摘 要：科氏质量流量计正常工作时，测量管振动使管内测量介质产生科里奥利力。科里奥利力越大，流动介质与测量管壁间的摩擦力就越大，产生的流量计压损也越大。而科里奥利力的大小与测量介质的流速成比例关系。所以科氏质量流量计选型时应当考虑测量介质流速的影响。

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    科氏质量流量计测量精度高，测量不受介质物性影响，无上、下游直管段长度的要求。而且科氏质量流量计是智能化程度很高的仪表，其变送器除了质量流量，能输出转化成4～20mA或者脉冲信号或者总线信号的体积流量、密度、温度、粘度和浓度等流程参数；还能输出转化成继电器触点或者NAMOUR信号的空管检测信号；甚至无需批处理控制器，直接对阀门进行两段式开闭控制。所以科氏质量流量计广泛应用于化学、制药、能源、橡胶、造纸、食品等各工业部门，在配料、装车和贸易交接中相当适用。

    通过所设计的一些选用科氏质量流量计的工程，关于选型方面，笔者得出几点体会，下面作详细阐述。

    1 科氏质量流量计的分类

    科氏质量流量计有很多种类：按测量管段数可分为单管型和双管型；按测量管形状可分为弯曲形和直形，弯曲形的测量管也分Ω字形、S字形、J字形、三角形等；按测量管材质分有316L、904L、C-22合金、钛和锆等；按流量计安装方式分有螺纹、法兰、卡箍、CajonVCO、Swagelok等。根据工程实际情况和流程参数，选择合适的形状、材质、公称通径、公称压力和安装方式的质量流量计。

    2 介质流速对科氏质量流量计选型的影响

    很明显，科氏质量流量计主要用来测量介质质量流量或者输出计算得出的体积流量，工艺专业提供的选型参数也只涉及到介质质量流量或者体积流量；所以会忽略介质流速的影响。科氏质量流量计的测量管振幅微小，可视为无活动件，又无阻碍件，其测量值不受管道内流场影响；所以可测量各种非牛顿流体以及粘滞的和含微粒的浆液，而且流量量程比可以很大。但是公称通径一定的科氏质量流量计的最大测量值实际是受限制的，介质流速是一个因素。接下来重点阐述介质流速对科氏质量流量计选型的影响，亦即根据介质流速，合适选择流量计测量管形状和公称通径。

    介质流速对科氏质量流量计选型的影响，与科氏质量流量计测量原理有关。科氏质量流量计，顾名思义，就是应用科里奥利原理测量质量流量的仪表。科里奥利原理描述的是旋转系统上沿着半径方向作直线运动物体所受到的有别于离心力的力，这个力称为科里奥利力。如图1所示：质量为m的质点以转速ω围绕圆心旋转，同时还叠加沿着半径方向以速度v所作的直线运动。

    这时质点m受到一个使其偏离沿着半径方向运动的力U，这个力U垂直于半径方向，也就是科里奥利力。当质点的质量m越大，转速ω越大，或者半径方向直线运动的速度v越大；科里奥利力的作用就明显。当沿着半径方向直线运动的速度v为零时，质点上科里奥利力的作用就消失。最后得出公式：科里奥利力F_c=2mωv。

    科氏质量流量计运用这个原理，将产生科里奥利力的旋转系统替换为流量计内以谐振频率振动的测量管。如图2所示，为科氏质量流量计内以谐振频率ω振动的测量管的俯视图。

    当振动的测量管内没有流体或者流体静止不动时，测量管或者和管内流体没有受到科里奥利力的作用，测量管没发生形变。当测量管内流体以速度v流动时，测量管侧面受到垂直于流体流动方向的科里奥利力F_c的作用。测量管振动，可以看作测量管一部分以支撑点为中心作小幅度的来回旋转。流体刚进入测量管时，流体上任一质点可看成是沿半径方向抛离测量管支撑点——亦即旋转中心点；流体准备流出测量管时，流体上任一质点可看成是沿半径方向接近测量管支撑点。结果如图2所示，测量管输入和输出段受到方向相反的科里奥利力的作用，测量管开始发生扭曲。如图3所示，在测量管输入和输出段各设置感应器A和B。

    测量管外形发生的扭曲变化，作为一个相位变化（△φ）被感应器A和B检测出来。在测量管谐振频率一定的情况下，这个相位变化（△φ）与流体的质量m以及流动速度v成比例关系，也就是与流体的质量流量成比例关系。检测出瞬时的相位变化（△φ），即能知道该时的质量流量。检测信号送至转换器处理转换后，由变送器输出与质量流量成正比的标准信号。

    由此可见，科氏质量流量计正常工作时，测量管内介质会产生科里奥利力，作用于测量管壁，垂直于流体流动方向。而滑动摩擦力的计算公式为F=μ·N，式中的μ为滑动摩擦因数，也叫滑动摩擦系数，它只跟材料、接触面粗糙程度有关，跟接触面积无关；N为接触面所受到的正压力。正压力N与测量管内介质会产生科里奥利力F_c成比例关系，结合科里奥利力Fc的计算公式，可知介质流速v越大，科里奥利力F_c越大，接触面所受到的正压力N也越大，介质与测量管壁间的滑动摩擦力就越大，流量计的压损也就越大。注意测量介质流速的问题，其实也就是注意流量计产生的压损大小的问题。而且现在很多科氏质量流量计采用三角形等弯曲形状的测量管，容易形成“紊流”。所以科氏质量流量计可能会产生很大的压损，压损甚至能高到难以忍受（0.1～0.2MPa）。另外，很大的压损也容易造成“气蚀”现象，损害流量计的测量管。

    3 举例说明

    现举例说明，测量介质为软化水，测量范围：2～15m³h，正常流量：10m³h，温度变化范围：10～40℃，操作状态下密度为998.4kg/m³，动力粘度为1.01mPaS，工艺管道直径为“2”。表1为某品牌科氏质量流量计流速、压损和误差的计算结果。

    如表1所示，流量计公称通径如果选择1¹/2”，在最大流量时的计算压损达0.409bar，远大于公称通径为2”时的情况，而流量精度并没提高多少。如果选择3”的公称通径，计算压损虽然减少些，但是在最小流量时的精度很差，只有0.55%；而且对于2”的管道，选择大一级的质量流量计也不适合的。所以流量计公称通径选择2”为宜。

    4 结语

    综上所述，科氏质量流量计选型时，需要考虑其压损是否被整个工艺流程所允许。要求限制压损，也就限制了在公称通径一定下的介质流速上限范围；或者在保证介质质量流量或体积流量上限的要求下，选择大一级的公称通径，扩大流通面积。另外，流量计公称通径小，测量精度高，价钱也相对便宜；公称通径大，虽然流量计压损减小，但是测量精度降低，采购费用增加。所以需要在精度和压损之间取得平衡，计算出最合适的公称通径。

    参考文献

    [1] 石油化工自动化控制设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2000．