[发明专利]用于气/液两相低温流体的流量计

说明书

技术领域

本发明涉及用于气/液两相流体的流量计的领域。

背景技术

当试图测量质量流量/流率时，测量由液体和气体组成的两相流的流量是难以操作的。这是因为所有测量流量的传感器在与密度不断改变的两相液体接触时都会受到干扰。这对于测量诸如液氮的低温流体的流量而言尤其是正确的。

在仪器市场上存在有各种流量测量系统。这些流量计中的一些是基于对流体速度的测量。它们例如是：

-所谓的“涡轮”流量计：涡轮安装在移动流体中，涡轮的旋转速度反映出流体速度；

-所谓的“皮托管”流量计：两个管安装在待测量的移动流体中。一个管垂直于流量安装并给出静压，同时另一个管平行于流量安装并给出总动压。这两个测量结果之间的动压差使得可以计算出流量；

-所谓的“超声波”流量计：一些利用多普勒效应（分析由流体的微粒反射的频率，从而反映出微粒速度并由此反映出流体速度），而其它情况测量超声波从上游到下游和从下游到上游的行进时间的差（反映出流体速度）。

在所有情况中，当流体的密度不断地变化时，很难准确地确定从体积流量到质量流量的转变。

在市场上还发现了利用测量压降来推断流量的其它系统。例如是对于布置在移动流体中的校准孔口的上游和下游的压降进行测量的校准孔口流量计。在流体不具有恒定密度时以及当气体含量在液体中增长时，这些仪器的测量会极大地受到干扰。

在市场上还发现有所谓的“电磁”流量计，它们只可应用于具有足够的导电性的流体，因为这种流量计利用电磁感应的原理：将电磁场施加到流体上并且测量所形成的电动势（该电动势与流体流量成比例）。在测量诸如液氮的低温（非传导性）流体的流量的情况中，这个原理不可用。

涡流效应流量计是基于生成旋涡的现象，所述旋涡是在放置于移动流体中的非异形的固定物体之间发现的（卡曼效应）。测量由这些旋涡形成的压力变化给出了旋涡的频率，当流体保持恒定的特性时，该频率与流体速度成比例。当流体密度变化时，则同样地此时的测量将是错误的。

还可以提到热式流量计，其基于测量由能量的恒定补给所形成的温度增加。具有两个温度传感器的系统测量进入流量计的流量和输出流量计的流量之间的温差。在这两个传感器之间，电阻提供已知量的能量。当移动流体的热容已知时，可以根据这些测量来计算流量。然而，这个原理不可应用于两相液体，两相液体的热特性（液体的蒸发）与单相流体完全不同。

只有科里奥利效应质量流量计给出了对于流体质量流量的更准确的测量。该流量计由U形、Ω形或弯曲形的管组成，流体在所述管中流动。U形管经受横向振动，测量U形管的两臂之间的振动相差反映出质量流量的状况。然而，其成本相当高，并且当在很低的温度（例如液氮处于-196℃）下使用并且用于密度剧烈变化且包含显著比例的气相的流体时，需要使系统极度隔热/绝缘（要求高性能的隔热/绝缘，例如在真空下隔热/绝缘），并且尽管有这些预防措施，但是测量有时还是会出错。

通过阅读上述内容可以发现，使用当前市场上可获得的系统来以行业内通常要求的至少3%的精度测量两相液体的流量、尤其是测量诸如液氮的低温流体的流量，并不那么容易实现。

因此已经有文献提出了其它类型的解决方案，包括基于下述原理的系统，该原理是：刚好在流动截面缩减之前测量通道内流动的液体的液位。对于这种系统，在文献US5679905中做了描述，其实质上以下述方式工作：两相流首先被全部分成不被测量的气相和流量被测量的液相。所述液体通过具有在其出口处的横截面缩减的通道。流量越大，通道内的液体的液位越高，测量这个通道内的液位使得可以得到瞬时流量。如所发现的，这个系统没有考虑到在一些应用中不能忽略的气体流量。另一方面，这个系统使得可以相对优良的精度测量液体流量而不被气体含量干扰，这是所追求的目标。

应注意到，为了使这个系统正确地起作用，其必须与热量的进入绝缘，所述热量可以蒸发部分已隔热/绝缘的液体并因此干扰液位测量。因而在这个系统中使用真空下的隔热/绝缘。

还应注意到，为了使系统起作用，必须在流量计中存在两相，这阻止了其在过冷液体（无气相的纯液体）的情况中起作用。

在必须测量液体和气体的流量的情况中，有时使用下述系统，该系统在测量流量前重复进行相分离的相同原理。

因此，文献和市场上已经提出了具有以下设计的设备：

-两相液体首先通过相分离器，该相分离器将液相和气相分开。

-气相被导引至具有温度补偿的体积流量计（例如涡轮型）。

-液相也被导引至体积流量计（例如涡轮型）。