科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理（1）
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱CMF）是利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。
20世紀(jì)70年代后期商品化實(shí)用性CMF由美國(guó)Micro Motion公司首先推向市場(chǎng)，到80年代中后期各國(guó)儀表廠相繼開(kāi)發(fā)。迄1995年，世界已有40家以上推出各種結(jié)構(gòu)的CMF，世界范圍裝用量估計(jì)在18萬(wàn)～20萬(wàn)臺(tái)之間。1995年世界年銷售量估計(jì)在4萬(wàn)～4.5萬(wàn)臺(tái)之間。
在我國(guó)CMF應(yīng)用起步較晚，從80年代中期引進(jìn)成套裝置附帶進(jìn)口少量?jī)x表開(kāi)始，到技術(shù)改造所需單臺(tái)進(jìn)口，迄1997年估計(jì)裝用量在3500～4500臺(tái)之間。1997年我國(guó)已有4家制造廠自行開(kāi)發(fā)CMF供應(yīng)社會(huì)，如太行儀表廠已有完整的LZL系列，還組建有幾家合資企業(yè)引進(jìn)國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)系列儀表。
1. 原理與結(jié)構(gòu)
如圖1所示，當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)以速度V在對(duì)P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)分量的加速度及其力：
① 法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于ω2r，朝向P軸；
?、?切向角速度αt，即科里奧利加速度，其值等于2ωV，方向與αr垂直。由于復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在質(zhì)點(diǎn)的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用著一個(gè)反向力-Fc=-2ωVm。
當(dāng)密度為ρ的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動(dòng)時(shí)，任何一段長(zhǎng)度Δχ的管道將受到一個(gè)切向科里奧利力ΔFc ,
ΔFc=2ωVρAΔx （1）
式中A--管道的流通截面積，由于質(zhì)量qm=ρVA，所以
ΔFc =2ωqmΔx （2）
因此，直接或間接測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管中流動(dòng)流體的科里奧利力就可以測(cè)得質(zhì)量流量。
然而，通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生科里奧利力是困難的，目前CMF均代之以管道振動(dòng)產(chǎn)生，即由二端固定的薄壁測(cè)量管，在中點(diǎn)處以測(cè)量管諧振或接近諧振的頻率（或其高次諧波頻率）所激勵(lì)，在管內(nèi)流動(dòng)的流體產(chǎn)生科里奧利力，使中點(diǎn)前后兩半段產(chǎn)生方向相反的橈曲，用電磁學(xué)（或光學(xué)），方法檢測(cè)橈曲量以求得質(zhì)量流量。
又因流體密度會(huì)影響測(cè)量管的振動(dòng)頻率，而密度與頻率有固定的關(guān)系，因此CMF也可測(cè)量流體密度。
CMF由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器（或流量計(jì)算機(jī)）兩部分組成。圖2為流量傳感器一例，主要由測(cè)量管及其支撐固定橋架，測(cè)量管振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)中線圈A或檢測(cè)探頭B，修正測(cè)量管材料楊氏模量溫度影響的測(cè)溫元件等組成。轉(zhuǎn)換器主要由振動(dòng)源單元、信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理單元等組成；流量計(jì)算則還有組態(tài)設(shè)定、工程單位換算、信號(hào)顯示和與上位機(jī)通信等功能。
2. 優(yōu)點(diǎn)
?。?）直接測(cè)量質(zhì)量流量，有很高的測(cè)量**度。
?。?）可測(cè)流體范圍廣，包括高粘度液的各種液體，含有固形物的漿液，含有少量均勻分布?xì)怏w的液體，有足夠密度的氣體（壓力較高的氣體）。
?。?）測(cè)量管的振幅小，可視作非活動(dòng)部件；測(cè)量管內(nèi)無(wú)阻礙件或活動(dòng)件。
?。?）對(duì)迎流流速分布不敏感，因而無(wú)上下游直管段要求。
（5）流量測(cè)量值對(duì)流體粘度不敏感，流體密度對(duì)流量測(cè)量值的影響極微。
?。?）一臺(tái)CMF可作多參數(shù)測(cè)量。測(cè)質(zhì)量流量的同期可測(cè)流體密度和溫度，還可衍生測(cè)量體積流量、溶質(zhì)濃度、液固雙相流體（或不相溶雙組分液體）異相（或異成分）的含量。
3. 缺點(diǎn)
?。?）有相當(dāng)一部分CMF設(shè)計(jì)流速很高，產(chǎn)生較大的壓力損失。有些型號(hào)CMF的壓力損失比容積式儀表大100%。
?。?）當(dāng)前CMF的*大口徑為150mm，不能用大管徑測(cè)量。相當(dāng)部分型號(hào)CMF的重量和體積較大。
?。?）只能用于中高壓氣體，不能用于低壓氣體。一般認(rèn)為現(xiàn)有CMF氣體壓力不能低于0.1MPa。因?yàn)榈蛪簹怏w密度很低，質(zhì)量流量很小，不能達(dá)到產(chǎn)生足夠可檢測(cè)的科里奧利力。
?。?）液體中氣泡含量超過(guò)某一界限會(huì)顯著影響測(cè)量值。
?。?）對(duì)外界振動(dòng)干擾較敏感。為防止管道振動(dòng)影響，相當(dāng)一部分型號(hào)CMF的流量傳感器安裝要求較高。
?。?）價(jià)格較貴。
4. 分類
CMF發(fā)展到現(xiàn)在已有30余系列，其主要區(qū)別在于流量傳感器測(cè)量管結(jié)構(gòu)上的**；提高儀表精度、穩(wěn)定性、靈敏度等性能；增加測(cè)量管橈度、改善應(yīng)力分布、降低疲勞損壞；加強(qiáng)抗振動(dòng)干擾能力等。因而，測(cè)量管出現(xiàn)了多種形狀結(jié)構(gòu)，因此本節(jié)僅就不同角度作分類和討論：
按測(cè)量管形狀分類，有彎曲形和直形；
按測(cè)量管段數(shù)分類，有單管型和雙管型；
按雙管型測(cè)量管段的連接方式分類，有并聯(lián)型和串聯(lián)型；
按測(cè)量管流體流動(dòng)方向和工藝管道流動(dòng)方向間布置方式分類，有平行方式和垂直方式。
4.1 按測(cè)量管形狀分類
（1）彎曲形：首先投入市場(chǎng)是U字型，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)并繼續(xù)生產(chǎn)的形狀有Ω字型、S字型、B字型、圓環(huán)型、長(zhǎng)圓環(huán)型等。設(shè)計(jì)成彎曲形狀是為了降低剛性，與直形管相比可以采用較厚管壁；但易積存氣體和殘?jiān)鸶郊诱`差。
?。?）直形：直形測(cè)量管CMF不易積存氣體及便于清洗。垂直安裝測(cè)量漿液時(shí)，固體顆粒不易在暫停運(yùn)行時(shí)沉積于管內(nèi)。流量傳感器尺寸小，重量輕，但管壁相對(duì)較薄，測(cè)量值受磨蝕影響相對(duì)顯著。但近年原制造彎曲形CMF的企業(yè)紛紛開(kāi)發(fā)直管形，直管形系列有增加的趨勢(shì)。
4.2 按測(cè)量管段數(shù)分類
這里所指測(cè)量管段是流體通過(guò)各自振動(dòng)并檢測(cè)科里奧利力劃分的獨(dú)立測(cè)量管。
（1）單管型：初期開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品是單管型，因易受外界振動(dòng)干擾影響，后多趨向于雙管型以相互抵消振動(dòng)影響。但近年開(kāi)發(fā)新型號(hào)又有轉(zhuǎn)向單管的趨勢(shì)。
?。?）雙管型：雙管型可降低外界振動(dòng)的敏感性，容易實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量。
4.3 按雙管型測(cè)量管段的連接方式分類
（1）并聯(lián)型：流體流入傳感器后經(jīng)上游管道分流器（mainfold）分成兩路進(jìn)入并聯(lián)的兩根測(cè)量管段，然后經(jīng)與分流器形狀相同的集流器進(jìn)入下游管道。分流器要盡可能等量分配，但使用過(guò)程中分流器沉積粘附異物或磨損會(huì)改變?cè)鲃?dòng)狀態(tài)，引起零點(diǎn)飄移，產(chǎn)生附加誤差。
?。?）串聯(lián)型：流體流過(guò)**測(cè)量管段經(jīng)導(dǎo)流塊引入**測(cè)量管段。本方式不會(huì)產(chǎn)生因分流變化所引起的缺點(diǎn)，適用于對(duì)切變敏感的流體。
4.4 按測(cè)量管流體流動(dòng)方向和工藝管道流動(dòng)方向間布置方式分類
?。?）平行方式：測(cè)量管的布置使流體流動(dòng)方向與工藝管道流動(dòng)方向平行，采用這種方式的型號(hào)較多。
?。?）垂直方向：測(cè)量管道布置得與工藝管道垂直，流量傳感器整體不在管道振動(dòng)干擾作用的平面內(nèi)，抗管道振動(dòng)干擾的能力強(qiáng)。
