科里奥利质量流量计：原理及应用

1.科里奥利质量流量计工作原理

科里奥利质量流量计（简称科氏力流量计）是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。

科氏力流量计结构有多种形式，一般由振动管与转换器组成。振动管（测量管道）是敏感器件，有U形、Ω形、环形、直管形及螺旋形等几种形状，也有用双管等方式，但基本原理相同。下面以U形管式的质量流量计为例介绍。

图4-8 科氏力流量计测量原理

图4-8所示为U形管式科氏力流量计的测量原理示意图。U形管的两个开口端固定，流体由此流入和流出。U形管顶端装有电磁激振装置，用于驱动U形管，使其铅垂直于U形管所在平面的方向以O—O为轴按固有频率振动。U形管的振动迫使管中流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流体将受到科氏力的作用，同时流体以反作用力作用于U形管。由于流体在U形管两侧的流动方向相反，所以作用于U形管两侧的科氏力大小相等方向相反，从而使U形管受到一个力矩的作用，管端绕R—R轴扭转而产生扭转变形，该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。因此，测得这个变形量，即可测得管内流体的质量流量。

设U形管内流体流速为u，U形管的振动可视为绕O—O为轴的瞬时转动，转动角速度为ω若流体质量为m，则其上所作用的科氏力为

F=2mω×u

F、ω、u均为矢量，ω是按正弦规律变化的。

U形管所受扭力矩为

M=F₁r₁+F₂r₂=2Fr=4mωur

式中 F₁=F₂=F=F，r₁=r₂=r为U形管跨度半径。

因为质量流量和流速可分别写为q_m=m/t，u=L/t，t为时间，则上式可写为

M=4ωrLq_m

设U型管的扭转弹性模量为K_s，在扭力矩M作用下，U型管产生的扭转角为θ。故有

M=K_sθ因此，由上两式得

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U型管在振动过程中，θ角是不断变化的，并在管端越过振动中心位置Z—Z时达到最大。若流量稳定，则此最大θ角是不变的。由于θ角的存在，两直管端P₁、P₂将不能同时越过中心位置Z—Z，而存在时间差Δt。由于θ角很小，设管端在振动中心位置时的振动速度为u_p，（u_p=ωL），则

从而

可得

对于确定的流量计，式中的K_s和r是已知的，故质量流量q_m与时间差Δt成正比。如图4_-8所示，只要在振动中心位置Z—Z处安装两个光电或磁电位移传感器，测出时间差Δt，即可求得质量流量。

科氏力流量计能直接测得气体、液体和浆液的质量流量，也可以用于多相流测量，且不受被测介质物理参数的影响。测量精度较高，量程比可达100∶1。

2.科里奥利质量流量计的安装

相对于其他类型的流量计，质量流量计具有安装简便、易于使用、测量精度高以及直接测量质量流量等优点，尤其是没有直管段要求的特点，用户可因地制宜的选择安装位置，节约安装成本。

安装注意事项：

（1）安装位置应避免电磁干扰。传感器、变送器的安装位置以及电缆铺设应尽量远离易产生强电磁场的设备，如大功率电动机、变压器设施、变频设备等。

（2）工艺管道应对中，两侧法兰应平行。严禁用传感器硬行拉直上、下游工艺管道，否则将影响测量甚至损坏传感器。另外在两侧的工艺管道近法兰处（约2～10倍管径处）应有稳固的支撑。

（3）在传感器的上、下游管道上，建议安装截止阀及旁路以方便调零、日常维护及确保传感器在不工作时亦可处于满管状态。使用流量计下游的调节阀进行流量控制。

（4）安装时要注意流量计外壳上的流向标志，其箭头指向与变送器内部组态的流量方向是一致的。不过质量流量计是可以双向使用的。如果安装方向与实际流向相反，可以修改变送器内的流向组态即可改变方向（出厂时是流量计上所标方向）。

（5）要保证被测介质能够完全充满传感器。对于液体要不集气，对于气体要不积液，对于黏稠、脏污、高凝点的介质易排空等。