科氏流量计

　　科氏流量计全称为科里奥利质量流量计，是基于科里奥利力的原理而设计的，由于它可以直接测量质量流量、精度高和可以同时测量流体密度等优点，近年来发展迅速，在许多工业领域得到广泛的应用。

　　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, 图 1 科氏流量计测量管受力原理图 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)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.

　　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.

　　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 2 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