[科普中国]-Coriolis 流量计

概述

基于科里奥利效应(Coriolis effect)的谐振式直接质量流量计是一种同时可以直接测量流体介质的质量流量和密度的谐振式传感器，简称科氏质量流量计CMF( Coriolis Mass Flowmeter)。它包括谐振式科氏直接质量流量传感器和相应的检测电路。谐振式科氏直接质量流量传感器简称科氏质量流量传感器，它是科氏质量流量计的关键部分。科氏质量流量计的检测电路又称二次表，它在科氏质量流量计中也发挥着重要的作用，是其多功能化、智能化实现的技术平台。

科氏质量流量计的研发始于20世纪50年代初，起初由于未能很好解决使流体在直线运动的同时还要处于旋转系的实用性技术难题，一直未能实现达到工业推广应用阶段。直到20世纪70年代中期，美国的詹姆士·史密斯(James E．Smith)巧妙地将流体引入到处于谐振状态的测量管中，发明了利用科氏效应将两种运动结合起来的谐振式直接质量流量计。1977年美国的Rosemount公司研制成功世界上第一台这种原理的质量流量计。之后，许多仪器仪表技术领域的企业对该流量计进行了研发。

科氏质量流量计技术含量高、难度大，涉及材料、力学、机械、电子、磁、控制、计算机等多学科领域；其性能优、附加值高、市场应用广泛且价值高，自问世后发展十分强劲。美国、德国、日本等国家都投入了大量的人力、物力、财力从事开发与应用工作，其中最具代表性的世界知名公司Rosemount、Krohne、E+H、Foxboro、Schlumberger、ABB等都研制出了相关的产品，并获得了可观的经济效益。在这些公司中，美国的Rosemount作为科氏质量流量计研制的先驱，所推出的产品在原理、技术和性能上具有代表性。

国内对科氏质量流量计的研究始于1987年。经过20多年的发展，已有多家企业能够生产不同型号、规格的科氏质量流量计。与国外相比，国产科氏质量流量计产品常用的一些型号上，主要技术指标已达到国外同期同类产品的水平。在管形多样化、规格系列化、现场适应性、稳定性等方面，也开展了很好的自主研究工作，取得了一些研究成果。

近年来，随着科学技术的发展与进步，基于科氏效应的直接质量流量计发展很快，相继出现了一些新的热点，如基于微机械电子系统MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)的硅微结构科氏质量流量计，用于检测微流量；基于数字技术的智能化流量测试技术；基于高灵敏度检测的气体科氏质量流量计等。2

分类质量流量计发展到现在，已有数14种系列品种，仅检测管的形状就有30余种，所以种类较多，其主要区别在于流量传感器测量管结构上的设计创新；提高仪表精确度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管挠度，改变应力分布，降低疲劳损坏；加强抗干扰能力等。

这么多种类的检测管，按测量管形状可分为弯曲形和直形两种，其中弯曲形又分U形、S形、Ω形、三角形等数十种。

按测量管数量分类可分为单管和舣管两种类型．所以说质量流量计结构不统一，差别较大。

(1)直管形：直管形测量管不易积存气体．便于清洗。垂直安装测量浆液时，固体颗粒不易在暂停运行时沉积于测量管内。传感器尺寸小，重量轻，但管壁相对较薄，测量值受磨蚀、腐蚀影响大。容易受到应力影响，对安装要求较高。

(2)弯管形：弯管形测量管的流量计系列比直管形测量管的流量计系列多，测量管设计盛弯曲形状，一方面是为了在相同的科氏力下得到更大的原始信号(一般弯管的原始信号比直管大数倍)，另外一个目的是为了降低刚性。与直管形相比可以采用较厚的管壁，仪表性能受磨蚀、腐蚀影响较小，但易积存气体和残渣．引起附加误差。

(3)单管型：初期开发的产品是单管式，因易受外界振动干扰影响，后期开发的多趋于双管型，仅有少数小口径流量计采用单管型。

(4)双管型：双管型可以降低外界振动干扰的敏感性，容易实现相位差的测量，目前为绝大多数型号流量计采用。3

优缺点科氏质量流量计的特点从其优缺点分析，它的主要优点有：

(1)直接测量质量流量，有很高的测量精确度。

(2)可测量流体范围广泛。包括高黏度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。

(3)测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件。

(4)对流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。

(5)测量值对流体黏度、温度不敏感。

(6)可做多参数测量，主测量参量是质量流量。第二测量参量是流体密度，还有附加测量流体温度。还可由质量流量和流体密度派生出测量双组分溶液中溶质的浓度。

科氏质量流量计的主要缺点有：

(1)零点不稳定，形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高。使得许多型号仪表只得采用将总误差分为基本误差和零点不稳定度量两部分。

(2)不能用于测量低密度介质和低压气体；液体中含气量超过某一限制(按型号而异)会显着著影响测量值。

(3)对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号流量传感器安装固定要求较高。

(4)不能用于较大管径，目前尚局限于150(200)mm以下。

(5)测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁管测量管的CMF更为显著。

(6)压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号甚至比容积式仪表大一倍。

(7)大口径流量计的重量和体积都较大。

(8)价格昂贵。约为同口径电磁流量计的2～8倍。3