科里奥利质量流量计介绍

科里奥利质量流量计

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。

科氏力质量流量计计量准确、稳定、可靠，在需要对流体进行精确计量或控制的场合选用较多，但其售价较高，在不需要精确计量及控制的场合一般选用其他质量流量计代替。科氏力质量流量计对于液体和气体都可选用，但是在现场应用中，氢气流量的精确测量一般都选用热式质量流量计。

在我国，艾默生高准公司的科里奥利质量流量计已在兰州石化、安庆石化、新疆塔河油田、中国海洋石油等中低压天然气中的流量计量得到良好的应用。2007年末，高准公司的科里奥利质量流量计，顺利通过了中国最权威的原油大流量计量站成都天然气流量分站（CVB）的天然气实流测试，测量精度达到0.5％，并具有良好的重复性。

1 科里奥利质量流量计的工作原理

科氏力流量计由传感器和变送器两大部分组成。其中传感器用于流量信号的检测，主要由分流器、测量管、驱动、检测线圈和驱动、检测磁钢构成，如图1所示。

变送器用于传感器的驱动和流量检测信号的转换、运算及流量显示、信号输出，变送器主要有电源、驱动、检测、显示等部分电路组成。所有流量计都必须人为地建立一个旋转体系，以双“U”型测量管传感器为例，用电磁驱动的方法使“U”型测量管的回弯部分作周期性的微小振动。这相当于使“U”型管绕一个固定轴（OO 轴）作周期性时上时下的旋转，其旋转方向周期性的变化，像钟摆一样运动。“U”型管的出入口段被固定，这样就建立一个以“U”形管出入口段为固定轴的旋转体系。传感器力学分析如图2所示。

当测量管向上振动但无流体流过时，运用右手螺旋法则，四指指向旋转方向，则大拇指指向的方向为外加驱动的圆频率ω。当流体流入“U”形管时，由于惯性，流体将反抗“U”形测量管强加给它的垂直动量的改变：在“U”形管的入口段，在管子向上振动期间，流体将压管子向下，而在“U”形管的出口段，流体将推管子向上，于是测量管被扭曲如图3所示。

这就是科里奥力的作用结果。右手定则可以确定科里奥力的方向，当大拇指代表ω 方向，食指代表V方向，则中指的反方向即为科氏力Fc 的方向。在图2中，Fc′和的箭头表示科氏力的方向。当“U”形管被向下驱动时（ω 方向反向），则Fc 和Fc′ 亦反向。通过力学公式推导，可得到质量流量的表达式如式（1）所示：

Q m = (Ks/8r2) * ∆t（1）

式（1）中Q m为流体质量流量；

Ks为测量管的角弹性系数；

r 为回弯管半宽度。

∆t 为流体流过传感器左右检测器时产生的时间差，也就是两组检测信号的相位差，如图4所示。由式（1）可知，质量流量Q m与两组电磁检测器检出信号的时间差成正比，而与振动的频率及角速度等均无关，根据这一原理，质量流量计将∆t转换成脉冲信号（0kHz～10kHz）或电流信号（4mA～20mA DC）、电压信号（1V～5V DC）输出并显示流体质量，从而解决了质量流量的直接测量问题。

图4 质量流量正比于时间差∆t

Fig.4 Mass flow propotional to time difference ∆t

2 科里奥利质量流量计的选用

由于科里奥利质量流量计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：

（1）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％。

（2）可以测量多种介质，如油品、化工介质、造纸黑液、桨体及天然气等。

（3）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。

（4）无可动部件，流量管内无障碍物，便于维护。

科氏力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稳点稳定度的准确度。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力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力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 科里奥利质量流量计的安装

从质量流量计的工作原理可知，流量计的安装有以下一些要求：

（1）传感器和变送器出厂前是配套标定的，安装时须一一对应。如果更换了变送器，又没有重新配套标定，虽可通过组态重新输入使系统参数运行，但却可能产生一定的系统误差。

（2）传感器、变送器及电缆安装应尽量避免电磁干扰，如远离大型电动机、继电器等。

（3）传感器振管内应保证充满被测介质，尽量避免夹气。例如，可在流量计前安装消气器，提高出口备压等；针对不同性质的被测介质，有T 型、倒T型及旗式等3 种安装方式。

（4）为保证流体均匀、均质地通过振管，传感器应安装在节流装置、阻流元件之前，或是安装在一定长度的直管段之后。

（5）传感器法兰前后6～10倍管径长度处必须加装具有足够刚度和质量的支撑，且支撑必须与管线可靠固定，避免管道振动干扰振管振动，引起测量误差。

（6）安装时传感器与管道要同轴对准，无论轴向还是径向，均应尽量做到无应力安装。

综上所述，科氏力流量计是一种新型的流量测量仪表；它具有其它流量计所没有的一些优点，测量精度仅与传感器左右检测时间差信号有关，因此在很多领域得到了越来越广泛的应用。但使用环境振动不能太大，且要正确地设计选型及安装。

4 澄清会谈判注意事项

质量流量计的进口产品供货商主要有德国科隆，艾默生和E+H三家。德国科隆的价格便宜点，质量和测量精度稍差一些，一般2寸左右的售价在7到8万，艾默生和E+H价格差不多，E+H的同口径质量流量计要稍微便宜一些，一般2寸左右的售价在10万以上。国内的供货商主要有上海一诺和西安东风，价格比德国科隆的要稍微便宜一些，质量可靠，很多石化项目都在用。在进行质量流量计澄清会的时候，主要讨论的问题是测量精度、压损和流速、变送器的安装位置、选材、供电、防爆等级等。

4.1 测量精度

质量流量计的测量精度一般分为计量级和控制级两种，计量级一般用于需要精确计量的原料进料、产品出料等的流量测量，控制级一般用于将流量控制稳定以保证工艺过程的稳定。对于质量流量计，控制级的测量精度一般在2‰或1.5‰，计量级的测量精度一般在1‰或1.5‰。具体测量精度要求控制级还是计量级由工艺专业根据实际情况提供。艾默生和E+H 的质量流量计同样口径的控制级要求和计量级要求的流量计价格差距较大，计量级的要高30%~50%，而且当尺寸大于4寸时，一般只有计量级流量计，没有控制级流量计。

4.2 压损和流速

对于流量计的选型来说，压损和流速是需要重点关注的两个参数。所谓压力损失是指流体经过仪表后, 由于测量振动管内径小于工艺管道的内径以及结构上的弯道等所造成的