什么是科里奥利质量流量计？它的工作原理是什么？

科里奥利质量流量计是现代流量测量领域的黄金标准。

在当今快节奏的行业中，精确的流量测量至关重要。它是众多关键任务的基石，从完善配方到确保透明的计费流程，无不离不弃。科里奥利质量流量计正是在这样的背景下脱颖而出，成为领先的解决方案，以其卓越的可靠性和精度而闻名。随着行业需求的增长，了解这一创新工具的作用和意义对于业内人士而言至关重要。

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What Is a Coriolis Mass Flowmeter and How Does It Work

特色科里奥利质量流量计

Z-Series Straight Tube Micro Motion Coriolis Flow Meter — **Z系列直管式微动科里奥利流量计**

T-series Triangle Coriolis Mass Flowmeter — **T系列三角形科里奥利质量流量计**

U-Series Liquid Mass Flow Meter — **U系列液体质量流量计**

V-series Curved Digital Mass Flow Meter — **V系列弯管式数字质量流量计**

什么是科里奥利质量流量计？

科里奥利质量流量计种利用科里奥利力原理直接测量质量流量的仪器。该科里奥利力与流体在振动管内流动时产生的质量流量成正比。

传感器内部有两个平行的流动管，中间装有驱动线圈，两端装有检测线圈。安装在振动管两端的检测线圈会产生两组相位不同的信号。两组信号的相位差与流经传感器的流体质量流量成正比。计算机通过计算得出流经振动管的质量流量。

当不同的介质流经传感器时，振动管的主振动频率不同，因此可以据此计算介质的密度。安装在传感器振动管上的铂电阻可以间接测量介质的温度。

科里奥利质量流量计测量精度高，且测量结果不受介质物理性质的影响。对上游和下游直管段的长度没有要求。

科里奥利质量流量计可以测量介质的密度，并间接测量介质的温度。

科里奥利质量流量计广泛应用于化工、制药、能源、橡胶、造纸、食品等工业领域。

质量流量测量的历史

早在现代工业兴起之前，人们就认识到测量液体和气体流量的必要性。在古代文明中，农民会利用简单的沟渠和标记来测量流入田地的水量。随着时间的推移，我们的方法也在不断改进。

到了工业革命时期，精确的流量测量变得至关重要。工厂需要精确计量蒸汽、水和其他流体来驱动机器并生产商品。这促使发明家们创造出更先进的工具。

进入20世纪，我们见证了一项突破：科里奥利质量流量计。它利用科里奥利效应，提供了以往方法无法比拟的精度和多功能性。如今，它见证了我们从简陋的沟渠到精密设备的演变历程，确保着世界各地各行各业高效运转。

科里奥利原理

法国工程师G.G.科里奥利注意到，地球表面运动的物体会发生侧向偏移。这是因为地球自东向东旋转。在北半球，这种偏移方向向右；在南半球，则向左。这种漂移在海洋潮汐活动和地球天气中都起着至关重要的作用。赤道上的点每天绕地球表面旋转的距离比两极附近的点要大。当物体向极地运动时，由于其在地球表面运动时速度更快，因此会向东偏转。这种漂移被称为科里奥利力。

当流体在管道中流动，并通过机械方式引入管道的旋转力而受到科里奥利加速度作用时，由科里奥利惯性效应产生的偏转力的大小将取决于流体的质量流量。如果一根管道绕某一点旋转，同时液体在其间流动（流向或远离旋转中心），则流体将产生一个作用于管道的惯性力，该力与流体流动方向垂直。

上图，一个粒子 (dm) 在管道 (T) 内以速度 (V) 运动。管道绕固定点 (P) 旋转，粒子距离固定点一个半径 (R)。

粒子以角速度 (ω) 运动，受到两个加速度分量的作用：一个指向 P 的向心加速度和一个垂直于角速度 ω 的科里奥利加速度。

ω（向心加速度）= ω²r

科里奥利加速度 at（科里奥利加速度）= 2ωv

为了使流体粒子受到科里奥利加速度 (at)，管道必须产生一个大小为 at (dm) 的力。
流体质点对这种力的反作用力是大小相等、方向相反的科里奥利力：

Fc = at(dm) = 2wv(dm)

那么，如果过程流体的密度为 D，并且在横截面积为 A 的旋转管内以恒定速度流动，则长度为 X 的管段将受到大小为：

Fc = 2wvDAx

由于质量流量为 dm = DvA，因此科里奥利力 Fc = 2w(dm)x，最终：

质量流量 = Fc / (2wx)

这就是如何通过测量流动流体作用于旋转管上的科里奥利力来指示质量流量的原理。

虽然在制造商用流量计时，旋转管子并非实际可行的标准操作程序，但振荡或振动管子（这在实际操作中是可行的）可以达到相同的效果。

科里奥利流量计的工作原理是什么？

当位于以 P 点（旋转中心）为固定点旋转的管道中的粒子向旋转中心靠近或远离旋转中心运动时，就会产生惯性力。其原理如图所示：

图中，质量为 δm 的粒子以恒定速度 υ 在管道中向右运动。管道绕固定点 P 以角速度 ω 旋转。此时，粒子将获得两个加速度分量：

法向加速度 αr（向心加速度），其大小等于 ω²r，方向指向 P 点。
切向加速度 αt（科里奥利加速度），其大小等于 2ωυ，方向垂直于 αr。

由切向加速度产生的力称为科里奥利力，其大小等于 Fc=2ωυδm。

如图所示，流体 δm=ρA×ΔX，
因此，科里奥利力可以表示为：
ΔFc=2ωυ×δm=2ω×υ×ρ×A×ΔX=2ω×δqm×ΔX

其中 A 为管道的横截面积
δqm=δdm/dt=υρA

对于特定的旋转管道，其频率特性是确定的。ΔFc 仅取决于 δqm。

因此，可以通过测量科里奥利力直接或间接地测量质量流量。

科里奥利原理质量流量计的工作原理基于上述原理。

实际的流量传感器并不产生旋转运动，而是产生管道振动。
其原理图如下图所示。

管道的两端固定，在两固定点的中点处施加一个振动力（根据管道的共振频率），使管道绕固定点以固有频率 ω 振动。

当管道内无流体流动时，管道仅受外部振动力的影响。管道的两半部分沿同一方向振动，不存在相位差。

当有流体流动时，管道会受到管道内介质颗粒的科里奥利力 Fc 的影响（管道两半部分的科里奥利力 F1 和 F2 大小相等、方向相反）。管道的两半部分沿相反方向扭转，产生相位差。该相位差与质量流量成正比。

传感器的设计目的是将科里奥利力的测量值转换为振动管两侧相位时间差的测量值，这就是科里奥利质量流量计的工作原理。

科里奥利质量流量计管路设计

早期的科里奥利质量流量计设计是将流体通过管道引入旋转系统。质量流量由安装在轴上的扭矩传感器测量。这种流量计仅在实验室进行过试验性生产。

在商业产品设计中，通过测量系统的旋转来产生科里奥利力是不切实际的。因此，通常采用振动测量管的方式来代替旋转运动。这样，也能实现科里奥利力对测量管的作用，测量管会在科里奥利力的作用下发生位移。

由于测量管的两端固定，作用在测量管上各点的力不同，产生的位移也不同。因此，测量管会形成一个额外的扭转。通过测量扭转过程中不同点的相位差，即可获得流经测量管的流体的质量流量。

我们常用的量管形式如下：

S形测量管
U形测量管
双J形测量管
B形测量管
单直管测量管
双直管测量管
Ω形测量管
双环测量管等

下面我们简要介绍它们的结构。

如图所示，S形测量管质量流量计的测量系统由两根平行的S形测量管、一个驱动器和一个传感器组成。测量管两端固定，管中心装有驱动器，使测量管振动。

传感器安装在两根测量管的对称位置。在这两个位置测量振动管之间的相对位移。质量流量与这两个位置测得的振动频率的相位差成正比。

U型测量管有两种结构：单管结构和双管结构。

电磁驱动系统驱动U型测量管以固定频率振动。当流体被迫承受测量管的垂直运动时，在振动周期的前半段，测量管向上运动，此时测量管内的流体在驱动点之前会产生向下的压力，阻碍测量管的向上运动。驱动点之后会产生向上的力，加速测量管的向上运动。这两个力的共同作用使测量管发生扭转。在振动周期的后半段，扭转方向反转。

The degree of distortion of the measuring tube is directly proportional to the mass flow rate of the fluid flowing through the measuring tube. Install electromagnetic inductors on the measuring tubes on both sides of the driving point. To measure the phase difference of its movement, this phase difference is directly proportional to the mass flow through it.

In the double U-shaped measuring tube structure, the two measuring tubes vibrate in opposite directions. Make the measuring tube twisted out of phase by 180 degrees. as the picture shows. Compared with the single-measurement tube type, the detection signal of the double-tube type is amplified, and the flow capacity is also improved.

两个J形管位于管道中心并对称分布。安装在J形管段上的驱动器使管道以一定的固定频率振动。

当测量管内的流体以一定速度流动时，由于振动的存在，测量管内的流体会产生科里奥利力。该科里奥利力作用于测量管，但作用于上下两根管道的科里奥利力方向不同。管道的直管部分会产生不同的附加运动，即产生相对位移的相位差。

在双J形管测量系统中，两根管道同时沿相反方向振动。上下两根直管之间的相对位移相位差增大。当流体不流动时，传感器A和B测得的位移信号的相位差为零。

当测量管内的流体流动时，科里奥利力产生的反作用力作用于测量管，并沿特定方向驱动其振动。当管道 1 分离而管道 2 靠近时，管道 1 的上部移动速度加快，下部移动速度减慢；而管道 2 的上部移动速度加快，下部移动速度减慢，情况则相反。因此，上下两个传感器测得的信号之间存在相位差。该相位差的大小直接反映了质量流量。

B型管科里奥利质量流量计流量测量系统由两个彼此平行的B型管组成。被测流体通过分流器均匀地进入两个B型测量管。驱动单元安装在两个测量管的中心位置。测量管被驱动以稳定的谐波频率振动。在测量管向外运动的过程中，直管部分彼此远离。在驱动单元的作用下，回路L1’和L1”彼此靠近，回路L2’和L2”也彼此靠近。由于每个回路的一端固定在流量计本体上，其旋转运动在端部区域受到限制，从而集中在节点附近。

然而，当回路L1’和L1”在科里奥利力的作用下彼此靠近时，回路中的流体速度会减慢。而另一端的两个回路L2’和L2”则彼此靠近，速度增加。

当测量管向内移动时，情况则相反。在驱动力的作用下，直管段彼此靠近，而两个横截面上的两个环路则彼此远离。管道内流体产生的科里奥利力叠加在这一基本运动之上，这将加快L1’和L1”两个环路的分离速度，并减缓L2’和L2”两个环路的分离速度。

通过将传感器正确安装在端面上两个环路之间，可以利用科里奥利力引起的这些运动来精确测定流体的质量流量。

该单直管式质量流量计的测量系统由一根两端固定（法兰）的直管和一个安装在其上的振动驱动器组成。

当管内流体不流动时，驱动器使直管振动，此时管内流体不产生科里奥利力。A点和B点受到的力大小相等，变化速率也相同。

当测量管内的流体以速度V流动时，C点受到振动力的作用（此时振动力向上）。流体质点从A点运动到C点时加速，产生反作用力F1，该反作用力减缓了直管的向上运动。而在C点和B点之间，流体质点减速，从而加速了直管的向上运动。因此，C点两侧的这两个相反的力会导致直管发生形变。该形变的相位差与流经测量管的流体质量流量成正比。

与单直管相比，双直管结构可以降低压力损失并增强传感器信号。其实际结构如图所示。驱动器位于中心，两个光电传感器仅围绕中心对称分布在两侧。测量管受轴向力的影响较小。

当流体不流动时，光电传感器受到由测量管产生的同相位移的影响。当流体介质流经两个振动的测量管时，会产生科里奥利力。