定反映了被測(cè)流體的平均游動(dòng)速度的大小。2．在測(cè)量?jī)上嗔黧w時(shí)，上，下游傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)是兩相流體中離散相的隨機(jī)流動(dòng)噪聲，因而只能反映出離散相的流動(dòng)快慢等。因此，一般將相關(guān)流速V和被測(cè)流體的體c積流量之間的關(guān)系表示為Q=kVAc式中，k可稱為相關(guān)流量計(jì)的儀表常數(shù)，它與上述諸多因素有關(guān)，通常需由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定予以確定。2.9分流分相技術(shù)分流分相技術(shù)測(cè)量多相流體，簡(jiǎn)稱分流分相法，是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型多相流體流量測(cè)量方法。分流分相法的原理圖見(jiàn)圖13。3圖3圖i5分詭防相武流址計(jì)峭理1一匸汽逍二一苗扣仆配豔厘一分適體刖毘4一井離關(guān)5—滋俸流臥計(jì)百一％俸流城計(jì)?-被測(cè)兩相流體流經(jīng)分配器時(shí)被分成兩部分：一部分沿原通道繼續(xù)向下游流動(dòng)，稱這部份流體為主流體，這一回路為主流回路；另一部分兩相流體則進(jìn)入了分離器，稱這部份流體為分流體，這一支路為分流體回路。分流體經(jīng)分離器分離后，氣體和液體分別采用氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)測(cè)量，最后又重新與主流體匯合。被測(cè)兩相流體的氣相流量M和液相流量1gM根據(jù)它們與分流體氣液相流量的比例關(guān)系進(jìn)行計(jì)算：1lMM=—3g1gKgMM=——3-1lKl式中M為被測(cè)主管氣相流量；M為被測(cè)主管液相流量；K為氣相分流系數(shù)；K為液相1g 1l g l分流系數(shù)；M表示分流體的氣相流量，由氣體流量計(jì)測(cè)量；M為分流體的液相流量，3g 3l由液體流量計(jì)測(cè)量。王棟構(gòu)造了四種不同結(jié)構(gòu)的分配器，即三通管型、取樣管型、轉(zhuǎn)鼓型以及旋流型分配器。利用上述幾種分流分相式兩相流量計(jì)測(cè)量?jī)上嗔黧w流量，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，流量的平均測(cè)量誤差小于5%，最好的結(jié)果可以達(dá)到3%。三通管型三通管型取樣分配器利用T型三通的相分離特性，從被測(cè)氣、液二相流體中分離出一部分單相氣體，通過(guò)測(cè)量這部分單相氣體的流量確定被測(cè)氣、液二相流體的流量或干度。這種方法把二相流體的流量測(cè)量轉(zhuǎn)化成了單相流量的測(cè)量，測(cè)量?jī)x表的穩(wěn)定性和可靠性都能得到顯著改善，測(cè)量精度得以大幅度提高。但三通管型取樣分配器是一種單參數(shù)流量計(jì)，流量和干度2個(gè)參數(shù)中必須已知其中的一個(gè)參數(shù)才能測(cè)量出另一個(gè)。圖14是其結(jié)構(gòu)原理圖。K|牛三通管型分流分相式兩相洗體流■計(jì)

1主管2E通支簣3測(cè)支管4小孔5集氣暫6%體測(cè)冊(cè)曾總分流系數(shù)：K總分流系數(shù)：K=M31氣相分離系數(shù)：k=mx11根據(jù)并聯(lián)管壓力特性，并應(yīng)用兩相流理論中的分離流模型仿照林宗虎公式的推導(dǎo)過(guò)程，王東等得到了K與X1的關(guān)系式:K二C+D?X1K二—+DgX1在結(jié)構(gòu)參數(shù)和兩相流體的液相、氣相密度比確定的情況下，系數(shù)、D均為常數(shù)。總分流系數(shù)K與被測(cè)兩相流體的干度X成線性關(guān)系，而氣相分流系數(shù)K與X的倒數(shù)成線性關(guān)系。1 g1取樣管型上文談到的三通管只能分流出氣體，難以分流出液體，導(dǎo)致該流量計(jì)只能測(cè)量流量或干度中的一個(gè)參數(shù)，另一個(gè)參數(shù)必須通過(guò)其它方式來(lái)測(cè)量。為此，王東等提出應(yīng)用取樣管來(lái)做分配器，一并分流出氣體和液體，從而能同時(shí)測(cè)量各相流體的總流量（或流量和干度值）。其結(jié)構(gòu)原理圖如15所示：氣液兩相流體首先在混合器2內(nèi)進(jìn)行加速、混合，然后在混合器出口處分成兩部分，一部分（分流體）直接進(jìn)入取樣管3，另一部分（主流體）則繼續(xù)沿管道1流向下游。取樣管的出口通向分離器5，分流體在分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離后，氣體和液體分別進(jìn)入氣體流量計(jì)6和液體流量計(jì)7進(jìn)行測(cè)量，最后重新返回管道1中。團(tuán)取樣管型分淹分相式宅港兩相流薦流量計(jì)1RiS2iH合5S3取樣暫4節(jié)瓠扎梅5簾風(fēng)分宵誰(shuí)6氣悴流攤計(jì)7懣體流■計(jì)通過(guò)類似于三通管型流量分流系數(shù)的推導(dǎo)，作者得出了一下公式：（b*液相分流系數(shù)：K=a1+——1IM丿l3氣相分流系數(shù)：K-K+AKg g1 g其中K為干度等于1時(shí)的分流系數(shù)值，AK表示K和其它因素對(duì)K的影響。g1 g l g轉(zhuǎn)鼓型轉(zhuǎn)鼓型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖16，其核心部件是一個(gè)轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓通過(guò)轉(zhuǎn)軸支撐在軸承座上，可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓外形為圓柱體，內(nèi)部用軸流葉片均勻分割成，n個(gè)互不相通的通道，各通道的橫剖面為扇形，幾何尺寸和阻力特性完全相同。當(dāng)二相流流過(guò)轉(zhuǎn)鼓時(shí)會(huì)沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，各通道的入口截面不斷掠過(guò)上游流通截面上的每一個(gè)點(diǎn)使每一個(gè)點(diǎn)上的二相流體都能有機(jī)會(huì)均等地流人各通道。這樣，流人分離器的流量?jī)H僅取決于轉(zhuǎn)鼓中通向分離器的通道數(shù)（分流通道數(shù)），而與二相流體的流型等因素基本無(wú)關(guān)，分流系數(shù)保持為常數(shù)。旋流型旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖17。主要通過(guò)多孔取樣和流型整改來(lái)保證取樣的代表性。水平管氣、液二相流由于重力的影響，造成管截面上氣、液相分布不均勻，即使在環(huán)狀流型下，液膜沿周向分布也是不一致的，頂部液膜較薄，底部液膜較厚。采用單孔取樣方法很難保證取樣效果，在主管壁四周布置多個(gè)取樣孔，采用多孔取樣，能大大改善取樣的代表性。為了消除氣、液界面波動(dòng)對(duì)取樣穩(wěn)定性的影響，還需對(duì)管路上游流型進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)在取樣孔上游布置旋流葉片，將分層流、彈狀