科里奥利质量流量计

直接测量质量流量的装置

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科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter）简称科氏力流量计，是一种利用流体在振动管道中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力原理来直接测量质量流量的装置，由流量检测元件和转换器组成。科里奥利质量流量计实现了质量流量的直接测量，具有高精度，可测多重介质和多个工艺参数的特点，广泛应用于石化，制药，食品等行业。

中文名: 科里奥利质量流量计
外文名: Coriolis Mass Flowmeter

目的: 反馈强迫振动
基本结构: 直管型和弯管型
优点: 有很高的测量精确度

基本介绍

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流体为了反抗这种强迫振动，会给管子一个与其流动方向垂直的反作用力，在这种被叫做科里奥利效应力的作用下，管子的震动不同步了，入口段管与出口段管在振动的时间先后上会出现差异，（差异是由于入口段和出口段流体流向是相反的），这叫做相位时间差。这种差异与流过管子的流体质量流量的大小成正比。如果通过电路能检测出这种时间差异的大小，则就能将质量流量的大小给确定了。这种流量计被称作科里奥利直接质量流量计，它与世界上目前在用的几十种常规容积式流量计的最大不同是它测的质量的大小，使用的单位是kg/h。用质量（如千克）作单位的流量计比用容积（如立升或立方米）作单位的容积式流量计要准确和恒定。因为质量是遵循守恒定律的。

科氏力质量流量计的发明是科技界苦苦求索几十年的结果，它不但具有准确性、重复性、稳定性，而且在流体通道内没有阻流元件和可动部件，因而其可靠性好，使用寿命长，还能测量高粘度流体和高压气体的流量。现在汽车用的清洁燃料压缩天然气（CNG）的计量就是靠它测准的，而在石油、化工、冶金、建材、造纸、医药、食品、生物工程、能源、航天等工业部门，其应用也越来越广泛。它的问世带来了流体测量技术的一次深刻变革，被专家誉为是21世纪的主流流量计。

工作原理

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众所周知，当一个位于旋转系内的质点作朝向或者离开旋转中心的运动时，将产生一惯性力。如图6-1所示，当质量为(δm)的质点以匀速u在一个围绕旋转轴P以角速度ω旋转的管道内轴向移动时，这个质点将获得两个加速度分量：

(1)法向加速度ar(向心加速度)，其值等于ω2r，方向指向P轴。

(2)切向加速度at(科里奥利加速度)，其值等于2ωu，方向与ar垂直，正方向符合右手定则，如图6-1所示。

为了使质点具有科里奥利加速度at，需在at的方向上加一个大小等于2ωuδm的力，这个力来自管道壁面。反作用于管道壁面上的力就是流体施加在管道上的科里奥利力Fc。

方向与αt相反。

从图6-1可以看出，当密度为ρ的流体以恒定流速u沿图6-1所示的旋转管流动时，任一段长度ΔX的管道都将受到一个大小为ΔFe的切向科里奥利力：

式中，A为管道内截面积。由于质量流量qm=ρuA，因此：

基于上式，只要能直接或者间接地测量出在旋转管道中流动的流体作用于管道上的科里奥利力，就可以测得流体通过管道的质量流量。

在过程工业应用中，要使流体通过的管道围绕P轴以角速度ω旋转显然是不切合实际的。这也是早期的质量流量计始终未能走出实验室的根本原因。经过几十年的探索，人们终于发现，使管道绕P轴以一定频率上下振动，也能使管道受到科里奥利力的作用。而且，当充满流体的管道以等于或接近于其自振频率振动时，维持管道振动所需的驱动力是很小的。从而从根本上解决了CMF的结构问题。为CMF的迅速商用化打下了基础。

经过近二十年的发展，以科里奥利力为原理而设计的质量流量计已有多种形式。根据检测管的形状来分，大体上可以归纳为四类，即：直管型和弯管型；单管型和多管型(一般为双管型)。

弯管型检测管的仪表管道刚度低，产生信号相对较大，技术也相对成熟。因为自振频率也低(80-150Hz)，可以采用较厚的管壁，仪表耐磨、耐腐蚀性能较好，但易存积气体和残渣引起附加误差且对安装空间有要求。直管型仪表不易存积气体，流量传感器尺寸小，重量轻。但自振频率高信号不易检测，为使自振频率不至于太高，往往管壁做得较薄，易受磨损和腐蚀。单管型仪表不分流，测量管中流量处处相等，对稳定零点有好外，也便于清洗，但易受外界振动的干扰，仅见于早期的产品和一些小口径仪表。双管型仪表既实现了双管相位差的测量，也增了大信号增强了线性，同时降低外界振动干扰的影响。

优点与缺点

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优点

科里奥利质量流量计直接测量质量流量，有很高的测量精确度。

可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、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。

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。

对应对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。

测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值得值的影响微小。

可做多参数测量，如同期测量密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。

缺点

科里奥利质量流量计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。

科里奥利质量流量计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。

科里奥利质量流量计对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号科里奥利质量流量计的流量传感器安装固定要求较高。

不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下。

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科里奥利质量流量计更为显着。

压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号科里奥利质量流量计甚至比容积式仪表大100%。

大部分型号科里奥利质量流量计重量和体积较大。

价格昂贵。国外价格5000 ～10000美元一套，约为同口径电磁流量计的2 ～5倍；国内价格约为电磁流量计的2～ 8倍。

安装使用

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为了使科里奥利质量流量计能正常、安全和高性能地工作，正确地安装和使用是非常重要。这里包括机械安装、电气安装和使用维护。

(1)安装

机械安装应注意这样几个问题：

a.流量传感器应安装在一个坚固的基础上。内径小于10mm的小口径质量流量计安装在平衡坚硬和无振动的底面上，如墙面、地面或专门的基础。如果在高振动环境使用，应注意对基础的振动吸收，而且传感器进出口与管道之间应用柔性管道连接；较大口径的流量计直接安装在工艺管道上，应用管卡和支撑物将流量计牢牢地固定。

b.为防止CMF间的相互影响，在多台流量计串联或并联使用时，各流量传感器之间的距离应足够远，管卡和支撑物应分别设置在各自独立基础上。

C为保证使用时流量传感器内不会存积气体或液体残值，对于弯管型流量计，测量液体，弯管应朝下，测量气体时，弯管应朝上。测量浆液或排放液时，应将传感器安装在垂直管道，流向由下而上。对于直管型流量计，水平安装时应避免安装在最高点上，以免气团存积。连接传感器和工艺管道时，一定要做到无应力安装，特别对某些直管型测量管的流量传感器更应注意。

(2)使用和维护

①流量计零点调整。待流量传感器充满被测流体后关闭传感器下游阀门，在接近工作温度的条件下调整流量计的零点。调整零点时保证下游阀门彻底关闭，确认不泄漏流体是非常重要的。如果调零时阀门存在泄漏，将会给整个测量带来很大误差。

②设置流量和密度校准系数。正确设置流量和密度校准系数流量计的工作十分重要。流量校准系数代表传感器的灵敏度及流量温度系数，灵敏度表示每微秒时差测量多大的流量。