一文读懂科里奥利质量流量传感器

作者：田雨

1.流体动力学基础

物理学的一个基本定律是质量守恒定理，物质既不能被创造，也不能被消灭。在没有物质流入和流出的情况下，不管边界如何变化，质量始终保持不变。然而，当有物质流入或流出边界时，流入与流出的总和一定为零。不论何种物质流入并且没有留存，它一定会流出。在同样的时间间隔内测量流入系统的质量(Min)与流出系统的质量(Mout)，两者相等。因此

在机械工程中，流动并且可以被测量的运动介质包括液体(水、油、溶剂如汽油等)、空气、气体(氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水蒸气等)。通常我们所说的“流率” “流速”或“速率”是指运动流体内微小体积的运动速度。

2. 科里奥利流量计

和那些测量流速或者体积的传感器不同，科里奥利流量计直接测量质量流量。由于科里奥利流量计不受流体压力、温度、黏度和密度的影响，因此科里奥利流量计可以在未经校准和没有参数补偿的条件下测量特殊流体。这种传感器最初主要用于液体，但是现在也可以用于气体测量了。

科里奥利流量计是以法国工程师、物理学家科里奥利 (1792—1843)的名字命名的。典型的科里奥利传感器由一个或两个具有入口和出口的振动管组成。管子的典型材料是不锈钢，它可以有效防止管子及其衬套受到由流体引起的机械或者化学损伤，从而保证测量的准确性。管子的外形有包括U形在内的各种形状。薄一点儿的管子用于气体，厚一点的管子更适合于液体。科里奥利管通过辅助的机电驱动系统产生振动。

流体从入口进入传感器。基于流体对振动管的作用来确定质量流量。随着流体的流出，由于管子的振动，流体产生的加速度会让仪器受到大小不同的力。

由流体产生的科里奥利力可以表示为

F=2mωv

这里，m代表质量;ω代表旋转角频率;v为流体平均速度的矢量。

在这种力的作用下，当流体流经振荡环时，管子产生扭转运动。扭转量的大小直接与通过管子的质量流量成正比。下图a)展示了科里奥利流管无流体时的状况，图b)展示了科里奥利管有流体存在时的状况。

在无流体状况下，管子在入口和出口的振动相同，并且两者之间的正弦波没有相位差。在有流体状况下，管子做扭转运动，进口和出口两端振动状况不同并带有一定的相位偏移(图c)。变送器测量左右检测信号之间的滞后时间，这个时间差乘上流量标定系数就可确定质量流量。

科里奥利传感器主要缺点是其初始成本太高。但是，科里奥利传感器能的通用性非常适合于需要测量多种类型流体的应用场合，并且气体领域也越来越多地开始应用科里奥利流量计。下图展示了科里奥利U形传感器，作为油轮输油管的一部分，这种传感器能够测量3200t/h的质量流量。

更多资料详见由机械工业出版社出版的《现代传感器手册：原理、设计及应用》一书。

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