質量流量測量中關于密度問題的探討

張 靜

（中國石化集團上海工程有限公司，上海 200120）

工業生產中測量流量用的流量計除質量流量計外都是直接測量體積流量的體積式流量計，獲取質量流量需要通過密度進行換算。因此，如何消除由介質密度變化帶來的誤差，是質量流量檢測的關鍵所在。

當介質的組分比較單一和穩定時，液體的密度基本不變；氣體的密度與溫度壓力有關，比如：飽和蒸汽密度與溫度有關，過熱蒸汽、空氣、氮氣、氧氣等氣體密度與溫度和壓力都相關。在工程上有很成熟的解決辦法，在第1節中將具體闡述。

但當介質（尤其是氣體）組成比較復雜、變化很大時，組成變化對密度的影響大大超過了溫度、壓力對密度的影響。如：在石油加工生產過程中，石油氣介質的組成變化很大，有時密度變化范圍可達0.155 4～2.032 1 kg/m3，最大測量誤差就將達百分之幾十，這是不允許的[1]。在第2、3節中將針對這個問題探討可行的解決辦法。

1 介質組成穩定時，常用的質量流量測量方法

1.1 用科氏質量流量計直接測量

科氏質量流量計可以直接檢測質量流量，不涉及密度的問題，簡單又準確，還可通過質量流量計算介質密度，當密度計使用。但投資很高，尤其大管徑情況下，十幾萬到幾十萬不等。

1.2 用常用流量計配合溫度、壓力補償

這種方法的原理是通過測量溫度、壓力來校正流體密度，從而計算質量流量。精度不如質量流量計，但投資比較小，在大管徑情況下尤其實用。精度要求不高的情況下，是主流方法。常用流量計有差壓式流量計（如：孔板、文丘里、噴嘴、均速管等）、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。

2 介質組分變化很大時，質量流量測量方法探討

我們先來看看原理上可行的幾種方法，再分析其在工程上的可行性。

2.1 用科氏質量流量計直接測量

科氏質量流量計通用性很強，精度高、反應快。缺點是價格昂貴，且能夠用于測量密度較低介質的理想可選產品較少；管徑在DN300以上的生產廠家較少。

2.2 用音叉式密度計測量密度，配合常用流量計

這種方法的投資與質量流量計相當，但是密度計型號選擇少，兩臺儀表串聯也會降低精度。雖然理論上可行，但考慮到性價比，不推薦用于工程上的質量流量測量。

2.3 用分析儀計算混合密度，配合常用流量計

分析儀精度高，但反應時間以分鐘計，并且價格非常高要幾十萬。當需要精確測量流體中各組分，并且對反應時間要求不嚴格時可以使用，如檢測產品質量、參與工藝流程控制等。但不推薦用于工程上的質量流量測量。

2.4 用渦街流量計和孔板差壓流量計串聯，配合流量演算器測量氣體質量流量

用這個方法計算質量流量與氣體密度無關，只與渦街流量計的輸出頻率和孔板流量計的差壓輸入信號有關系。精度不如質量流量計，但價格方面有很大優勢。并且孔板、渦街流量計都是很成熟的儀表，故障率低、維護量少。

九十年代初，茂名石化公司煉油廠用這種方法測瓦斯質量流量來控制能耗，并且與實驗室分析儀所得數據進行多次比較，誤差在可接受范圍內。該系統投用三年時間一直運行穩定良好、數據準確可靠[2]。

第3節將詳細闡述此法的理論依據。

3 用渦街流量計和孔板串聯，配合流量演算器測量氣體質量流量的理論依據

原理框圖如圖所示[1]。

圖 渦街孔板串聯測量組分變化的氣體質量流量原理圖

推理過程[2]如下：

渦街流量傳感器數學模型為：

式中：qm— 質量流量；

K — 渦街流量傳感器的流量系數；

ρ — 流體密度；

f — 渦街流量傳感器輸出頻率。

孔板差壓流量計數學模型為：

式中：K1— 孔板差壓流量計的流量系數；

ρ1— 流體密度；

Δp — 差壓。

由于氣體通過孔板流量計時會有一定壓損，如果將渦街流量計串孔板在后面，氣體密度會有所改變，所以，將渦街串在孔板前面，這樣ρ=ρ1。注意孔板還要滿足一定的直管段要求。

將式（2）的平方除以式（1）得

渦街流量計的流量系數K與漩渦發生體寬度、斯特羅哈爾系數、管道截面積有關系，由廠家在儀表制造完成后在標定臺位上確定，可以看作常數?？装宀顗毫髁坑嫷牧髁肯禂礙1在標定臺位上通過實流標定可得到，也可以看作常數。

另外，也可以通過質量流量qm反推密度ρ。由渦街流量傳感器數學模型式（1）和式（3）可得

將所有常量合并為一個常數置入演算器，儀表就能從孔板差壓流量計的差壓Δp和渦街流量計的輸出頻率f計算流體質量流量qm和密度ρ。這一方法尤其適合氣體組分變化頻繁、變化幅度大并且管徑大的情況。

4 結論

科氏質量流量計是測量質量流量最理想的選擇，但價格昂貴。常用流量計加溫度、壓力補償，在介質組成穩定而且精度要求不很高的情況下是一種較為經濟實用的方法。本文中提到的渦街流量計和孔板串聯的方法，非常適合組分變化大的氣體質量流量測量，在精度要求不高并且管徑大的情況下性價比要比科氏質量流量計高。具體比較見下表。

表 測量質量流量的幾種解決方法比較

[1] 紀綱. 流量測量儀表應用技巧[M].北京:化學工業出版社，2010，58-59，74.

[2] 袁慶青. 瓦斯質量流量及其密度測量[J]. 化工自動化及儀表，1994(2):56-57.