一 概述

科里奧利質量流量計(簡稱CMF)是依靠流動流體和測量管振動這兩者之間相互作用的原理，用以測量質量流量的一種儀表。密度測量也可以從測量管的振動中被推導出來；還附有溫度測量。一套科里奧利質量流量計由流量傳感器(一次裝置)和轉換器(二次裝置)組成。

科里奧利質量流量計的優點如下。

①直接測質量流量。在計量測試領域中，質量同長度和時間一樣，都是基準量，而不是導出量。在過程檢測和控制中，用質量流量來表示物質的量是最理想、最準確的。在化學反應和其他生產過程中，物質的反應和處理幾乎都是以質量為基礎進行的；在流體產品或半成品的貿易交接和經濟核算中，大部分是以質量為基準的；在很多過程中，如某些價格昂貴的添加劑，要求高精確度的質量檢測和控制，不僅涉及生產成本的計算，并且直接關系到產品的質量優劣。

為了解決質量流量的測量，數十年來人們嘗試了各種方法，如稱重法、推導法，采用各種直接測取質量流量的裝置等，但均不理想。自1978年美國James E. Smith推出商品化的CMF以來，使得工業上質量流量測量技術出現了一個全新的局面。CMF直接測量質量流量，其結構緊湊，基本不受溫度、壓力、黏度等影響(有的經補償而保持很高的準確度)。

②應用范圍廣。CMF可用于一般流量儀表較難測量的工業介質，無論是導電或非導電液體均可測量，如非牛頓流體、各種漿液、懸浮液、液化氣等，其廣泛用于石油、石油化工、化學、食品、造紙、制藥、橡膠等行業。

③無可動部件及任何接觸式探測元件。測量管本身的振動極微，不會造成對流體的干擾，以及這種干擾對于流量傳感器帶來的影響?？捎糜诟唣こ砹黧w及液——固兩相測量。

④精確度高。在一定范圍內精確度可這±0.15% ~±0.3%左右；范圍度為(20:1)~(lOO:1)。

⑤安裝要求不高。不受上游管內流速分布的影響，一般對上、下游直管段沒有什么要求，對安裝空間的適應性強。但對有些傳感器，兩端需加防振支撐，并避免兩臺CMF安裝過近。

⑥多功能。同一臺CMF可測質量流量、密度、溫度、雙組分流濃度、體積流量等。

⑦適合雙向流測量。

⑧ 較低的維修率。

科里奧利質量流量計缺點如下。

①初購置費較高。但由于它直接測質量流量、精確度高、使用簡便、可靠性好，使它總費用(包括儀表費用、泵送費用、維修費用、測量誤差造成的損失費用等)并不過高，總體來說是經濟的。

②有的產品因結構關系，壓力損失較大。

③彈性常數對溫度影響靈敏，溫度補償措施有可能不盡完善。

④用于漿液測量時，有可能造成測量管堵塞，要注意清洗措施的可靠。

⑤只能用于壓力較高的氣體。

CMF作為流量測量領域中的一種新技術，一種直接測量質量流量的高精確度儀表，已逐步為用戶所接受，21世紀初有人估計，世界上安裝使用的CMF己有50萬臺。近年開發出適度降低性能的、價格較低的儀表，以及對應用過程中的各影響因素改善， CMF必將進一步為廣大用戶所接受，得到更加廣泛的應用。

目前國內主要生產廠家有上海科隆光華儀器有限公司、上海羅斯蒙特公司、太原航空儀表公司流量儀表廠等。

二 基本原理

當一個位于一旋轉體內的質點作朝向或遠離旋轉中心的運動時，將產生一慣性力，原理如圖5.1所示。當質量為δm的質點以勻速v圍繞一個固定點P并以角速度ω旋轉的管道內移動時，這個質點將獲得兩個加速度分量；

①法向加速度ar (向心加速度)，其量值等于ω2r，方向朝向P點；

②切向加速度at(科里奧利加速度)，其量值等于2ωv，方向與ar垂直。

根據牛頓第二運動定律(力=質量×加速度)，產生科里奧利加速度at，必定在at的方向上施加一個相應的力，其大小等于2ωvδm，這個力來自向上轉動的管道。反向作用于管道上的力就是科里奧利力Fc=2ωvδm (簡稱科氏力)。從圖5.1中可見，當密度為ρ的流體以恒定速度v向前流動時，任何一段長度為 Δx的管道都將受到一個大小為 ΔFc的切向科氏力。

對于特定的旋轉管道，其頻率特性是一定的，ΔFc僅取決于δqm。因此，直接或間接測得在旋轉的管道中流動的流體所施加的科氏力就可以測得質量流量。這就是CMF的基本原理。

對商品化CMF設計，通過旋轉運動產生慣性力是不切合實際的，而代之以使管道振動產生所需的力。當充滿流體的管道以等于或接近其自然頻率振動時，維持管道流動所需的驅動力是最小的。在多數CMF中，流體管道的兩側被固定，并在兩個固定點的中間位置上振動，這就使管道的兩個半段以相反的方向振動旋轉。當無流量時，在檢測點相對位移的相位是相同的；當有流動時，科氏力所產生的附加的扭曲振動使得在檢測點的相對運動有一個很小的相位差，這一相位差同質量流量成正比

三 流量傳感器原理

以U形測量管為例，如圖5.2所示，在外力的驅動下，U形測量管繞O-O軸按其自然頻率ω振動。當流體以勻速流過U形管時，根據質點動力學原理，在U形管向上運動時，入口一側產生向上的科氏加速度，相應的科氏力F1向下作用在管壁上；出口一側產生向下的科氏加速度，相應的科氏力F2向上作用在管壁上。Fl與F2大小相等，方向相反(F1=F2 =Fc)。

Fc=2mω × v (5.2)

此處， Fc、ω和v是矢量， "×"是矢量相乘。當U形管沿0-0軸轉動時，科氏力繞R-R軸產生力矩M，轉動力臂為r，于是

M=F1rl+F2r2 (5.3)

因F1=F2， r1=r2,由式(5.2)和式(5.3)得

M=2Fcr=4mvωr (5. 4)

質量流量qm取決于每單位時間內通過給定點的質量m。 qm =m/t， v=L/t，經代換得 qm =mv/L，此處L是管子的長度，于是式(5.4)變成

M=4ωrqL (5.5)

力矩M引起U形管扭曲，扭曲角θ為測量管繞軸R-R的夾角。由于M引起的扭曲受測量管的彈性剛度Ks的制約，扭矩

T=Ksθ (5.6)

因T=M，質量流量qm同偏轉角θ之間的關系可通過整理式(5.5)、式(5. 6)得

(5. 7)

即 qm=k1θ (5.8)

式中， K1 =Ks/4ωrL=常數。

扭轉角θ是時間t的函數，U形管每根支管通過中心點，由兩側的兩個位置檢測器測取。當沒有流量時，右面和左面的支管在向上和向下越過中心線的時差為零；而流量增大時，θ角增大，上升和下降開關信號之間的時間差Δt也增大。設管子通過中心線的速度為vt，則

當θ角很小時，它近似等于sineθ，即θ= sine，且此時有 T為周期，所以vt，=ωL，于是式(5. 9)變為

即

式中， K2=ωL/2r=常數。綜合式(5.7)、式(5.10)在

即

對特定的流量傳感器來說， =常數?？梢?，質量流量僅與時間間隔 Δt和幾何常數有關，與U形管驅動轉速ω無關，亦即與測量管的振動頻率無關。U形測量管受力變形和振動扭曲如圖5.3、圖5.4所示。

總之，單位時間流經測量管的流體質量越多，則測量管扭轉角θ越大(qm=K1θ)，而θ角越大，則左右兩管通過中心點的時差Δt亦越大(θ=K2Δt)，從而流量qm與時差Δt成正比(qm =K3Δt)。這樣，通過傳感器的設計，把對科里奧利力的測量轉變成對振動管兩側時差的測量，這就是流量傳感器的工作原理。

四 信號檢測原理

用于檢測偏轉角的電磁位置檢測器設置在測量管行程的中點。此處管子速度最大，且可得到對稱的最大的偏轉角，而加速度近似為0。管子分別向下和向上運動，形成兩種時間間隔，結合起來產生一組信號。

圖5.5和圖5.6所示分別為通過邏輯電路處理過的無流量時和有流量時的波形圖。從傳感器管的端部看過去，有左、右兩根支管，流量分別從其中流入和流出，電磁位置檢測器檢測其矩形頻率波。左、右信號交替產生，右面檢測器信號采用寬波形(R)，而左面的信號采用窄波形，這樣就避免了信號的重疊。

由于脈寬的差異，當管子上升過程中通過中心點時，右面的檢測器信號總是先于左面的發生。相反，當管子在下降過程中通過中心點時，左面信號總是先于右面的被檢測出來。

差異波形D是右邊和左邊兩支管子在上升和下降過程中通過中心點的時差信號。這些脈沖被送至線性積分器，并且對上升的一對作負積分，對下降的一對作正積分。當沒有流量通過時，這種差異脈寬(波形D)在兩個方向上是相等的(圖5.5)。當有流量通過時，在上行時有一個反時針的扭曲，而在下行時有一個順時針扭曲，這引起兩支管子在上升過程中跨越中心點時間更接近，而在下降過程中跨越中心點時間拉長。這樣，差值脈寬(波形D)就不再相等(圖5.6)。

由于積分的斜率相等且恒定，在正常方向流動時產生一基本的正的脈沖輸出，它被送至一采樣和保持電路。積分輸出恰在參比電平恢復之前被采樣，在同期的其他時段內處于保持狀態。這樣的信號是同時差Δt成線性比例關系，因而同質量流量成正比。

經處理的信號產生一個O~lOOO0Hz脈沖輸出，被送至頻率和(或者)模擬輸出電路板。頻率板將脈沖信號量化用以顯示、控制和積算。模擬板把脈沖信號轉換成模擬電壓或電流信號輸出(O~20mA， 4~20mA或O~5V， 1~5V)。

在圖5.5和圖5.6中，R是來自右位置檢測器經過初步處理的信號波形；L是來自左位置檢測器經初步處理后的信號波形；D是R和L反相比較后的差波信號波形； I是線性積分后的波形 。

五 流量傳感器結構

1、總體結構

目前世界上有約20家公司先后推出原理相同、結構各異的CMF?？趶阶钚?.5mm，最大150mm，測量范圍從最小0~27kg/h到最大~680t/h。不管哪種型號，流量傳感器結構一般均包含如下幾個部分。

(1)測量管(振動管)是傳感器的敏感部件

(2)驅動裝置 產生電磁力，驅動測量管以接近諧振的頻率振動。

(3)位置檢測器 用于檢測測量管的扭曲變化。

(4)支撐結構 如圖5.7中的橋架。

(5)溫度傳感器 用于檢測溫度、補 償測量管材料楊氏模量的溫度系數。

(6)殼體 對傳感器保護(有的產品有第二層保護外殼)。

另外，有加熱保溫型、防爆型、衛生型等結構。

2、測量管

測量管從結構形狀來分，有彎管式和直管式兩大類。目前大多數產品為彎管式，其形狀有U形、運動跑道形、B形、S形、 Ω 形、雙梯形、螺旋形、 Δ形等。不管什么形狀，又有單管、雙管(雙環)、多管(多環)幾種。其中，大多數產品是采用兩根平行的管子，而多管(多環)式，其用于測量的部分也是兩根管(環)。從結構上看，雙管結構目前大多數采用并聯式，在入口處有分流器，把來自法蘭接口的流量對稱地分成兩部分流入兩根測量管，在出口處又有一個匯流器，將兩根管中流體重新匯集在一起通過出口法蘭送出。這樣的結構要求分流器完全對稱，兩根支管也必須對稱，出廠前要嚴格調試好動態平衡。另一種是采用單管串聯雙環的型式，用于測量的支管看起來仍是兩根(雙環)，由于它是用一根管子串聯組成的，入口和出口沒有分流器和匯流器，因分流而造成的不對稱的缺點得到了克服，圖5.7所示的CORIMASS MFS-1000就是單管串聯雙環結構。大多數雙管并聯式產品在其精確度規定中有" ± 零點穩定性"一項(數值有指標控制)。而單管雙環式，因其零點穩定性好，在精確度指標中沒有"零點穩定性"這一項。U形測量管的改進型 Δ形測量管較U形靈敏度性能均有提高。單管直管型質量流量計目前已具有一定的市場占有率，與傳統的雙管型結構相比有很大的優越性，如流通能力大、壓損更小、更易清洗等。單管直管形結構在設計上要很好解決抗振性問題。Promass M型流量計(圖5.9）是該種類型產品之一。毫無疑問，單管直管型式是今后質量流量計的發展趨勢和方向。圖5.10列舉了幾種典型的測量管的結構形式。

從設計的角度分析，彎管與直管相比，彎管振動較容易，但頻率較低，一般80~100Hz;直管振動難，但頻率較高，有高達700~1100Hz。對避免外界機械振動干擾有利。管子尺寸加長，有利振動，科氏力和扭轉角增加，應力減小，但這樣便增大了重量和壓力損失，因而形狀和尺寸要綜合考慮擇優而定。管子壁厚涉及到靈敏度和耐壓強度，需合理計算，一般其最大工作壓力至少應取破壞應力的1/4。

3、驅動裝置

大多數采用電磁驅動器，所產生的電磁力驅動測量管以接近諧振頻率的頻率振動。用于測量黏度或密度較高的介質時，要考慮對驅動裝置增加輔助電源。多數流量傳感器采用兩管平行的結構，那么驅動器的線圈固定在一根管子上(或相關聯的支架上)。而磁鐵則固定在另一根管子上(或相關聯的支架上)。有的傳感器，如雙梯形，采用雙驅動器，這是結構形式所要求的 。

4、位置檢測器

位置檢測器多數采用電磁式的，把線圈固定在一根管子上，磁鐵固定在另一根管子上，一般以驅動器為中心，左右對稱各安裝一只，兩根支管的振動扭曲程度直接反映在位置檢測器中，信號送至轉換電路加以處理。還有一種光電式檢測器，在測量管兩端各有一對小平板焊在兩根測量管上，之間有一定間隙，間隙(快門)寬度依兩根測量管扭曲程度而變化，由發光二極管發射的紅外光線經藍寶石傳導系統通過快門間隙在另一側被高靈敏度光敏二極管接收，并轉換成交流電信號。如圖5.11所示。

5、支撐結構

CMF的測量管既是介質流通管，又是敏感部件，支撐結構很重要。測量管固定在支撐結構上，作為振動系統的振動軸心，是系統振動特性的起始點。同時它又是隔離外來振動的一道重要屏障。在圖5.7~圖5.9所列舉的三種典型結構中，D系列和m-Point的支撐均是剛性很好的不銹鋼圓筒，而MFS-1000則是一個不銹鋼橋架( bridg），此橋架看似笨重，實際上很好地抑制了外來振動的干擾。

6、溫度傳感器

一般以一個100Ω的鈾電阻溫度計PtlOO貼在振動管的某一部位上，檢測流體(同時也是測量管)的溫度，對溫度影響加以補償。

7、殼體

CMF的外殼，多用不銹鋼薄板全焊接密封結構，有的內部充以50kPa的氮氣，起保護作用。防護等級一般為IP67，因此傳感器在現場是可靠的。由于CMF的測量管采用薄壁管，靠不停息地振動的原理工作，因而其外殼不僅有保護作用，還必須有安全的考慮。為避免測量管萬一破裂時，有有毒或腐蝕性介質外溢造成損害，對于安全型傳感器，在第一道密封殼外面再加一個"二次容器(控制)"作為安全外殼。其設計原則是：

①最大連續控制壓力 ≥ 最大過程壓力;

②10h內最大控制壓力≥保險壓力;

③控制爆裂壓力≥工廠設計壓力。

8、材料選擇

對于溫零件，目前用316L不銹鋼、1Cr18Ni12Mo2Ti、哈氏合金C-22、Ni-Span(鎳鉻鈦鐵恒彈性系數合金)、鐵、鋯等，密封墊用氟橡膠。非浸潤零部件用304或316不銹鋼。測量管材料的選擇和尺寸設計，既要考慮有柔性，以便產生足夠的撓曲和相位變化，又要充分考慮金屬疲勞、應力腐蝕、沖蝕損壞、耐壓強度等各種因素。要選擇和控制管子的振幅適當。

作為接觸介質的零部件，對大多數CMF傳感器來說是一種標準的選擇(用于氯化物和鹵素除外)。這種材料適應于過程工業中大多數流體。鈦有較好的彈性、抗壓強度、熱膨脹系數和對很多腐蝕性流體的抗腐蝕能力，被直管形傳感器所選用。

對防腐蝕有特殊要求時，有的產品還可使用Teflon TFE作襯里或者使用Halar ECTFE涂層。

一種典型的25mm傳感器采用的是19mm內徑的薄壁管，壁厚為1.65mm。

六 轉換電路特點

1、D系列轉換電路特點

轉換電路主要由驅動板、信號板、隔離板、頻率板和模擬板所組成。圖5.12所示為U形管式CMF轉換電路原理圖。

驅動板和信號板測量來自左面位置檢測器的信號，以調整驅動放大器，這樣來控制振幅，使測量管在其驅動下振動。此輸出信號連接到傳感器單元內的驅動線圈來加強振動，按接近其諧振頻率的頻率振動。

來自左面和右面的位置檢測器的流量信號是由傳感器測量管運動而產生的。信號板通過對兩個位置檢測器的信號作時間積分來確定扭轉角，從而產生流量信號。這個信號實際上就是左、右兩邊的信號分別對一個負的和正的參比電平比較而產生的。兩個信號的時間積分是由信號倍加器和信號分離器來確定的。相位則是通過左面的位置檢測器來檢測?？偟牧髁啃盘柦洸蓸印C濾波和幅值放大后送至驅動板。流量信號送至驅動板的V/f轉換器，驅動板同時還利用來自溫度傳感器的信號對轉換標定予以控制，從而補償了溫度對測量管的剛性系數的影響。流體流動方向決定了流量信號的極性。流量信號和補償信號被送入隔離板。隔離板上有兩個光學耦合器，分別接收流量信號和方向信號，相應產生兩脈沖信號以符合下一級處理要求。這些耦合器有效地把輸出信號同儀表的其他電子部分隔離，防止電流信號由安全區進入到危險區。另外，每個耦合器靠齊納二極管和熔斷絲來保護不受倒流脈沖(電涌)的影響。

送到頻率和(或者)模擬輸出板是O~ 10000Hz信號，與質量流量成正比。 頻率板將信號量化(定標)后同外部設備連接。模擬板把頻率信號轉換成模擬信號送至外部設備。

2、MFS-IOOO系列轉換電路的特點

MFS-1000是具有數字信號處理功能 的轉換器，具有高容量的操作系統，并提供范圍寬、靈活多樣的軟件，最多數據可達16位。對輸入和輸出信號具有自檢查和自診斷功能。

來自傳感器的信號在輸入級轉變為數字量，并在每個周期內密集采樣(如圖5.13所示)，輸送至第一個微處理器，把兩個檢測器(A、B)測得的時間差換算成為科氏力位移之差，從而給出與質量流量成正比的信號。這種數字信號處理電路的特點如下。

①在每個測量周期內密集采樣，減少了偶然干擾因素的影響。

②對于傳感器信號的基本頻率有一極狹的帶通濾波器，因而得以減少噪聲的影響，如圖5.14所示。

第二個微處理器實現溫度計算和頻率補償，它有一個實時操作系統，實現測量和編程同步?？山o出測量、試驗和錯誤三種不同狀態，并能自診斷。