科里奥利质量流量计原理及其应用(1)，科里奥利质量流量计

0 引言

流量是工业生产过程中一个非常重要的参数。目前应用的流量仪表有很多种类，如节流式流量计、浮子流量计、椭圆齿轮流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声流量计等，它们都属于体积流量计。而在实际应用中，由于经济核算、储存以及物料平衡、热平衡等原因，人们更关心的是测量流体流过的质量是多少。虽然可以用体积流量计和密度计组成间接式质量流量计，但其构成复杂，测量误差大，并受温度、压力、密度的影响。科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter)简称科氏力流量计，是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的。由于它实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量，具有抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点，现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。

1 科里奥利质量流量计的工作原理

当一根管子绕原点旋转时，让一个质点从原点通过管子向外端流动，即质点的线速度由零逐渐增大，质点被赋予了能量，随之产生的反作用力Fc(即惯性力)将使管子的旋转速度减缓，使管子运动发生滞后。相反，让一个质点从外端通过管子向原点流动，即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零，质点的能量被释放出来，随之产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度加快，使管子运动发生超前。如图1a所示。这种能使旋转的管子运动发生超前或滞后的力就称为科里奥利力，简称科氏力。这是l9世纪法国科学家科里奥利提出的。

将绕着同一根轴线以相同相位旋转的两根相同管子的外端用同样的管子连接起来，如图1b所示。当管子内没有流体流过时，连接管与轴线是平行的。而当管子内有流体流过时，由于科氏力的作用，两根旋转管发生相位差(质点流出侧相位领先于流入侧)，连接管就不再与轴线平行。科氏流量计就是利用这一原理制成的。科氏流量计通常是以振动代替旋转运动，因为旋转运动不适于实际应用。即由两端固定的薄壁测量管，在中心处加以测量管谐振或接近谐振的激励。这样，如果把测量段看作是从中心分开的两段，那么这两段就相当于分别围绕两端固定点做来回旋转运动。当流体从一端流向另一端时，就产生了科里奥利力，使测量管中点前后两半段产生方向相反的扭曲，进而产生相位差。测出扭曲量 - 扭角的大小，或测出两段管通过中心平面的时间差Δt，就可以得知质量流量。通常以电磁或光学原理测量。

科氏流量计的振动管(测量管)的形状有多种，但总的说来可分为弯管与直管两种，其中又有单管与双管之分。

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0 引言

流量是工业生产过程中一个非常重要的参数。目前应用的流量仪表有很多种类，如节流式流量计、浮子流量计、椭圆齿轮流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声流量计等，它们都属于体积流量计。而在实际应用中，由于经济核算、储存以及物料平衡、热平衡等原因，人们更关心的是测量流体流过的质量是多少。虽然可以用体积流量计和密度计组成间接式质量流量计，但其构成复杂，测量误差大，并受温度、压力、密度的影响。科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter)简称科氏力流量计，是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的。由于它实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量，具有抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点，现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。

1 科里奥利质量流量计的工作原理

当一根管子绕原点旋转时，让一个质点从原点通过管子向外端流动，即质点的线速度由零逐渐增大，质点被赋予了能量，随之产生的反作用力Fc(即惯性力)将使管子的旋转速度减缓，使管子运动发生滞后。相反，让一个质点从外端通过管子向原点流动，即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零，质点的能量被释放出来，随之产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度加快，使管子运动发生超前。如图1a所示。这种能使旋转的管子运动发生超前或滞后的力就称为科里奥利力，简称科氏力。这是l9世纪法国科学家科里奥利提出的。

将绕着同一根轴线以相同相位旋转的两根相同管子的外端用同样的管子连接起来，如图1b所示。当管子内没有流体流过时，连接管与轴线是平行的。而当管子内有流体流过时，由于科氏力的作用，两根旋转管发生相位差(质点流出侧相位领先于流入侧)，连接管就不再与轴线平行。科氏流量计就是利用这一原理制成的。科氏流量计通常是以振动代替旋转运动，因为旋转运动不适于实际应用。即由两端固定的薄壁测量管，在中心处加以测量管谐振或接近谐振的激励。这样，如果把测量段看作是从中心分开的两段，那么这两段就相当于分别围绕两端固定点做来回旋转运动。当流体从一端流向另一端时，就产生了科里奥利力，使测量管中点前后两半段产生方向相反的扭曲，进而产生相位差。测出扭曲量 - 扭角的大小，或测出两段管通过中心平面的时间差Δt，就可以得知质量流量。通常以电磁或光学原理测量。

科氏流量计的振动管(测量管)的形状有多种，但总的说来可分为弯管与直管两种，其中又有单管与双管之分。

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2 科氏流量计(CMF)的特点及选用

2.1 科氏流量计的主要特点

(1)优点

由于CMF是一种直接式质量流量计，因而具有许多其他流量计无可比拟的优点。

a.实现了真正的、高精度的直接质量流量测量。精度一般可达0.1% ~0.2% ，重复性优于0.1% 。

b.可以测量多种介质，如油品、化工介质、造纸黑液、浆体及天然气等。

C.可测量多个参数，在测量质量流量的同时，获取密度、温度、体积流量等参数。

d.流体的介质密度、黏度、温度、压力、导电率、流速分布等特性对测量结果影响较小。安装时无上下直管段要求。

e.无可动部件，流量管内无障碍物，便于维护。

(2)缺点

a.零点漂移较大。CMF的零点不稳定性是它的最主要缺陷，这与它本身的高精度很不相称。

b.对外界振动干扰较敏感。为防止管内振动的影响，流量传感器安装要求较高。

C.流体中气泡含量超过某一界限会显著影响测量值。

d.价格较贵。

2.2 科氏流量计的选用

科氏流量计用于测量液体、悬浮液、乳浊液和高压气体的质量流量、密度和温度，主要用于要求精确测量的场合。对于强振动、强磁场场合，以及管道内流体有强水击效应、强脉动流、夹带气流等场合不宜采用。另外，要根据被测流体的腐蚀性、温度、压力等选用相应型号的科氏流量计。如安装在需要保温的场合，应选用带保温夹套的，危险场合应选用防爆产品。

科氏流量计的选择一般主要考虑其性能和可靠性。性能包括各种指标，如准确度、量程利用率、压力损失和量程能力等。可靠性需要实践的检验。

准确度主要包括：偏差、重复性、线性和回滞。有3种描述方式：流量百分比准确度、满量程准确度和带零点稳定度的准确度，不同的厂家可能以不同的方式给出，比较时应考虑到这一点。其中，带零点稳定度的准确度更能体现科氏流量计在整个流量范围内的准确度，因为零点稳定度表示了流量计测量实际零流量的能力。

根据操作条件和传感器的最大流量，预选出传感器的规格(公称管径)，计算出压力损失是选型工作的一个重要环节。不实际的高流量会引起高的压力损失，但由于灵敏度高，准确度就好。相反，低流量会使压力损失降低，灵敏度低，准确度较差。所以选择的时候要综合考虑，在尽可能低的压力损失下得到高的流量灵敏度和准确度。

量程能力(相对mA输出，最大量程和最小量程的比值)也是一个考虑因素。如果使用mA输出信号的话，与许多其他常规仪表的选择一样。量程利用率(额定流量与瞬时流量的比值)也很重要，一般可通过厂家给出的科氏流量计在各种流速下的量程利用率、压力损失和准确度曲线来计算其在给定应用中的性能。

3 影响科氏流量计性能的环境因素

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工艺温度、工艺压力、振动及零点不稳定性都会对科氏流量计的性能造成一定的影响。

3.1 工艺温度

CMF振动管的刚度会随着环境温度的升高而变小，与金属弹性变化有关的杨氏弹性模量是温度的函数。当温度升高时，振动管刚度变小，造成偏移增大，使流量测量值偏高。同时，也将使振动频率降低，密度指示值偏高。因此，一般的CMF都有温度补偿。这种补偿在一定程度上可以校正由于温度变化而引起的管子的刚度变化，但却不能校正其对零点稳定度的影响。因为后者主要是由于传感器几何结构及材质的不均衡等因素引起的，温度的变化扩大了这种差异。在流速很低时，其影响尤为严重。这种由于温度的变化引起的零点稳定度的变化是一个附加的固定偏差。如果工艺温度与仪表调零时温度相差很大时，则对于高精度的测量要考虑这一因素的影响。

3.2 工艺压力

CMF振动管的刚度会随着环境压力的升高而变大，即刚度的变化与环境压力的变化成正比，这与环境温度对其的影响刚好相反。压力升高时，刚度变大，振动管的弹性变形减小，因此，对于一定的质量流量，振动管的偏移减小，造成指示值偏低，应进行适当的补偿。另外，压力的变化还会引起管子尺寸的变化，可能会影响流量计的灵敏度。压力对CMF的影响依制造厂家及振动管的形状的不同而不同，补偿时要具体情况具体分析。

3.3 振动

振动像温度一样影响所有的机械结构，CMF是基于振动的原理进行工作的，因此振动最终将导致无法测量。对于短期振动(小于1s)，可通过增加阻尼常数和安装正常的管子支撑，将振动减少到最小程度。

3.4 电磁和射频干扰

电磁和射频干扰几乎对所有的电子仪器都有影响，对CMF也不例外。这是因为基于振动原理工作的CMF，其振动的激励、振动情况的检测以及检测信号的处理都运用了电磁技术。若将其安装在大电机、射频发送器、变压器、大功率电子开关等设备附近，传感器中测量管的自激谐振会受到干扰，而且检测器检测出来的微弱信号也有可能被干扰信号覆盖，检测将受到很大影响。

4 科氏流量计的零点漂移问题

零点漂移即零点的不稳定性是CMF在实际运行中经常遇到的问题，对测量结果影响很大，尤其在小流量测量时，影响尤为严重。造成零点漂移的因素很多，如传感器的安装应力、测量管的结构不对称、被测流体物理参数的变化等。在实际应用中，应具体分析造成零点漂移的因素，尽量予以克服。另外，定期进行零点检查和调整。零点检查至少每3个月进行一次，当零点漂移值较大时，应首先查找原因，予以排除，然后再进行零点调整。零点调整重复操作几次，直至零点值最小。

5 结束语

科氏流量计具有较高的精度，但仍然存在着影响其性能的诸多因素，正确的选择和使用非常重要。它是一种很有前途的仪表，随着相关技术的发展，它会成为本世纪流量测量最主要的手段之一。

参考文献

[1] 张宝芬.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：化学工业出版社，2000.

[2] 厉玉鸣.化工仪表及自动化[M].北京：化学工业出版社，1999.

[3] 胡子伯.科里奥利质量流量计的应用及性能评定[J].计量与测试技术，2001，(4)：9-10.

[4] 鲁轲.影响科里奥利质量流量计测量准确度的因素[J].河南化工，2002，(5)：31-32.

[5] 仇梁.科里奥利质量流量计的性能评定[J].世界仪表与自动化，1998，(1)：36-39.

[6] Furio Cascetta.Efect of fluid pressure on Coriolis mass flowmeter’s performance[J].ISA Transactions，1996，35，365-370.

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