科氏流量计原理

科氏质量流量计简述

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院王帅

1.科氏质量流量计的意义

质量流量测量技术发展的重点是质量流量直接式测量方法，以提高测量准确度，实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、高可靠的测量。在质量流量直接式测量方法中，科里奥利质量流量计已经受到各方面用户的青睐。这是因为它能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大，又适合应用于高粘度流体。

2.科氏质量流量计的原理

科氏流量计（Coriolis MassFlowmeter,CMF）

是基于科里奥利力的原理而设计的。流体流过测量

管时，如果测量管以某一频率振动，则振动的测量

管相当于一个匀速转动的参考系，由于流体与测量

管具有相对运动，所以会受到科里奥利力的作用，

如图1所示。这个力作用在测量管的两边上方向是

相反的，使测量管发生扭曲，流体的质量流量与这个扭转角是成正比的，因此只要测出这个扭转角，就可以得到流体的质量流量。二次仪表就是通过适当的测量电路和处理方法设计，测得扭转角并由此得出流体质量等参数[1]。

科氏流量计由一次仪表和二次仪表组成，其中一次仪表包括测量管、传感器和激振器，二次仪表则是一次仪表输出信号的处理系统[2]

（如图2）。目前市场上科氏流量计的种类很多。

从一次仪表的结构来看，有直管、U形管、S

形管、Ω形管、双梯形管、螺旋形管、Δ形管

等（如图3所示）。每一种形状的测量管又有单

管、双管和多管之分。每一种管形的适用场合、

测量精度及价格水平各不相同。用户可以从安

装环境、清洗方式及对压力损失的要求等方面

作出选择[3]

。

图3科氏质量流量计的部分管型

科里奥利质量流量计具有其它流量计无可比拟的优点[4]：

（1）其抗腐蚀、抗污、防爆、耐磨等问题已经满意地得到解决，因此可以测量范围广泛的介质，如油品、化工介质、造纸黑液、浆体、气体、固体颗粒的流体以及高粘度的物体。

（2）管道内无障碍物，无可动部件，故障因素少，便于清洗、维护和保养。

（3）安装简便，各种尺寸的传感器管子的进出口方向可随意调动安装：调整、使用方便，不必配置进出口的直管段。

（4

）能较容易地测量多相流体。

图2双U

形管的科氏质量流量计原理

图1科氏流量计测量管受力原理图

（5）多参数测量，在测量质量流量的同时，可以同时获取体积流量、温度及密度等；对于影响量，如压力、温度、密度和粘度以及流速分布等不敏感。

3.科氏质量流量计的发展现状

基于以上优点，科氏质量流量计成为目前研究最多、最有前途的直接式质量流量测量仪器，市场需求量也越来越大[5]。据统计，世界范围内装用量1991年估计在11-13万台，1992-1993年间欧洲市场容量约8000-10000台，约为5000万英镑/年，1995年全球范围流量仪表销售30亿美元，其中CMF 为2.35亿美元，约占8％；我国CMF 应用起步较晚，从80年代中期引进成套装置附带少量仪表开始，到技术改造所需单台进口一定数量，至1997年CMF 装用量约在3500-4500台之间。据分析预测，本世纪的头几年间，CMF 在国内市场的年平均增长率将达25-30%，从而逐渐与国际市场趋于一致而进入高速增长的产品成长期。但勿庸置疑，国内的CMF 绝大多数仍依赖于进口，且价格昂贵，一般为5000-10000美元/台，150mm 管径的高达30000美元/台。国外厂商在CMF 的技术方面占据绝对优势，少数真正掌握CMF 设计原理和技术，尤其是其核心技术即流量管传感器设计原理和技术的公司都对其极端保密，实行严格的技术垄断，这也正是CMF 产品至今仍保持高附加值的原因所

在，且这种状况还将继续。

美国、英国等西方发达国家在科氏质量流量传感器的研究和生产方面处于国际领先地位，主要的研发单位有美国的Micro Motion 公司、德国E+H 公司等。主要的研究重点集中在测量管结构设计、建模型分析、振动分析与抑制、试验验证等方面。如：作为科氏质量流量传感器行业的领头羊——美国Micro Motion 公司为进一步改善产品性能推出了MVD(Multi-Variable Digital)技术的数字变送器，图4所示为美国Micro Motion 公司生产的高准科氏质量流量计；英国Cranfield 大学的G.Sltan 和J.Hemp 用振动梁理论进行了U 形管科氏质量流量传感器建模的研究，并通过水和煤油两种介质的质量流量分别进行了实验研究；Storm.R 等在建立直管CMF 模型的基础上，分析了流体、工作环境、安装应力等因素对CMF 测量的影响，所得结果与理论计算结果基本相符。Cheesewright.R 等人利用流固耦合原理建立了CMF 的动态模型，分析了CMF 传感器的动态响应特性，并进行了相应的实验研究。同时，Cheesewright.R 也分析了外部振动对CMF 传感器测量精度的影响，提出了抑制外部耦合振动的一些理论方法。此外，英国国家工程实验室(National Engineering Lab)的R.M.Watt 还利用有限元法对直管科氏流量传感器进行了研究。

国内科里奥利质量流量传感器的研究热潮方兴未艾。主要的研制单位集中在高校和部分企业。如：北京航空航天大学、合肥工业大学、太原太航流量工程有限公司、北京首科石化

图4美国Micro Motion 公司生产的高准科氏质量流量计

有限公司、北京科力博奥仪表技术有限公司等。主要研究重点集中在测量管型设计、传感器闭环系统实现方案、传感器输出相位差信号解算等方面。如：北京航空航天大学樊尚春教授领导的课题组长期致力于传感器管型优化设计、传感器数字闭环系统实现、传感器振动信号解耦以及全数字信号处理方法等研究，取得了多项创新性研究成果；合肥工业大学自动化研究所的徐科军教授所带领的研究小组在科氏质量流量传感器信号处理方面做了大量研究工作。太原太航流量工程有限公司与北京航空航天大学合作，设计了具有自主知识产权的“T 型结构”测量管型结构，提高了传感器测量灵敏度。

4.用途多样性推动科里奥利质量流量计市场增长

美国ARC 咨询公司在2004年10月报导所出版《世界科里奥利流量计展望》中透露[6]：2003年科里奥利质量流量计全球市场4.04

亿美元（约33.3亿元），今后五年以年复增

长率（CAGR ）8.9%增长，到2005年市场销售将达6.17亿美元（约50.9亿元）。如图5所示。在流行一代的流量仪表中制造厂对科里奥利质量流量计在使用更可靠和方便上的多方改进十分明显，早期存在安装上的一些限制大为减少或不复存在。现在科里奥利质量流量计从只能测量液体和浆液扩

展到气体。

科里奥利质量流量计应用于天然气是呈现较快增长的重要因素。美国燃气协会（AGA ）在技术上认可科里奥利流量计适用于天然气生产、精制、输送、仓储、分配和最终用户消费的测量，开创出一个新的市场空间。从压缩天然气（CNG ）压缩站到路边加气零售的发送系统每一个测量点，用直接测量质量流量的科里奥利流量计在测量技术上的优点超过其他流量仪表，从而，使这一领域的用量骤增。

参考文献

[1]陈善文.科里奥利质量流量计的设计与实现.武汉：华中科技大学，2006.4

[2]王兴才.科里奥利质量流量计的原理和应用.北京：工业仪表与自动化装置，1994.34-38.

[3]刘广玉，樊尚春，新型传感器技术及应用,北京，北京航空航天大学出版社，1995.22-29.

[4]李传经，严明.正确评价科里奥利质量流量计.北京：自动化仪表,1992.19-26.

[5]纪爱敏,李川奇,沈连官.科里奥利质量流量计研究现状及发展趋.仪表技术与传感器，2001.4

[6]蔡武昌.用途多样性推动科里奥利质量流量计市场增长.世界科里奥利流量计展望，2004.10

王帅（1984~），北航精密仪器及机械专业博士研究生。于2008年师从樊尚春教授，主要从事科氏质量流量计、信号处理、智能仪器等领域的研究，期间参与国家“863”、民用航天等项目，已发表学术论文7篇，其中EI 检索2篇，SCIE 检索1篇（第2作者）。$100.00$200.00$300.00$400.00$500.00$600.00$700.00图5科里奥利质量流量计全球市场预测（106美元）