1、兩相流流量測試技術(shù)摘要：兩相流流量檢測在工業(yè)上有著十分重要的意義，本文綜述了兩相流流量測試的一些 常見方法和最新進展，主要包括孔板流量計，彎頭流量計，哥里奧利力式流量計，熱式質(zhì)量 流量計，超聲波流量計，電磁流量計 ，相關(guān)法測流量，分流分相技術(shù)等。關(guān)鍵字:兩相流，流量，流量計1. 簡介1.1兩相流的流量單位時間內(nèi)流過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。對于氣液兩相流動，有W =Wg Wl* s表示:用Q, ms表示，對于氣流道單位截面通過的質(zhì)量流量稱為質(zhì)量流速，用G， kg.； mG旦A單位時間內(nèi)流過任一流道截面的流體的總體積稱為體積流量， 液兩相流動，有:Q 二QgQ1

2、1.2兩相流測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)展多相流動體系在國民經(jīng)濟和人類生活中的地位日益重要。多相流動體系中又以兩相流動體另最為普遍，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。在原油開采過程中，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，或觀測另底地層中儲油構(gòu)造 的油氣含量情況的變化，需要在線測量管線中原油、 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)過程中，兩相 （氣液、氣固和液固）流體或多相（多組分）流體的測量和控制 是

3、一個亟須解決，而又長期未能很好解決的難題。由于兩相流動或多相流動比單相流動不僅流動特性復(fù)雜得多，而且相間存在著界面效應(yīng)和相對速度，致使參數(shù)檢測的難度較大。為此，世界各工業(yè)發(fā)達國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行多參數(shù)組合辨識而檢測的。這些兩相流參數(shù)的檢測技術(shù)和方法大都處于實驗室應(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)檢測是一個亟待發(fā)展的研究領(lǐng)域。兩相流動或多相流動是一種復(fù)雜的、多變量隨機過程，隨著隨機過程理論的逐

4、步發(fā)展和信號處理技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用統(tǒng)計的方法和過程辨識理論與技術(shù)，進行兩相流參數(shù)的估計將成為重要的發(fā)展趨勢之一。當(dāng)今計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，獲取多個信息量對兩相流流體局 部空間區(qū)域，應(yīng)用流動在像技術(shù)進行微觀測量也將是重要的發(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)確地測量離散相的濃度及其分布是重要的基礎(chǔ)工作。空間濾波器法、相關(guān)法和激光多普勒法在測量兩相流流速方面將獲得廣泛的應(yīng)用。如何將成熟的單相流檢測技術(shù)用于兩相流參數(shù)檢測仍將是受到普遍重視的研究方向。2. 兩相流流量測試方法2.1孔板流量計孔板流量計是最常用的一種利用壓差原理測量流量的節(jié)流式流量計。用于測量單相流體已非常成熟

5、，且已標(biāo)準(zhǔn)化。其基本原理如下:圖1孔板流量計結(jié)構(gòu)原理圖2.1.1孔板流量計原理孔板流量計是通過改變流體在管道中的流通截面積從而引起動能與靜壓能的改變來檢測流量的裝置。其主要元件是在管道中插入的一塊中心開圓孔的板，流體流經(jīng)孔板時因流道縮小、流速增加，即動能增加，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。縮脈處流速最大因而靜壓相應(yīng)最低，在孔板前上游截面I與縮脈截面2之間列伯努利方程：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u2、p2也難于確定。兼之實際流體通過孔板的阻力損失等尚未計及的因素，一般工程上采用規(guī)定孔板兩側(cè)測壓口位置，用孔口流速u0代替u2并相應(yīng)乘

6、上一個校正系數(shù) C的辦法進行修正，即2 2-,Uo -UiPa - Pb)P- 30 -式中Pa，Pb為孔板兩側(cè)測壓口處的壓力。又根據(jù)連續(xù)性方程 5 =口0（蟲）2di帶入可得u0二C0其中，C0二，稱之為孔板流量系數(shù)。故管道內(nèi)流體質(zhì)量流量可以寫成，Gm 二C°A2tP2.1.2孔板流量計測量氣液兩相流動由于流經(jīng)孔板時的兩相流體流動工況較為復(fù)雜，流動壓差和流量、含氣率之間的關(guān)系與流型有關(guān)，不同的流動模型將得到不同的計算關(guān)系式。基本的流動模型有均相模型和基于分相流動的動量模型。雖已有不少應(yīng)用孔板進行的測量和研究，也取得一定進展，但仍在不斷地開發(fā)之中。1均相模型均相流動模型把兩相流體作為

7、充分混合的單相流體，均相混合物的比體積計算式為:V 二 XVg （1X）V|可以得到流量公式為：Gm =C0A2PXVg （1X）V|此式適用于折算液速或折算氣速高的流動工況，另外，一些試驗表明，用均相模型求得的流量值高于實際值，在低壓情況下，尤為顯著。2.動量流動模型動量流動模型是以分相流動模型的動量守恒方程式為基礎(chǔ)，忽略重位壓降和摩擦壓降項，導(dǎo)出兩相流體流過孔板的壓降。LPTP(1 - X)Vg X= rR(1 a)V o(Chisholm以此模型為基礎(chǔ)，運用分液相、分氣相求得壓降，即求液相流量單獨流過孔 板時動量變化引起的壓降UR和氣相流量單獨流過孔板時動量變化引起的壓降A(chǔ)Pg,得出,-

8、PtpC 1=1 2X XPtp遲=x2 CX 1其中,2 汨 1 - X 2 ?g1 口X 飛二匸U)，C8(PapJ)0.5 -)0.5，s 為滑速比;lMurdock按此模型根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到:骨526(尹5我國林宗虎也利用標(biāo)準(zhǔn)銳邊圓孔板測量了氣液兩相流的含氣率和流量。昂流體回路上進行的，并歸納了其他學(xué)者的試驗數(shù)據(jù)，得出了適用范圍較廣的計算式:試驗是在氟里詩宀7吩其中,的函數(shù)，可由下圖查取。081IL_°0J0.20.3叫/叫上述一些計算式均同經(jīng)驗式或半經(jīng)驗式，因而各計算式的應(yīng)用范圍不應(yīng)超出得出此計算式的試驗參數(shù)范圍，否則計算誤差便會急劇上升。2.2彎頭流量計彎頭流量計可用于測量

9、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彎頭時由于離心力造成彎頭內(nèi)外壁的壓力差和流體流量之問的相互關(guān)系來測量流量。通過測量彎頭內(nèi)外壁面之間的壓力差就可以計算出流體的流量。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，UiA =U22 =C，其中C為常數(shù)。流過彎頭的質(zhì)量流量經(jīng)積分運算后可按下式計算：G =2二C(R- . R2 -r2) ：、，其中R為彎頭中心線處的半徑；r為兩相混合物的平均密度；r = R - r1應(yīng)用伯努利定律計算彎頭內(nèi)則及外側(cè)

10、的壓力差鄧，有:4RrR2聯(lián)立以上二式，可得:實際應(yīng)用時，通常要乘上一個流量修正系數(shù)CD，這樣實際流量公式為:G -CDR R2 -r2有學(xué)者研究表明，在彎頭的彎轉(zhuǎn)角為 60180度時，彎頭流量修正系數(shù) CD近似為常數(shù),其值約為1.07.當(dāng)彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)都確定時，只要通過已知流體平均密度和測壓管測定的壓差就可以計算出流量，流量公式可以寫成:彎頭式流量計用于測量兩相流流量的優(yōu)點在于不產(chǎn)生因測量流量而帶來的附加壓力損 失，在測量氣液兩相流流量時，對于氣液兩相流的脈動工況不敏感。但在測量氣固兩相流流量時，應(yīng)注意尋壓管的堵塞問題。應(yīng)用彎頭式流量計測量氣固兩相流時，固相濃度值不宜過高。且這種流量計較難標(biāo)準(zhǔn)

11、化，應(yīng)在現(xiàn)場進行調(diào)整試驗后方可應(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)管壁無孔，外管靠近端點處沿著管壁的周圍開有若干個測壓小孔，兩管之間的環(huán)隙端面是封閉的。為了減小渦流引起的測量誤差，測速前端通常做成半球形。測量時，畢托管的管口要正對著管道中流體的流動方向。U型管壓差計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處的流速為Vi，壓力為pi ；如內(nèi)管已充滿被測流體，則后續(xù)流體到達點處即被截住，速度降為零，動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使點處的壓力增至p2。此時內(nèi)管代表的是靜壓能和動能之和，稱為全壓，即因外管壁面四周的測壓小孔與流體流動方向平行，所以外

12、管代表的是流體的靜壓能。由以上分析可知，U形管壓差計讀數(shù)反映出的是全壓與靜壓能之差，即:，故圖3.畢托管原理圖實際應(yīng)用時需要對上式進行修正，主要原因有兩個：一是由于兩個小孔并不是在同一個斷面上，因此測得的并不是同一點的能量；二是畢托管的放入對流體造成了擾動影響。修正后為：0.981，通常去c=1.以上分析是針對單相流體而言的，當(dāng)應(yīng)用畢托管測量兩相流體流速時要求兩相間沒有速度漂移，即只適用于氣液 /氣固兩相混合均勻的場合，如細(xì)泡狀流，霧狀流等。具體公式為：應(yīng)用皮托管測量 x或G主要存在的問題是：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測量結(jié)果有用膜式分離器，分離效率

13、不高，測量精度低；加之流動模型可能未能充分反映實際過程而造成偏差。2.4力學(xué)法測流量2.4.1哥里奧利力式流量計哥里奧利力式流量計是根據(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。它的原理如圖 4所示。用一個 U形管和一個T形簧片作流量計的主體，U形管的開口端和T形簧片的橫端均被固定住，另一端用電磁激勵，使其產(chǎn)生垂直于圖面方向的振動，并利用光電檢測器將此振動檢測出來。U形管的扳動迫使管內(nèi)的流體和它一起運動。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)點受一個哥里奧利力的作用，流體質(zhì)點也對管子產(chǎn)生一個大小相等方向相反的作用力。由于流體在兩臂內(nèi)流動的方向相反，所以U形管

14、兩臂承受的這個力的方向也相反，故 U形管是受到一個力矩。在這個力矩的作用下U形管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，測得這個變形即測得了管內(nèi)流體的質(zhì)量流量。U形管的振動可以看成是繞固定端助瞬時轉(zhuǎn)動，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)點上作用的哥里奧利力式流量計為F =2m V由于V1和V2的方向相反，所以兩個哥氏力的方向也相反，這樣造成了一個繞0-0軸的力矩M ,M = fdi 仁22若結(jié)構(gòu)對稱，則該力矩可以寫成M = 2 fc1r = 4m Vr力矩M使得U形管扭轉(zhuǎn)一個角度 二，有=，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，K0G = mV =4衍

15、再利用光電檢測器，把 U形管扭轉(zhuǎn)角度 二轉(zhuǎn)換成兩個脈沖信號之間的關(guān)系，2rv -UT ：t其中，Ut是管子安裝在光電檢測器處的速度另外，Ut二，L為管子長度;最后有8r因而在測量時哥里奧利力式流量計測量流量時受兩相流體速度場分布情況助影響較小, 不需要有一前置穩(wěn)定直管段.2.4.2角動量式流量計圖5是一種角動量式質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)示意圖。這種流量計主要由一被電動機帶動作恒速轉(zhuǎn)動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， 因而測出此力矩即可算得流過管道的兩相流體質(zhì)量。質(zhì)量為dm的兩相流體對

16、渦輪軸線的動量矩dH為dH = dl其中，dI 二 r2dm當(dāng)此兩相流體進入靜子后，旋轉(zhuǎn)運動受阻，動量矩發(fā)生變化根據(jù)動量矩定律，動量矩 變化等于沖量矩，兩相流體進入靜子后所受到的沖量矩為：Mdt =dH聯(lián)立以上各式有， M = y2G力動fit武潛輪沆魚計t-au ；-靜子I一営駕h-涓輪擺轉(zhuǎn)摘2.5熱式質(zhì)量流量計熱式質(zhì)量流量計是在加熱流體時利用測量熱的傳遞、熱的轉(zhuǎn)移或是利用熱量消散效應(yīng)來測得流體質(zhì)量流量的流量計。基于熱量傳遞轉(zhuǎn)移效應(yīng)的產(chǎn)品有熱分布式流量計、托馬斯流量計和邊界流量計；基于熱量消散效應(yīng)的產(chǎn)品有侵入型熱消散式流量計和熱線（熱膜）風(fēng)速計。與其他形式的質(zhì)量流量計相比較， 熱式質(zhì)量流量計

17、能夠測量極低流速的微小流量。它的結(jié)構(gòu)中不存在可動部件， 可靠性高。如無分流管的熱分布流量計沒有阻流元件，測量不會引起壓力損失；帶分流管的熱分布式或侵入式流量計雖有阻流件，但壓力損失很小。熱式質(zhì)量流量計也有其不足之處：熱式質(zhì)量流量響應(yīng)慢；被測流體組分變化較大的場所，因Cp值和傳熱系數(shù)變化，測量值會有較大變化而產(chǎn)生誤差；對小流量而言，儀表會給被測 流體帶來相當(dāng)熱量；對于細(xì)管型儀表若流體在管壁沉積垢層會影響測量值，而且易堵塞，必須定期清洗。2.5.1托馬斯流量計托馬斯流量計是一種接觸式流量計，它由外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動而造成的溫度變化來反映質(zhì)量流量，或利用加熱流體時流體溫度上升所需能量

18、與流體質(zhì)量流量之 間的關(guān)系來測量流體質(zhì)量流量。通過托馬斯流量計的流體質(zhì)量流量 W為:ECpm'T其中，E單位時間內(nèi)輸給流量計的電功率;Cpm流體的定壓比熱容;對于氣液兩相Cpm二Cpg ： Cpi （1 - ：）；對于油水兩相Cpm二Cp。： * Cpw（1 - ：），:為含油率; T熱源前后兩測溫點的溫度差。2.5.2熱分布式流量計熱分布式質(zhì)量流量計的工作原理如圖6所示，在測量管外繞有兩個阻值相同、位置對稱的線圈，并與另外兩個電阻組成一個直流電橋。電阻線圈既是加熱元件，又是測溫元件。電 橋通有恒定的電流，對測量管道內(nèi)的流體進行加熱。當(dāng)流體靜止時，兩線圈平均溫度相同， 線圈中心線上下游

19、溫度分布是對稱的，如圖中虛線所示；當(dāng)流體流動時，上游線圈溫度下降，下游線圈溫度上升，測量管中的溫度分布曲線發(fā)生改變，如圖中實線所示。測出兩線圈電阻值變化，即可求出兩繞組溫度差T與質(zhì)量流量W勺關(guān)系為AW =K TCpm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)量流量計浸入型熱式質(zhì)量流量計又稱插入式熱式質(zhì)量流量計，它是在原來熱線接觸式流量計的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種堅固型熱式質(zhì)量流量計，近年來得到很快的發(fā)展。 浸入型熱式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)原理如圖7示，它有兩個探頭浸入被測流體中，一個含有加熱器的速度探頭 SI和一個不含加熱器的溫度探頭 S2,其中SI用來測量被

20、流體帶走熱量后探頭壁面的溫度，S2用來測量來流溫度。根據(jù)能量守恒定律，給速度探頭加熱的功率C應(yīng)等于流體流過探頭帶走的熱量。Q =hA(Tu -T：J式中h表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；A圓柱形探頭表面積；Tu、Toe速度探頭和溫度探頭所測得的溫度。圖7浸入型熱式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)原理圖量熱式流量計用于測量氣液兩相流的流量.在接近大氣壓下測量氣液混合物的質(zhì)量流量時，由于氣液兩相的密度差很大，所以測量的質(zhì)量流量實際上為液相的質(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，要分 別測定氣相及液相的質(zhì)量流量，除應(yīng)用量熱式流量計外，還要應(yīng)用一種流量計或密度計。量熱式流量計用于測

21、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，此外要測準(zhǔn)氣固兩相流的溫度也不易實現(xiàn).這些都影響到測量精確性，因而不宜將量熱式流量計用于測氣固兩相流的質(zhì)量流量。2.6超聲波流量計超聲波流量計常用的信號檢測方法有時差法、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。由于時差法、相位差法和頻差法的基本原理都是通過測量超聲波脈、 肆順流和逆流對速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法，其中時差法和頻差法克服了聲速隨流體變化帶來的誤差，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，通過測量不均勻流體中散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用

22、于含懸浮粒、氣泡等流體流量的測量。相關(guān)法是利用檢點關(guān)技術(shù)測量流量，因此在原理上此法的測量準(zhǔn)確度與流體孛的聲速無關(guān)，也與溫度、濃度等無關(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，價格較低廉的今天，相關(guān)流量計有著十分廣闊的發(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)生偏移來反應(yīng)流體流 速的，低速時，靈敏度很低，適用性不大。噪聲法是利用管道中流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流 體的流速有關(guān)的原理， 通過檢測噪聲表示流速或流量值，其結(jié)構(gòu)及原理最為簡單， 但只適用于流量測量準(zhǔn)確度要求不高的場合。超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路和流量顯示三部分組成。目前，傳播速度

23、差法 （時差法、相位差法、頻差法）和多普勒法是工業(yè)超聲波流量 計中采用的最多的方法。應(yīng)用傳播速度差法測量兩相流體時只能測得兩相流體的流速，要測得其質(zhì)量流量還需配用一密度計以測得兩相流體的密度，然后經(jīng)運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1. 時差法時差法測量液體的原理如圖 8所示，利用聲波在液體中傳播時， 聲波與流體流動方向不 同傳播速度不同的特點，測定其順流傳播時間匕和逆流傳播時間t2的差值，計算流體流動的 速度和流量。設(shè)靜止流體聲速為C,流體流動速度為V,把一組傳感器P1、P2與管道軸線安裝成 二角,ti為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，聲波傳播

24、時間ti從P2到Pi逆流發(fā)射時，聲波傳播時間t2為:t2Lc -V cos 二般c V，所以兩種傳播方式的時間差為:2LV cos2 c根據(jù)上式可求出速度 V，再求出流量Q。2. 相位差法從上式看岀V受C勺影響大，C又受溫度、物性、干度等因素的影響。此外.辻的量級很小，約，則為10 $10秒，測量 t則需要復(fù)雜的電子儀器。所以常采用測量連續(xù)超聲波在順流和逆流傳 播時接收信號之間的相位差，簡稱相差法。設(shè)連續(xù)波的角頻率-. :t_ 2 LV cos_ 2c3. 頻差法頻差法超聲波流量計是在直接時差法和相差法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在被測流體內(nèi)由兩對超聲波發(fā)射器組成兩個通道， 一個通道接順流方向發(fā)射超聲

25、波，另一個通道接逆流方向發(fā)射超聲波。設(shè)順流發(fā)射時，發(fā)射聲波的頻率為f1，即：逆流發(fā)射時，發(fā)射聲波的頻率為f2，即:t2c - V cosL頻差為：2V cos日LTL由此可見，測量出頻率差值，就可以得到流速V,而且式中不含C,故測量結(jié)果與溫度無關(guān)。2.6.2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)生相對運動時，接收器接收到的聲波頻率會有變化，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：聲源向接收器靠近,f 二 f。cc -V聲源遠(yuǎn)離接收器時聲源固定時：接收器向聲源靠近時,接收器遠(yuǎn)離聲源時,c V cos 二c當(dāng)顆粒將接收到的fl頻率的聲

26、波傳入接收器時，接收器接收到的聲波頻率為f2，即:c V cos -c -V cos -因此聲波接收器和發(fā)送器問的多普勒頻移為:f =2f。V cosc - V cos考慮到c V co，所以上式可以寫成:訐=2foV cos-即,c2 f0 cos -速度與多普勒頻移 f成正比。測定訐就可以得到兩相流體流速;2.7電磁流量計電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理來測量導(dǎo)電流體體積流量的儀表。自1932年第一臺圓形管道的電磁流量計問世以來，隨著材料科學(xué)、電子學(xué)及微型計算機的飛速發(fā)展，電磁流量計得到了快速的發(fā)展，其可靠性高、耐腐蝕性強、容易變更測量范圍的特點，使其成為目前廣泛應(yīng)用的體積流量

27、測量儀表。電磁感應(yīng)定律是法拉第最早通過實驗發(fā)現(xiàn)的。實驗表明，通過導(dǎo)體回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時， 回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流。感應(yīng)電動勢的大小與同回路相交的磁通隨時間的變化率成正比，其方向由楞次定律決定。 根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電動勢及其所產(chǎn)生的感應(yīng)電流總是力圖阻止回路中的磁通'的變化。因此，回路中感應(yīng)電動勢E的大小和方向可表示成dWE = dt具有一定導(dǎo)電性能的流體在置于磁場中的管道內(nèi)流動，由于導(dǎo)電流體流動時切割磁力 線，也會在流體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢.感應(yīng)電勢的方向仍可按右手定則確定；感應(yīng)電勢的大小出下式確定：E =BDV流過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，

28、對于圓形管道，以平均流速V流過測量管的體積流量為QvdV44B有，E = Qv二 D由式可以看出，當(dāng)磁感應(yīng)強度B和測量管內(nèi)徑D一定時，感應(yīng)電動勢E與瞬時體積流量 Qv 是線性關(guān)系，而與其它物理參數(shù)無關(guān)，這也是電磁流量計的最大優(yōu)點之一。電磁流量計從法拉第提出概念到實際的商品化應(yīng)用經(jīng)過了一百二十多年的發(fā)展， 與其它 類型的流量計相比，電磁流量計是一種測量精度高、 應(yīng)用范圍廣的流量儀表，具有以下顯著 優(yōu)點：(1) 測量通道是光滑直管段，不因流量檢測的方法原因產(chǎn)生壓力損失，壓力損失極小， 無可動部件；(2) 流量測量不受流體溫度、壓力、密度、粘度等條件影響；(3) 可對多相流進行測量，精度高，量程寬；

29、(4) 輸出電動勢正比與流體的截面平均流速，且動態(tài)范圍不受限制；(5) 輸出電動勢與流速變化同步，響應(yīng)速度快；(6) 可測流體的正反向流量。盡管電磁流量計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：(1) 要求被測量流體必須是導(dǎo)電的，因而有可測量最低電導(dǎo)率的限制，如不能測量電導(dǎo) 率很低的液體，如石油制品；(2) 不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；(3) 流速分布影響測量精度，對直管段有要求；(4) 因傳感器材料原因不能用于較高溫度的測量場合。2.8相關(guān)法測流量應(yīng)用相關(guān)法可以測定管內(nèi)兩相流體的流速和容積流量。如要測定兩相流體的質(zhì)量流量， 則還需和一密度計配

30、合使用首先考慮流體在封閉管道內(nèi)的流動。如圖10所示：a-a '和b-b'分別是與流體流動方向垂直的兩個流通截面，它們彼此沿管道軸線方向相隔一已知距離L。當(dāng)流體流動時，如果暫不考慮流體內(nèi)部存在的黏性阻力及管道內(nèi)壁對流體 的摩擦作用，則可以簡單地認(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Vcp從截面a- a'流動到截面b- b'，那么：由于截面a- a'和b- b'之間的距離L是已知的，因此，只要能確定時間間隔T,就可以按下式計算出流體的體積平均流速VcpVcp冷這樣流速測量問題就轉(zhuǎn)化為時間間隔的測量問題了。相關(guān)流量計的工作原理可以用圖

31、來說明。可以看出，在沿管道軸線相距為已知距離L的兩個截面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。按照流體的流動方向，一般將這兩個傳感器分別稱為上游傳感器和下游傳感器，在工作時，這些傳感器會會向被測流體發(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。當(dāng)被測流體在管道內(nèi)流動時，流體內(nèi)部自然發(fā)生的隨機噪聲現(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變化，以及多組分流體中各組分的局部濃度的隨機變化等，都會對傳感器發(fā)出的能量束或它們所形成的能量場產(chǎn)生隨機調(diào)制 作用(幅

32、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檢 測到這些調(diào)制作用引起的隨機噪聲信號，并產(chǎn)生相應(yīng)的物理量的變化。當(dāng)然，這些物理量隨時間的變化也將呈現(xiàn)隨機的性質(zhì)。最后，通過適當(dāng)?shù)男盘栟D(zhuǎn)換電路，就可以分別從上，下游 傳感器提取出與被測流體流動狀況有關(guān)的流動噪聲信號x(t)和y(t)。a流動方向&b圖11相關(guān)法測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時流動特性的變化較小，則隨機信號 x(t)和y(t)將基本相同，只是 y(t)比x(t)有一個時間上的滯后。將信號x(t)和y(t)作互相關(guān)運算，則互相關(guān)函數(shù)Rxy(-)為：TRxy()科叫 0

33、 x(t -)y(t)dt互相關(guān)函數(shù)Rxy( )圖形的峰值(最大值)位置所對應(yīng)的時間.0就是兩信號間的滯后時間，一般稱為渡越時間。Vc =，通常稱Vc為相關(guān)速度。5在理想流動狀態(tài)下，即流體在上下游傳感器流動符合Taylor的“凝固”流動圖形假設(shè)，即當(dāng)流體從上游截面流動到下游截面時，流體中的渦旋或離散相顆粒都以同樣的速度移動，則被測流體的體積平均流速Vcp可以用相關(guān)速度Vc表示，即Vcp因而，被測流體的體積流量 Q可表示為Q 二VcA以上的敘述，只是在極為簡化的前提條件下，對相關(guān)流量測量技術(shù)的基礎(chǔ)原理所作的一種說明。實際上，運用相關(guān)流量測量系統(tǒng)來實現(xiàn)單相或兩相流體的流速或體積流量的測量時， 還有

34、許多影響因素，需要在設(shè)計和使用該系統(tǒng)時予以考慮。主要應(yīng)考慮的有以下幾點：1 檢測流動噪聲的傳感器通常都具有一定的幾何形狀與尺寸，它對被測流體內(nèi)部的隨 機噪聲實際上起了一個空間濾波作用（低通或帶通）。又由于被測流體在管道橫截面上的各點的速度并不相同（取決于流速分布廓形），這樣一來，所檢測到的隨機流動噪聲在上，下 游傳感器之間的傳遞時間并不一定反映了被測流體的平均游動速度的大小。2在測量兩相流體時，上，下游傳感器所檢測到的信號是兩相流體中離散相的隨機流 動噪聲，因而只能反映出離散相的流動快慢等。因此，一般將相關(guān)流速Vc和被測流體的體積流量之間的關(guān)系表示為Q =kVcA式中，k可稱為相關(guān)流量計的儀表

35、常數(shù)，它與上述諸多因素有關(guān)， 通常需由實驗標(biāo)定予 以確定。2.9分流分相技術(shù)分流分相技術(shù)測量多相流體， 簡稱分流分相法，是近年來出現(xiàn)的一種新型多相流體流量測量方法。分流分相法的原理圖見圖13。5液a.CtM iF汁 7口和：訶貉被測兩相流體流經(jīng)分配器時被分成兩部分：一部分沿原通道繼續(xù)向下游流動，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 和液體流量計測量，最后又重新與主流體匯合。被測兩相流體的氣相流量M1g和液相流量M 11根據(jù)它們與分流體氣液相流量的比例關(guān)系進行計算：

36、MigM 3gKgM iiM 31KiM31為分流體的液相流量,式中Mig為被測主管氣相流量；Mil為被測主管液相流量；Kg為氣相分流系數(shù)；K1為液相分流系數(shù)；M3g表示分流體的氣相流量，由氣體流量計測量;由液體流量計測量。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測量兩相流體流量，在實驗范圍內(nèi)，流量的平均測量誤差小于5%最好的結(jié)果可以達到 3%。1. 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，從被測氣、液二相流體中分離出一部分單相氣體，通過測量這部分單相氣體的流量確定被測氣、液二相流體的流量或干度。這種方法把

37、二相流體的流量測量轉(zhuǎn)化成了單相流量的測量，測量儀表的穩(wěn)定性和可靠性都能得到顯著改善，測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，流量和14是其結(jié)構(gòu)原理圖。干度2個參數(shù)中必須已知其中的一個參數(shù)才能測量出另一個。圖ffi |牛三通管型分流分相式兩相渣體流計1主咎2 :S通支管3側(cè)支U4 小孔 5 集rtf 6總分流系數(shù)：m3 KM1氣相分離系數(shù)：M 3KKgg M1X1 X1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)過程,王棟等得到了 K與X,的關(guān)系式:KgX,C、D均為常數(shù)。總分流在結(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) 系數(shù)K與被

38、測兩相流體的干度 X,成線性關(guān)系，而氣相分流系數(shù) Kg與X,的倒數(shù)成線性關(guān)系。2. 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)致該流量計只能測量流量或干度中的一個參數(shù)，另一個參數(shù)必須通過其它方式來測量。為此，王棟等提出應(yīng)用取樣管來做分配器，一并分流出氣體和液體，從而能同時測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)進行氣液分離后，氣體和液體分別進入氣體流量計 6

39、和液體流量計7進行測量，最后重新返回管道 1中。圖呂取樣恃疫分fit分相式氣液兩相流體旄計1 ft® 2曜合器3取拝甘4節(jié)蘆扎旣5族風(fēng)分離器6 f體濃童計7液體流計通過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 V液相分流系數(shù)：K| =a 1 +I M I 3 J氣相分流系數(shù)：Kg =Kg1 * CKg其中Kg1為干度等于1時的分流系數(shù)值,Kg表示K|和其它因素對 Kg的影響。3. 轉(zhuǎn)鼓型轉(zhuǎn)鼓型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖 16，其核心部件是一個轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓通過轉(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個互不相通的通道，各通道的橫剖面為

40、扇形， 幾何尺寸和阻力特性完全相同。當(dāng)二相流流過轉(zhuǎn)鼓時會沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)過程中，各通道的入口截面不斷掠過上游流通截面上的每一個點， 使每一個點上的二相流體都能有機會均等地流人各通道。這樣，流人分離器的流量僅僅取決于轉(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關(guān)，分流系數(shù)保持為常數(shù)。1J】一支座 玄10 支據(jù);3冷一轉(zhuǎn)軸t4、&辱錐；5、了-凸用：6轉(zhuǎn)戰(zhàn)外龍二圈1£轉(zhuǎn)J8型加樣分聽結(jié)構(gòu)4. 旋流型旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖17。主要通過多孔取樣和流型整改來保證取樣的代表性。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、液界面波動對取樣穩(wěn)定性的影響，還需對管路上游流型進行調(diào)整。通過在 取樣孔上游布置旋流葉片，將分層流、彈狀流以及不對稱的環(huán)狀流等流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的環(huán)狀 流，那么管壁各個取樣孔所取流體“樣品”將趨于一致。實驗證明分流比主要取決于管壁取 樣孔的數(shù)目和大小。raq綠漉貝管鑿取樣分