1、1科氏质量流量计研究和发展趋势科氏质量流量计研究和发展趋势Coriolis Mass Flowmeter2概述概述 在工业过程控制中，常需要对流体流量进行测量，在工业过程控制中，常需要对流体流量进行测量，流量测量的仪表有很多种，如孔板配合差压变送流量测量的仪表有很多种，如孔板配合差压变送器、涡街流量计、涡轮流量计等。近年来发展起器、涡街流量计、涡轮流量计等。近年来发展起来的新型流量计，有电磁流量计、超声波流量计、来的新型流量计，有电磁流量计、超声波流量计、质量流量计等。质量流量计等。 科里奥利质量流量计，或者简称科氏质量流量计，科里奥利质量流量计，或者简称科氏质量流量计，英文英文Corioli
2、s Mass Flowmeters, Coriolis Mass Flowmeters, 缩写缩写CMFCMF。3 流量（流量（flowrate)就是在单位时间内流体就是在单位时间内流体通过一定截面积的量。这个量用体积来通过一定截面积的量。这个量用体积来表示称为瞬时体积流量（）表示称为瞬时体积流量（）,简称体简称体积流量（也称容积流量），用流体的质积流量（也称容积流量），用流体的质量来表示称为瞬时质量流量（），量来表示称为瞬时质量流量（），简称质量流量简称质量流量流量计简介vqmq lim 0tVdtdVqtv体积流量：vtmvqtmdtdmq0lim 质量流量：4电磁流量计电磁流量计5FV-
3、602 FV-606 FV-607 FV-610 FV-615 FV-620Low Cost All-plastic Vortex Meters For Liquids Only with Flows As Low As 0.6 Gpm 涡街流量计Vortex Shedding Flowmeters 6涡街流量计原理及应用涡街流量计原理及应用1、涡街流量计、涡街流量计 (又称漩涡流量计又称漩涡流量计 ) ,是一种新是一种新型的流量仪表型的流量仪表 ,从从 70年代末出现至今年代末出现至今 ,相继相继出现了热敏式、压敏式、应力式、超声式、出现了热敏式、压敏式、应力式、超声式、 电容式等各种形式。
4、电容式等各种形式。2 、涡街流量计是利用流体力学中卡门涡街的原、涡街流量计是利用流体力学中卡门涡街的原理制作的一种仪表。当在流体流动的管道中理制作的一种仪表。当在流体流动的管道中放入一个柱体障碍物放入一个柱体障碍物(漩涡发生体漩涡发生体)时时 ,在发生在发生体下游的两侧就会交替地产生漩涡体下游的两侧就会交替地产生漩涡 ,这些漩这些漩涡就是卡门漩涡涡就是卡门漩涡 ,也称卡门涡街。也称卡门涡街。7涡街流量计原理及应用涡街流量计原理及应用对于涡街流量计对于涡街流量计 ,在一定雷诺数范围在一定雷诺数范围(1047106)内内 ,下列方程成立下列方程成立 :=St/式中式中 f: 发生体一侧产生的卡门涡
5、街频率；发生体一侧产生的卡门涡街频率； t: 斯特劳哈尔数斯特劳哈尔数 (无量纲数无量纲数 )； v: 流体的流速；流体的流速； :漩涡发生体的宽度漩涡发生体的宽度卡曼涡街 8涡街流量计原理涡街流量计原理 St的值与漩涡发生体宽度和雷诺数的值与漩涡发生体宽度和雷诺数Re有关。有关。当雷诺数当雷诺数Re 2 104情况下情况下 ,St为变数为变数 ;当当Re在在 2104 7106的范围内的范围内 ,St值基本值基本保持不变保持不变 ,这段范围为流量计的正常测量范围。这段范围为流量计的正常测量范围。斯特劳哈尔数和雷诺数的关系9涡街流量计原理涡街流量计原理 在漩涡发生体宽度和斯特劳哈尔数在漩涡发生
6、体宽度和斯特劳哈尔数为定值时为定值时 ,漩涡产生的频率与流体的漩涡产生的频率与流体的平均流速成正比平均流速成正比 。 因此因此 ,可以从漩涡产生的频率求出流体可以从漩涡产生的频率求出流体的平均流速。同样也可以得到流量为的平均流速。同样也可以得到流量为 =/ 式中式中 :为流量计的流量系数为流量计的流量系数 ,其物理意其物理意义是每升流体的脉冲数。当流量计的管义是每升流体的脉冲数。当流量计的管道内径和漩涡发生体宽度为确定值道内径和漩涡发生体宽度为确定值时时 ,值随之而确定。值随之而确定。10 在一定的雷诺数范围内在一定的雷诺数范围内 ,流量与漩流量与漩涡的频率成线性关系涡的频率成线性关系 ,只要
7、测量出漩涡只要测量出漩涡的频率就能求得流过流量计管道流体的频率就能求得流过流量计管道流体的体积流量。的体积流量。 涡街流量计特点：结构简单涡街流量计特点：结构简单 ,检测元件不检测元件不接触介质接触介质 ,可测腐蚀性、较脏介质可测腐蚀性、较脏介质 ,无运无运动件动件 ,可靠性高可靠性高 ,耐用性强耐用性强 ,使用命寿命使用命寿命长长 ,基本上无需维护。基本上无需维护。11卡门涡街流量计的优缺点其优点是其优点是 : 1 .仪表的标定系数不受流体压力、温度、密仪表的标定系数不受流体压力、温度、密度、粘度及成分变化的影响度、粘度及成分变化的影响 ,在更换检测元件在更换检测元件时不需重新标定时不需重新
8、标定 ;2 .量程比大量程比大 ,液体为液体为 1 5 1 ,气体为气体为 3 0 1 ;3 .管道口径不受限制管道口径不受限制 ,范范围很宽围很宽 ,为为(2 5 2 70 0 ) mm;4.压力损失相压力损失相当小当小 ;5.输出的电信号与流量成线性关系输出的电信号与流量成线性关系 ,准准确度较高确度较高 ,误差可误差可1; 6.安装简便安装简便 ,维修量维修量小小 ,故障极少。故障极少。12其缺点是其缺点是 : 1 .流速分布变动及脉动流将影响测量流速分布变动及脉动流将影响测量准确度准确度 ,仪表上下游有直管段要求仪表上下游有直管段要求 (前前2 0 D,后后 5D) ,必要时应在上游侧
9、加装整必要时应在上游侧加装整流片流片 ; 2 .测量元件被污染后将影响测量结果测量元件被污染后将影响测量结果 ,应定期用汽油、煤油、酒精对元件进行应定期用汽油、煤油、酒精对元件进行清洗。清洗。13超声波流量计UItrasonic flowmeter (Transmission speed difference method) 向流体发射超声信号，接收受到流体流动影响之后的超声向流体发射超声信号，接收受到流体流动影响之后的超声信号，由检测结果解算出流量的计量器具。目前主要有两信号，由检测结果解算出流量的计量器具。目前主要有两种测量方法即时差法（传播速度差法）和多普勒法。种测量方法即时差法（传播速
10、度差法）和多普勒法。 14超声波多普勒流量计超声波多普勒流量计Ultrasonic Doppler Flowmeters多用于固体液体两相流，或者气体液体两多用于固体液体两相流，或者气体液体两相流的测量。相流的测量。15热质量流量计工作原理热质量流量计工作原理 热质量流量计利用热扩散技术的原理实现流体质热质量流量计利用热扩散技术的原理实现流体质量流量的测量。热质量流量计的测量传感器元件由两量流量的测量。热质量流量计的测量传感器元件由两个温度检测元件组成。采用工业基准级铂热电阻个温度检测元件组成。采用工业基准级铂热电阻 () ,一个带有低功率加热源而被加热的称为主一个带有低功率加热源而被加热的称
11、为主 ,一个未被加热的称为参比。两个一个未被加热的称为参比。两个温度相比较有温度差温度相比较有温度差()。在流量为零时。在流量为零时 ,两个两个温度差最大温度差最大 ,随着元件流量增加随着元件流量增加 ,带走主带走主的热量增加的热量增加 ,主传感器被冷却主传感器被冷却 ,两个温度两个温度差减小。这个温度差实际上是质量流量值的对数函数。差减小。这个温度差实际上是质量流量值的对数函数。该温度差信号经线性电路转换成该温度差信号经线性电路转换成 4 2 0或或 1 5的输出信号。的输出信号。1617热质量流量计特点 热质量流量计作为新型的气体流量仪表热质量流量计作为新型的气体流量仪表 ,可以取代孔板、
12、可以取代孔板、文丘里管、阿纽巴流量元件等文丘里管、阿纽巴流量元件等 ,直接测量气体质量流量。直接测量气体质量流量。热质量流量计的特点有：热质量流量计的特点有： 测量可靠性高测量可靠性高 ; 压力损失小压力损失小 ; 无活动部件无活动部件 ; 量程比宽量程比宽 ; 响应速度快响应速度快 ; 测量精度高测量精度高 ; 重复性好重复性好 ; 无需温度、压力补偿。特别是在大管径、低流速、间歇无需温度、压力补偿。特别是在大管径、低流速、间歇 流量、流量变化范围大、微小流量测量时流量、流量变化范围大、微小流量测量时 ,具有更大的优具有更大的优越性。越性。18Whats Coriolis?什么是科里奥利？C
13、oriolis force appears in the paper Sur les quations du mouvement relatif des systmes de corps (1835). He showed that the laws of motion could be used in a rotating frame of reference if an extra force called the Coriolis acceleration is added to the equations of motion. 1835年法国数学家科里奥利年法国数学家科里奥利Gaspa
14、rd-Gustave de Coriolis在他的论文中指出了如果在他的论文中指出了如果在运动方程中加入科氏（哥氏在运动方程中加入科氏（哥氏 ，柯氏，柯氏 ）加速）加速度（度（Coriolis acceleration），则运动定律可），则运动定律可以应用于运动参考系。以应用于运动参考系。 与科氏加速度相对应则与科氏加速度相对应则有科氏力（有科氏力（Coriolis force）。）。有关科里奥利效应的例子：地质，探矿，飞行器和有关科里奥利效应的例子：地质，探矿，飞行器和航海的惯性导航，气象，火箭弹道，飞行器航线航海的惯性导航，气象，火箭弹道，飞行器航线（军事），飞行员（航空航天医学），流体测
15、量（军事），飞行员（航空航天医学），流体测量（气体，液体，两相流，固体粉末的流量和密度）（气体，液体，两相流，固体粉末的流量和密度）等。等。19小孩坐在旋转木马上，扔出一个球。现只考察小孩坐在旋转木马上，扔出一个球。现只考察(水水)平面上发生的事情。站在地平面上发生的事情。站在地面上我们观察，球的运动轨迹是一条直线，如图所示。站在小孩的角度，球是面上我们观察，球的运动轨迹是一条直线，如图所示。站在小孩的角度，球是按照什么轨迹运动的？如图所示，球按照曲线运动。站在小孩的角度，计算等按照什么轨迹运动的？如图所示，球按照曲线运动。站在小孩的角度，计算等效力比较棘手，但结果却非常简单，特别是采用矢量记
16、号。效力比较棘手，但结果却非常简单，特别是采用矢量记号。 rz框架（旋转木马和小孩）的旋转角速度矢量；球相对于框架的速度； 科氏力包含两项，径向和切向20用科氏力解释地球上的风不直线吹？用科氏力解释地球上的风不直线吹？ 由于气压差迫使风以直线行进，实际上由于气压差迫使风以直线行进，实际上,地地球上之风是弯曲的行进。球上之风是弯曲的行进。1835年年 法国科学法国科学家家Gustave-Gaspard Coriolis首先发现此一首先发现此一现象，为纪念他的发现故取名为现象，为纪念他的发现故取名为科氏效应科氏效应 ， 有时亦称有时亦称科氏力科氏力。 此一现象犹如你用一只尺在一各转动的纸盘此一现象
17、犹如你用一只尺在一各转动的纸盘上划一直线，上划一直线， 但结果则是一条弯曲的线但结果则是一条弯曲的线（如上图）。就如风从高压区吹向低压区时，（如上图）。就如风从高压区吹向低压区时，地球也不断的在旋转，迫使风的地球也不断的在旋转，迫使风的 行径弯曲。行径弯曲。21 在北半球，风偏向它行进的方向的右方弯在北半球，风偏向它行进的方向的右方弯曲。在南半球则向左弯曲。科氏力在赤道曲。在南半球则向左弯曲。科氏力在赤道上为上为0，在，在 两极最大。科氏力只会改变物两极最大。科氏力只会改变物体运动之方向，但不会改变它的速度。体运动之方向，但不会改变它的速度。 值得注意的是，科氏效应只会影响大范围值得注意的是，
18、科氏效应只会影响大范围（尺度）的运动，例如风之运动、飞机长（尺度）的运动，例如风之运动、飞机长程之航行、洲际飞程之航行、洲际飞 弹之航程，均需将科氏弹之航程，均需将科氏效应考量进去，否则是不会准确到达目的效应考量进去，否则是不会准确到达目的地。地。 22有关科里奥利效应的例子压电平板微机械陀螺压电平板微机械陀螺 微机械压电振动陀螺微机械压电振动陀螺材料：材料：PZT薄膜薄膜极化方向：沿厚度极化方向：沿厚度z方向方向在极化方向上施加交流激励在极化方向上施加交流激励电压，将产生厚度伸缩振动电压，将产生厚度伸缩振动当有绕当有绕y轴的角速度时，轴的角速度时，由于哥氏效应，哥氏力作由于哥氏效应，哥氏力作
19、用在振子用在振子xz平面上，产生平面上，产生剪切应力。由剪切应力。由PZT的压电的压电方程可知，在方程可知，在x方向将产方向将产生一正比于输入角速度大生一正比于输入角速度大小的感应电压。小的感应电压。 23科里奥利错觉与科里奥利反应科里奥利错觉与科里奥利反应 在飞行中在飞行中 ,飞机绕一旋转轴转动时飞机绕一旋转轴转动时(如盘旋、如盘旋、横滚和螺旋等横滚和螺旋等 ),若舱内飞行员的头部也同若舱内飞行员的头部也同时作位移或转动运动时作位移或转动运动 ,或者飞行器同时绕或者飞行器同时绕两个或三个轴作转动运动的情况下两个或三个轴作转动运动的情况下 (如做如做半筋斗横滚等特技动作时半筋斗横滚等特技动作时
20、 ),飞行员飞行员 (头部头部 )就会获得一种特殊的加速度就会获得一种特殊的加速度 ,称称“科里奥科里奥利加速度利加速度”。这种加速度因最先为法国工。这种加速度因最先为法国工程师和数学家程师和数学家Coriolis所确定而得名。所确定而得名。24 飞行员受此加速度作用时所感受到的翻转、飞行员受此加速度作用时所感受到的翻转、滚转或旋转的复合感觉就称为科里奥利错滚转或旋转的复合感觉就称为科里奥利错觉觉(Coriolis illusion)。当科里奥利加速度。当科里奥利加速度作用于人体时产生的相应惯性力称为作用于人体时产生的相应惯性力称为“科科里奥利力里奥利力 。此力作用于前庭器官即引起。此力作用于
21、前庭器官即引起各种科里奥利加速度生理效应各种科里奥利加速度生理效应(Coriolis effects),称为科里奥利反应称为科里奥利反应(Coriolis reaction),包括包括 :前庭知觉反应前庭知觉反应 ,主要是眩晕主要是眩晕和错觉和错觉 ;前庭躯体反应前庭躯体反应 ,如眼震、骨骼肌紧如眼震、骨骼肌紧张度改变和躯体向一侧倾斜等张度改变和躯体向一侧倾斜等 ;前庭植物神前庭植物神经反应经反应 ,如发热感、面色苍白、出汗、唾液如发热感、面色苍白、出汗、唾液分泌增加、恶心和呕吐等。分泌增加、恶心和呕吐等。25 科里奥利错觉在科里奥利反应中较先发生科里奥利错觉在科里奥利反应中较先发生 ,仅次于
22、眼震仅次于眼震 ,以后再相继出现发热感、头晕、以后再相继出现发热感、头晕、出汗、面色苍白、恶心和呕吐等植物神经出汗、面色苍白、恶心和呕吐等植物神经症状。据报道引起错觉的科里奥利加速度症状。据报道引起错觉的科里奥利加速度阈值仅为阈值仅为0.0100.042cm/s2。调查显。调查显示示 :有有50%的飞行员在飞行中体验过这种错的飞行员在飞行中体验过这种错觉。觉。F- 16、苏、苏-27为代表的高性能战斗机为代表的高性能战斗机 ,具有持续高加速度具有持续高加速度 (+GZ)、高加速度增长、高加速度增长率、高角加速度的特点率、高角加速度的特点 ,更易导致飞行中严更易导致飞行中严重的科里奥利错觉的发生
23、。严重危害飞行重的科里奥利错觉的发生。严重危害飞行安全。安全。26什么是科里奥规律？What is the Coriolis Principle? 27科氏力(CORIOLIS FORCE)质量质量M沿着路径沿着路径B从中心向着旋转圆盘的边缘从中心向着旋转圆盘的边缘运动，质量运动，质量M由管壁由管壁A导引。施加到管壁上的导引。施加到管壁上的科氏力可以表示如下：科氏力可以表示如下：: Fc = -2 M V W 28当牵连运动是任意规律的定轴转动时，点的加当牵连运动是任意规律的定轴转动时，点的加速度中将包含科氏加速度。称为哥氏定理。速度中将包含科氏加速度。称为哥氏定理。 设动点设动点M在圆盘上半
24、径是在圆盘上半径是r的圆槽内相对于圆盘以的圆槽内相对于圆盘以大小不变的速度大小不变的速度vr作圆周作圆周运动，同时圆盘以匀角速运动，同时圆盘以匀角速绕定轴绕定轴O转动。转动。哥氏加速度rkva229 相对运动：动点相对运动：动点M对于圆盘的匀速圆周运动。对于圆盘的匀速圆周运动。相对速度是相对速度是vr；相对加速度，方向指向圆心；相对加速度，方向指向圆心O，大小等于，大小等于2rr nraav r30n 牵连运动：圆盘以匀角速率牵连运动：圆盘以匀角速率绕定轴绕定轴O的转的转动，它携带着动点动，它携带着动点M。动点动点M的牵连速度等的牵连速度等于圆盘上与动点瞬时相重合之点于圆盘上与动点瞬时相重合之
25、点E的速度的速度 rvvEne牵连加速度牵连加速度，方向指向轴，方向指向轴O，大小，大小等于等于2raaEne31n绝对运动：绝对运动：M作半径等于作半径等于r的圆周运的圆周运动。由于动。由于vr与与ve同方向，所以点同方向，所以点M的的绝对速度的方向垂直于绝对速度的方向垂直于OM，大小为，大小为 rreavrvvv点点M的绝对加速度，方向指向轴的绝对加速度，方向指向轴O，大小等于大小等于2222()2=arrarerkvrvvarv a a arrr 3233科氏质量流量计科氏质量流量计 Coriolis力是由法国数学家力是由法国数学家Gustave Coriolis于于19世纪发现的，自世
26、纪发现的，自50年代起，年代起，人们就尝试将人们就尝试将Coriolis力原理用于质量流力原理用于质量流量测量，量测量，70年代末，年代末，Micro Motion公司正公司正式推出了基于式推出了基于Coriolis力原理的实用化谐力原理的实用化谐振式振式CMF，此后的，此后的CMF都采用了与此相似都采用了与此相似的工作原理。的工作原理。34 目前目前 ,已投入实际应用的的主要性能如已投入实际应用的的主要性能如下：下： 可测流体种类可测流体种类 :液体、含少量气体或固体的液体、含少量气体或固体的液体、部分气体液体、部分气体 ; 流量测量范围流量测量范围 :一般一般 5 1 1 0 1 ,最高最
27、高 1 50 1 ; 流量测量精度流量测量精度 :基本误差基本误差 0 . 1 0 % 0 . 2 % 读数值读数值 ,零点不稳定性误差零点不稳定性误差 0 .0 1 % 0 . 0 4%满量程值满量程值 ; 适用管径适用管径 :中小管径中小管径 ,一般不超过一般不超过 1 50 ; 补偿补偿 :可实现温度和压力补偿可实现温度和压力补偿 ; 输出信号输出信号 :电流、频率或脉冲电流、频率或脉冲 ,并可与计算并可与计算机通信。机通信。35应用概况应用概况 CMF主测量参量是质量流量，第二主测量参量是质量流量，第二测量参量是流体密度，还有附加测量参测量参量是流体密度，还有附加测量参量流体温度。此外
28、，从质量流量和流体量流体温度。此外，从质量流量和流体密度衍生出测量体积流量，双组分溶液密度衍生出测量体积流量，双组分溶液中溶质的浓度或不相溶第二组分浓度，中溶质的浓度或不相溶第二组分浓度，液固双相流中固相含量。液固双相流中固相含量。CMF应用最多应用最多的是需要考核质量（不是品种的质量，的是需要考核质量（不是品种的质量，是是mass）为目标的计量总量或控制）为目标的计量总量或控制/测测量流量，具体说有：贸易结算交接计量量流量，具体说有：贸易结算交接计量或企业内部核算计量；批量生产（或企业内部核算计量；批量生产（batch process）材料的分批计量（替代以前）材料的分批计量（替代以前费工费
29、时的称重计量）；管道混合费工费时的称重计量）；管道混合（blending）的控制。）的控制。36 密度是密度是CMF测量的第二参量，在生产过程中做品测量的第二参量，在生产过程中做品质指标控制，如溶液稀释程度，交接时防止卖方质指标控制，如溶液稀释程度，交接时防止卖方有意稀释；在溶液中求取溶质浓度，测量溶液中有意稀释；在溶液中求取溶质浓度，测量溶液中溶质流量或总量，如油井中流出油水混合液中油溶质流量或总量，如油井中流出油水混合液中油的产量；辨别流动中液体种类，分路发送，如区的产量；辨别流动中液体种类，分路发送，如区分管系成品液和清洗液交替流动，分送下游不同分管系成品液和清洗液交替流动，分送下游不同
30、管道。管道。 CMF早期仅用于液体，然后扩展应用于高压早期仅用于液体，然后扩展应用于高压气体，到气体，到90年代初才有适用于中压气体的仪表。年代初才有适用于中压气体的仪表。据据Micro Motion公司称：迄公司称：迄1997年该公司已有年该公司已有7500台台CMF应用于气体，其中服务于压缩天然应用于气体，其中服务于压缩天然气汽车加注站的气汽车加注站的CMF有有6000台。台。37 CMF应用于高压天然气汽车加注站已趋成熟，渐应用于高压天然气汽车加注站已趋成熟，渐成共识。成共识。OIML（国际法制计量组织）为此制订（国际法制计量组织）为此制订“国际计量规程国际计量规程”，2000年年1月发
31、出第月发出第1稿委员会稿委员会草案征求意见。在我国中国测试技术研究院开发草案征求意见。在我国中国测试技术研究院开发的的CMF亦于亦于1996年试用于汽车加注站，迄年试用于汽车加注站，迄1999年已装用了数十台。年已装用了数十台。 国外一市场分析公司对国外一市场分析公司对CMF应用于各产业分应用于各产业分布的估计：石油化工占布的估计：石油化工占57%，能源和公用事业，能源和公用事业18%，食品饮料和医药工业，食品饮料和医药工业14%，其他，其他11%，其，其中食品医药占有相当比例。在国内应用较多的产中食品医药占有相当比例。在国内应用较多的产业是资金雄厚的石油、化工、能源等业，而食品业是资金雄厚的
32、石油、化工、能源等业，而食品工业用得很少。工业用得很少。38CMF分类分类 CMF发展到现在已有发展到现在已有30余系列，其主要区别在余系列，其主要区别在于流量传感器测量管结构上的创新；提高仪表于流量传感器测量管结构上的创新；提高仪表精度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管桡精度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管桡度、改善应力分布、降低疲劳损坏；加强抗振度、改善应力分布、降低疲劳损坏；加强抗振动干扰能力等。因而，测量管出现了多种形状动干扰能力等。因而，测量管出现了多种形状结构，因此本节仅就不同角度作分类和讨论：结构，因此本节仅就不同角度作分类和讨论： 按测量管形状分类，有弯曲形和直形；按测量管形
33、状分类，有弯曲形和直形； 按测量管段数分类，有单管型和双管型；按测量管段数分类，有单管型和双管型； 按双管型测量管段的连接方式分类，有并联型按双管型测量管段的连接方式分类，有并联型和串联型；和串联型； 按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类，有平行方式和垂直方式。布置方式分类，有平行方式和垂直方式。39按测量管形状分类按测量管形状分类 （1）弯曲形：首先投入市场是）弯曲形：首先投入市场是U字型，现在已开发并继续生产的形状有字型，现在已开发并继续生产的形状有字型、字型、S字型、字型、B字型、圆环型、长圆字型、圆环型、长圆环型等。设计成弯曲形状
34、是为了降低刚环型等。设计成弯曲形状是为了降低刚性，与直形管相比可以采用较厚管壁；性，与直形管相比可以采用较厚管壁；但易积存气体和残渣而引起附加误差。但易积存气体和残渣而引起附加误差。40 2）直形：直形测量管）直形：直形测量管CMF不易积存不易积存气体及便于清洗。垂直安装测量浆液气体及便于清洗。垂直安装测量浆液时，固体颗粒不易在暂停运行时沉积时，固体颗粒不易在暂停运行时沉积于管内。流量传感器尺寸小，重量轻，于管内。流量传感器尺寸小，重量轻，但管壁相对较薄，测量值受磨蚀影响但管壁相对较薄，测量值受磨蚀影响相对显著。但近年原制造弯曲形相对显著。但近年原制造弯曲形CMF的企业纷纷开发直管形，直管形系
35、列的企业纷纷开发直管形，直管形系列有增加的趋势。有增加的趋势。41按测量管段数分类按测量管段数分类 测量管段是流体通过各自振动并检测科里奥利力测量管段是流体通过各自振动并检测科里奥利力划分的独立测量管。划分的独立测量管。 （1）单管型：初期开发的产品是单管型，）单管型：初期开发的产品是单管型，因易受外界振动干扰影响，后多趋向于双管型以因易受外界振动干扰影响，后多趋向于双管型以相互抵消振动影响。但近年开发新型号又有转向相互抵消振动影响。但近年开发新型号又有转向单管的趋势。单管的趋势。 （2）双管型：双管型可降低外界振动的敏）双管型：双管型可降低外界振动的敏感性，容易实现相位差的测量。感性，容易实
36、现相位差的测量。42按双管型测量管段的连接方式分类按双管型测量管段的连接方式分类 （1）并联型：流体流入传感器后经上）并联型：流体流入传感器后经上游管道分流器（游管道分流器（mainfold）分成两路进入）分成两路进入并联的两根测量管段，然后经与分流器形并联的两根测量管段，然后经与分流器形状相同的集流器进入下游管道。分流器要状相同的集流器进入下游管道。分流器要尽可能等量分配，但使用过程中分流器沉尽可能等量分配，但使用过程中分流器沉积粘附异物或磨损会改变原流动状态，引积粘附异物或磨损会改变原流动状态，引起零点飘移，产生附加误差。起零点飘移，产生附加误差。 （2）串联型：流体流过第一测量管段）串联
37、型：流体流过第一测量管段经导流块引入第二测量管段。本方式不会经导流块引入第二测量管段。本方式不会产生因分流变化所引起的缺点，适用于对产生因分流变化所引起的缺点，适用于对切变敏感的流体。切变敏感的流体。43按测量管流体流动方向和工艺管道流按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类动方向间布置方式分类 （1）平行方式：测量管的布置使流）平行方式：测量管的布置使流体流动方向与工艺管道流动方向平行，采体流动方向与工艺管道流动方向平行，采用这种方式的型号较多。用这种方式的型号较多。 （2）垂直方向：测量管道布置得与）垂直方向：测量管道布置得与工艺管道垂直，流量传感器整体不在管道工艺管道垂直，流
38、量传感器整体不在管道振动干扰作用的平面内，抗管道振动干扰振动干扰作用的平面内，抗管道振动干扰的能力强。的能力强。44典型U型科里奥利质量流量计结构45U型科氏质量流量计结构46U型科氏质量流量计外形RCCT Integral Series RCCS Remote Series 4748No Flow:Parallel Deflection Mass Flow:Coriolis Twist 49时间差lNow consider the diagram below. The baseline deflection of the tubes from the Driver is shown by t
39、he blue trend and the Coriolis Twist from the Pickup Coil is designated by the red trend. 50U型管科氏流量计质量流量方程Mass flow equationM=Mass flow rate 质量流量质量流量Ac=Amplitude of Coriolis oscillation科氏振动幅度科氏振动幅度Ae=Amplitude of excitation oscillation激励振动幅度激励振动幅度Ac/Ae=Phase Angle相位角相位角Sk=Sensor constant (calibratio
40、n constant)传感器常数传感器常数(校准校准常数常数)=Sk(20) (1+Skt x (T-20) temperature correctionSk(20)=Sensor constant at 20 传感器常数传感器常数fv=Excitation frequency激励频率激励频率Skt=Temperature correction coefficient (material constant)温度校正系数，材料系数温度校正系数，材料系数51U型管科氏流量计密度方程p=Density密度密度fI(20)=Exciting frequency of the empty tubes a
41、t 20空管激励频率空管激励频率fv(20)=Exciting frequency of the filled tubes at 20有流体时管道激励频率有流体时管道激励频率KD=Density calibration constant密度校准常数密度校准常数fv(20)=fv / (1+FKT (T - 20 ) temperature correction of the actual frequency实际频率的温度修正实际频率的温度修正FKT=Temperature correction coefficient, depending on material and size温度修正系数，
42、与材料和尺寸有关温度修正系数，与材料和尺寸有关52单直管科氏流量计美国Micro Motion (branch of Fisher-Rosemount)53单直管科氏流量计外形Mfm4085MFM4085K和F(G+系列)mfm3081MFM3081K和F(E系列)54单直管科氏流量计剖视图55科氏质量流量计的特点科氏质量流量计的特点优点CMFs Advantages 直接测量得到质量流量，而不是靠推导的方直接测量得到质量流量，而不是靠推导的方法来求得法来求得.有很高的测量精确度有很高的测量精确度 可测流体范围广，包括高粘度液的各种液体，可测流体范围广，包括高粘度液的各种液体，含有固形物的浆液
43、，含有少量均匀分布气体含有固形物的浆液，含有少量均匀分布气体的液体，有足够密度的气体（压力较高的气的液体，有足够密度的气体（压力较高的气体）。主要用于测量液体、悬浮液、乳浊液体）。主要用于测量液体、悬浮液、乳浊液和气体的质量流量、密度和温度。和气体的质量流量、密度和温度。56 测量管的振幅小，可视作非活动部件；测测量管的振幅小，可视作非活动部件；测量管内无阻碍件或活动件。量管内无阻碍件或活动件。 对迎流流速分对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。布不敏感，因而无上下游直管段要求。 流量测量值对流体粘度不敏感，流体密度流量测量值对流体粘度不敏感，流体密度对流量测量值的影响极微。对流量测量
44、值的影响极微。 CMF可作多参数测量。测质量流量的同期可作多参数测量。测质量流量的同期可测流体密度和温度，还可衍生测量体积可测流体密度和温度，还可衍生测量体积流量、溶质浓度、液固双相流体（或不相流量、溶质浓度、液固双相流体（或不相溶双组分液体）异相（或异成分）的含量。溶双组分液体）异相（或异成分）的含量。此外还可确定累积流量、体积流量、流动此外还可确定累积流量、体积流量、流动方向、和浓度等。方向、和浓度等。57单直管科氏质量流量测量原理单直管科氏质量流量测量原理Measuring principle 测量管为两端固支的薄壁弹性管测量管为两端固支的薄壁弹性管 ,当在管中当在管中间施加激振力间施加
45、激振力 =sin时时 ,在两支承点在两支承点间产生对称于中点的主振动。若有流体流过间产生对称于中点的主振动。若有流体流过测量管测量管 ,则在管的左、右半段产生大小相等、则在管的左、右半段产生大小相等、方向相反的方向相反的Coriolis力力 , Coriolis力使测量管力使测量管产生副振动。该副振动反对称于测量管的中产生副振动。该副振动反对称于测量管的中点点 ,其幅值及相位均为被测质量流量的函数，其幅值及相位均为被测质量流量的函数，通常可表示为线性关系。检测副振动的幅值通常可表示为线性关系。检测副振动的幅值或相位或相位 ,即可确定被测流体的质量流量。科即可确定被测流体的质量流量。科氏质量流量
46、计氏质量流量计,流量大小与相位差成正比关系。流量大小与相位差成正比关系。通过测量固有振动频率就可求得介质密度。通过测量固有振动频率就可求得介质密度。58Exciter coilVibration sensorVibration sensorDistortion直管谐振式测量管的示意图59单直管科氏质量流量计特点单直管科氏质量流量计特点Single-Straight-Tube CMFs Advantages优点：优点： 紧凑、自排空、保持清洁，免维护。更适于测量高黏度和紧凑、自排空、保持清洁，免维护。更适于测量高黏度和糊状介质。相对于相同内径的流量计，压力损失小糊状介质。相对于相同内径的流量计，
47、压力损失小 具有结构简单，制造成本低的优点，是科氏质量流量计的具有结构简单，制造成本低的优点，是科氏质量流量计的一个发展方向。一个发展方向。缺点：缺点： 信号微弱，比弯管小一个数量级。通常无法采用常规的时信号微弱，比弯管小一个数量级。通常无法采用常规的时间差方法来检测。需要采用特殊的数字信号处理方法。间差方法来检测。需要采用特殊的数字信号处理方法。 温度应力大。应力大，可能造成破坏或者失效；应力大，温度应力大。应力大，可能造成破坏或者失效；应力大，影响弹性模量，对于测量结果需要补偿。影响弹性模量，对于测量结果需要补偿。 对于单管结构，易受外界振动干扰。对于单管结构，易受外界振动干扰。60科氏质
48、量流量计的缺点科氏质量流量计的缺点 有相当一部分有相当一部分CMF设计流速很高，产生较大的设计流速很高，产生较大的压力损失。有些型号压力损失。有些型号CMF的压力损失比容积式的压力损失比容积式仪表大仪表大100%。 当前当前CMF的最大口径为的最大口径为150mm，不能用大管，不能用大管径测量。相当部分型号径测量。相当部分型号CMF的重量和体积较大。的重量和体积较大。 只能用于中高压气体，不能用于低压气体。一只能用于中高压气体，不能用于低压气体。一般认为现有般认为现有CMF气体压力不能低于气体压力不能低于0.1MPa。因为低压气体密度很低，质量流量很小，不能因为低压气体密度很低，质量流量很小，
49、不能达到产生足够可检测的科里奥利力。达到产生足够可检测的科里奥利力。61 液体中气泡含量超过某一界限会显著液体中气泡含量超过某一界限会显著影响测量值。影响测量值。 对外界振动干扰较敏感。为防止管道对外界振动干扰较敏感。为防止管道振动影响，相当一部分型号振动影响，相当一部分型号CMF的流的流量传感器安装要求较高。量传感器安装要求较高。 价格较贵。价格较贵。62一种科氏流量计的原理框图一种科氏流量计的原理框图传感器 sensors信号转换器 A/D ConverterDSP 质量流量、密度计算、压力温度补偿校正工控计算机 Industry PC电流输出0/4-20mA; 脉冲输出0-1300Hz;
50、RS485,Modbus,HART频率合成20W开关电源, +24V,+5V, -5V 输入100-230V(48-63Hz)功率放大 Power Amp.温度tempressure 压力peratureupstream & downstream sensor signals可编程计时器(分频)电路 Counter/Timer晶体振荡电路 Crystal Osc.定时信号通道选择与 采样保持 控制电路 Control Logic单片机SCM 谐振频率控制 流量显示 通信接口FFT-Power Spectrum-Cross Correlation- Fourier coefficients-ph
