一、 工（gōng）作原理
如圖一所示，截取一根支管，流體在其內以（yǐ）速度V從A流向B，將此管置於以角速度ω旋轉的係統中。設旋轉軸為（wéi）X，與管的交點為O，由於管內流體質點在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運動，此時流體質點受到一個切向科氏力Fc。這個（gè）力作用在測量管上，在O點兩邊方向相反，大小相同，為：
δFc ＝ 2ωVδm
因此，直（zhí）接或間接測量在旋轉管道中流動（dòng）的流體所產生的科氏力就可以測（cè）得質量流量。這就是科裏奧利的基本（běn）原理。
圖1 科裏奧利（lì）力的形成 圖2 早期科氏（shì）力質量流量計
二、 結構
早期設計（jì）的科氏力質量流量計的結構（gòu）如圖2所示。將在由流動流體（tǐ）的管道送入一旋轉係統中，由安裝在轉（zhuǎn）軸上的扭矩傳感器，來（lái）完（wán）成質量流量的測量。這種（zhǒng）流量計隻是在試驗室中進行了試（shì）製。
在商品化（huà）產品設計中（zhōng），通過測量係統旋轉產生科氏力是不切合實際的，因而均采用（yòng）使測量管振動的方式替代旋轉運（yùn）動。以此同樣實現科氏力對測量管的作（zuò）用，並使得測量管在科氏力的作用下產生位移。由於測量管的兩端是固定的（de），而作用在測量管上各點的力是不同的，所引起的位移也（yě）各不（bú）相同，因此在測量管上形（xíng）成一個附加的扭曲。測量這個扭曲的過程在不（bú）同點上的（de）相位差，就可得到流過測量管的流（liú）體的質量流量。
我們常見的測量管的形式有以下幾（jǐ）種：S形測量管（guǎn）、U形測量（liàng）管、雙J形測量管、B形測量管、單直管形（xíng）測量管、雙直管形測量（liàng）管、Ω形（xíng）測量管、雙環形測量管等，下麵我們分別對其結（jié）構作一簡單介紹。
1． S形（xíng）測量管質量流量計
如圖3所示，這種流量計的測量係統由兩根平行的S形測量管、驅動器和傳感器組（zǔ）成。管的兩端固（gù）定，管的中心（xīn）部（bù）位裝（zhuāng）有驅動器（qì），使管子振動。在測量管對稱位置上裝有傳感（gǎn）器，在這兩點上測量振動管之間（jiān）的相對位移。質量流量與這兩點測得的振（zhèn）蕩（dàng）頻率的相位差成（chéng）正比。
圖3 S形質量流量計結構
這種質（zhì）量流量計的工作原理及工作過（guò）程，如圖4所示。
圖4 無流動時位移傳感器的輸出
當測（cè）量管（guǎn）中流體不流動時，兩根測量管在驅動力（lì）作用下（作用在每根管子上的力大小相等（děng）、方向相反）作（zuò）對稱（chēng）的（de）等（děng）振幅運動。由於管子兩（liǎng）端是（shì）固定的（de），在管（guǎn）子中間振（zhèn）幅最大，到兩端逐漸減為零。這時在兩個傳感器上測得的相位如圖4B所示，由（yóu）圖中可以看出，兩傳感器測得的相位差為零。當測量管內流體以速度V流動時，流體中任意值點的流速，可認為是兩個分流速的合成：水平方向Vx及垂直方向Vy（與振動方向相同）。在恒定流條件下，流體沿（yán）水平方向的流（liú）速Vx保持（chí）恒定。從圖5中可以看出，管子的（de）進、出口處振幅為零，流體質點垂直移動速度Vx為零（líng）；
圖5 振動管受力分析
當流體質點有進口流入圖示振動方向的測量管時，流體質點的垂直流動速度為+Vy，同樣在流（liú）體質點流（liú）向出口時，其垂直流（liú）動速（sù）度（dù）為-Vy。由此可（kě）以推出，流體質（zhì）點在通過振動的測量管時，垂直方向的速度是一個從零逐漸加大，直到中間最（zuì）大，再逐（zhú）漸減小到零的過（guò）程。由（yóu）力（lì）學原理可知，速度的變化（huà）是由加（jiā）速度引（yǐn）起的，而加速度是力作用於其上（shàng）的結果。根據這個原理，稱這個垂直速度變化為科氏加速度（dù）Ac，因此作用於流體質量M上的科氏力為Fc＝Mac。在測量管上與中心距離相等的兩點上，作用（yòng）的科氏力大小相等，方向（xiàng）相反。
此科氏力作用在（zài）測量管（guǎn）上，就產生了如圖5所示的結果，即在（zài）中間點上產生一對力，引起（qǐ）測量管輕微的扭曲或（huò）變形。而實際上在振蕩運動時是兩根S管同時所受的振蕩，其運動方向相反，受力相等，如圖6所示（shì）。
圖6 作用在（zài）測量管上的科氏力
隨著振蕩運（yùn）動的進行（háng），測（cè）量管被周期（qī）性地分開（kāi）、靠（kào）攏，科氏力也周期（qī）性地作用在兩根測量管上，通過安裝在測量管上的位移創按（àn）其A、B，測出（chū）由科氏力引起的測量管相對位置的變化（huà），通常轉化為測兩點的相位差，如圖7所示。這個相位差的大小與質量（liàng）流量成正比。
圖7 位移傳感器的輸出 2． U形測（cè）量管質量流量計
如圖8所示，U形管為單、雙測量管兩種結構，單測量管型工（gōng）作原理
圖8a 單U形管結構
圖8b 雙U形（xíng）管（guǎn）結構
如圖9所（suǒ）示，電磁驅動係統以固定頻率驅動U形測量管振動（dòng），當流體被（bèi）強製接受（shòu）管子的垂直運動時，在前半個振（zhèn）動周期內，管子（zǐ）向上運動，測量管中（zhōng）流體在驅動點前產生一個向下壓的（de）力，阻礙管子的向上運動，二在驅動點（diǎn）後產生向上的力，加速管子向上運動。這兩個力的合成，使得測量管發生（shēng）扭曲；在振（zhèn）動的另外半周期內（nèi），扭曲方（fāng）向則相反。
圖（tú）9 U形（xíng）管工作原理（lǐ）
測量管扭曲的程度，與流體流過測（cè）量管的值來質量流量成正比，在驅動點兩側的（de）測量管上安裝電磁感應器，以測量其運動的相位差，這一相位差直接（jiē）正比（bǐ）於（yú）流過的質（zhì）量流量（liàng）。
在雙U形測量管結構中，兩根（gēn）測量管的振動方向相反，使得測量管扭曲相位相差180度，如圖10所示。相對單測量（liàng）管型來說，雙管型的檢測信號有所放大（dà），流通能力也有所提高。
圖（tú）10 測量管變形示（shì）意圖
3． 雙J形管質量流量計
如圖11所（suǒ）示（shì），兩根J形管以管道為中心，對稱分布；安裝在J形部分的驅動器使管子以某一固定的頻率振動。
圖11 J形管質量流量計結構
其工作原理如圖12所示，當測量管中（zhōng）的流體以一定速度（dù）流動時，由於振動的存在使（shǐ）得測量管中的流體（tǐ）產生（shēng）一個科氏（shì）力效應。此科（kē）氏力作用在測量管上，但在上下兩支管上（shàng）所產生的科氏力的方向不同，管（guǎn）的直（zhí）管部分產生不同的（de）附加運動，即產生一個相對位移的相位差。 圖12 J形管工作原理
在雙（shuāng）J形管測量係統中，兩根管在同一時刻的振動方向相反，加大了其上部與下（xià）部兩直管（guǎn）間的相對位移的相位差。如圖13 所示，在流體不流動時，從A、B兩（liǎng）傳感（gǎn）器測得的位移信號的相位差為零。
圖13 無流（liú）動（dòng）時測量管振動狀態 當測量管內的流體流動時，在（zài）驅動其（qí）振動的某一（yī）方（fāng）向上，科氏力產生的反（fǎn）作用力在（zài）測（cè）量管上的影響結（jié）果如圖14所示，管1分開和管2靠近時，管1上部運動加快，下部減慢，管2則在相反的方向上同（tóng）樣（yàng）上部加快，下部減慢；結果在上部和下（xià）部安裝的傳感器測得的信號之（zhī）間存在一（yī）個相位差，如圖15所（suǒ）示。這個信號的大小（xiǎo）直接反映（yìng）了質量流量。
圖14 有流動（dòng）時測（cè）量管振動狀態
圖15 傳感器輸出信號 4． B形管質量流量計
如圖16所示，流量測量係統由（yóu）兩個相（xiàng）互平行的B形管（guǎn）組成。被測流體（tǐ）經過分流器被均勻送入兩（liǎng）根B形測量管中，驅動裝置安裝在兩管之間的（de）中心位置，以某一穩定的諧波頻率驅動測量管振動。在（zài）測量管產生向外運（yùn）動時，如圖（tú）17a所示，直管部分被相互推離開，在驅動（dòng）器（qì）的作用下（xià）回路L1’和（hé）L1’’相（xiàng）互靠近，同樣回路L2’和L2’’也相（xiàng）互靠近。由於每個回路都由一端固定在流量計主體上，旋轉運動在端區被（bèi）抑製因而集中在節點附近。
圖16 B形管質量流量計結構
而回路中的流體在科氏力作用下示的回路L1’和L1’’相互靠近的速度減慢，而另一端L2’和L2’’兩回路相（xiàng）互靠近速（sù）度增加。
圖17 B形管工作時的受力（lì）狀態
在測量管產生向內運（yùn）動（dòng）時，如圖17b所示，則相反的情況發生。直管段部分在驅動力的作用下相互靠近，而兩（liǎng）斷麵上的兩回路（lù）朝相互（hù）離開的方向運動。管道內（nèi）流體（tǐ）產生的科氏力疊加在這個基本（běn）運動上會使L1’和L1’’兩回路的分離速度（dù）加快，而使L2’和L2’’兩回路的分離速度減小。
通過在（zài）端麵兩回（huí）路之（zhī）間合理的（de）安裝傳感器，這（zhè）些由科氏力引入的運動就（jiù）可用來精確測定流體的（de）質量流量。
5． 單直管形質量流量計
這種流量計的結（jié）構如圖18所示，測量係統由一兩端固定（法蘭）的直管及其上的振動驅（qū）動器組成（chéng）。
圖18 單直管質量流量（liàng）計結構
在管中流體不流動時，驅動器使管子振動，管中流體不產生科（kē）氏力，A、B兩點受力相等，變（biàn）化速度相同，如圖19b所示。
圖（tú）19 單（dān）直管質量流量計工作原理 當（dāng）測量管中流體以速度（dù）V在管中流動時，由於受到C點振動力的影響（此時的振動力是向上的），流體質點從A點運動到（dào）C點時被加速，質點產生反作用力F1，使管子向上運動速度減慢；而在C點到B點之間，流體質點被減速，使管子向上的運動速度加快（kuài）。結果在C點兩邊的這兩個方向相（xiàng）反（fǎn）的力使管子產生一個變形，這個變（biàn）形的相位差與（yǔ）測管中流體流過的質（zhì）量流量成（chéng）正比。 6． 雙直管形質量流量計
圖20 雙直管質量流量計結構
圖20 雙直（zhí）管質量（liàng）流量計結構
相對單直管來說雙直管形可減少壓力損失，增大傳感器感受信號，其實際中（zhōng）的結（jié）構如圖20所示，驅動器安放與中心位（wèi）置，兩個光電傳感器隻與中心兩側對稱位置上，其（qí）中圖20a所示結構測量管受軸向力的（de）影響很小。雙直管形質量流（liú）量計的工作原理如圖21所示，當流體不流（liú）動（dòng）時，光電傳感器受到的管（guǎn）子所產生的位移的相位是相同的；當流體介質流過兩根振動的測量管時（shí），便產生了科裏奧利力（lì），這個力（lì）使測量管的振點兩邊發生相反的位移，振點之前的測管（guǎn）中流體（tǐ）介質使管子振蕩（dàng）衰減，即管子位移速度減慢；振點之後的測管中流體介質使振蕩加強，即（jí）管子位（wèi）移速度加（jiā）快。通過光電傳感器，測得兩端的（de）相位差，這個相位差在振蕩頻率一定時正比與測管中的質量流量。
圖21 雙直（zhí）管測量（liàng）原理 7． Ω形測量管質量流量計
這種流量計的結（jié）構如圖22所示，驅動（dòng）器放（fàng）在直管部（bù）分的中間位置，當（dāng）管中流體以一定速度流動（dòng）時，由於驅動器的振動作用，使管子分開或靠近。
圖22 Ω形測（cè）量管質量流量計結（jié）構
如（rú）圖23a，當（dāng）管子分開時，在振點前的流體中產生的科裏奧利力與振動力方向相反，減慢管子的運動速度（dù）；而在振點之後管中流體產生的科氏力與（yǔ）振動方向相（xiàng）同（tóng），加快管子的運動速度。當驅動器使管子靠近時，如圖23b，則產生相反的（de）結果。在A、B兩點的傳（chuán）感器（qì）可測的兩處管字運動的相（xiàng）位（wèi）差，由此（cǐ）可得到流過測管中流體的質量流量。
圖23Ω形管質量流量計測量原（yuán）理
8． 雙環形測量管質量流量計
這種流量計有一對平行的帶有短直管的螺旋（xuán）管組成，如圖24所示。在管子的（de）中間位置D裝有驅動器，使兩根測量管（guǎn）受到周期性的相反的振動，在橢圓螺旋管的兩端，與中間點D等距離位置上，設置兩個傳感器，測量這（zhè）兩點的管子間（jiān）相對運動速度，這兩個相對運動速度的相位差與流過測量管中的流體質量流（liú）量成正比。
圖24 雙環形（xíng）質量流量計
其工作原理簡述（shù）如下：當測管中流體不流動時，振動力使（shǐ）管子產生的變形，在中間點兩（liǎng）邊是一樣的，傳感器處的兩測點上，測得的振動位移的相位差為零（líng），當測（cè）管（guǎn）中流體流動時，在振幅（fú）最大點之前，流體質（zhì）點由於受到科氏力的作用產生（shēng）一個與振動方向相反（fǎn）的作用力，而在這點（diǎn）之後產生一個與振動方向相同的作（zuò）用力，由於在同一時刻兩根測量管（guǎn）所受到的（de）作（zuò）用力大小（xiǎo）相等，方向相反（fǎn），因（yīn）此（cǐ）反映在兩傳感器（qì）處測點上管子的運動速度得到增大或減小，測量這兩點的相位差就可得到（dào）通過測量管流體的質量流量（liàng）。
三、 質量流量計結構特性
在一個測量（liàng）係（xì）統中，流（liú）體質點作用在測量（liàng）管上的（de）科氏力是很（hěn）小的，這給精確的測量帶來很大的（de）困難。為使測量管產（chǎn）生足夠強的信號，就應加大科氏（shì）力對測量管的作用或在同樣的科氏力的作（zuò）用下增大測量管的（de）變形。ω
從原理上講Fc＝2ωVM，在被測流體一定時，隻有加（jiā）大ω或V，才能提高Fc。實際中ω的增加，在儀表上就需要提高振動頻率和振動的振幅。振動頻率的提高，嚴重地影響測量管的壽命，而振（zhèn）幅的提高就需提供較大的動力。V的增（zēng）加就（jiù）是增加流速，這樣即增加了（le）測（cè）量（liàng）管上的靜壓，也（yě）增大（dà）流量計對整個係統的壓（yā）力損失。這些對流量計本身和（hé）整個係統都是不（bú）利的。
另一方麵（miàn）從結構設計上，就要（yào）考慮（lǜ）提（tí）高科氏力作用在振動管上的效率及提高傳感器的（de）檢測能力，對後者性能的（de）提高在此不討論。要想（xiǎng）提高科氏力作用（yòng）在測量（liàng）管（guǎn）上的效率，必須在結構形（xíng）狀上提高測量管整體的係統彈性，減少（shǎo）鋼性，選用彈性好、性（xìng）能穩定的材料，並準確選擇係統的振（zhèn）蕩頻（pín）率（lǜ）。以達到同樣的（de）科氏力（lì）作用下，測量管的變形量增加。一般（bān）來說（shuō），測量管的管壁越薄，長度越（yuè）長，結構形狀的係統彈性越好，作用在管上的科氏力就越明顯（xiǎn）。這樣可使（shǐ）測量管的變形（xíng）加大，信（xìn）噪比增加，還可減少外界帶來的（de）幹擾。測量管上（shàng）所受的應力不要過於集中在一點上，以免造成機械疲勞。應力（lì）作用的形式不同，也對管子的疲勞和（hé）測量靈敏（mǐn）度造成一定的影響。對於不同的結構，由於其設計思路不同，各有特色，但也存在著一些問題，每一種形式均不（bú）可能達到盡善盡（jìn）美。針對（duì）這些問題，製造廠商也（yě）不（bú）斷地對其產品進行（háng）改善（shàn），以提高其產品的性能，增強其競爭能力。下麵就具體的結構對性能的影（yǐng）響進行簡單分析。
1． 測量管的形狀（zhuàng）：
測量係統彈性（xìng）的增加，增大了作用於振動管係（xì）統的科氏力的效應，但也（yě）增大外界機械噪聲的幹（gàn）擾（rǎo）和儀表體積。測量管應盡量減少急劇彎曲，最大（dà）可能的增大測量管（guǎn）內徑（jìng），這樣可以減少壓力損失。雙測量管型（xíng）的信噪比得到增（zēng）加，流通能力（lì）也增加，別普遍采用。
2． 管壁
壁（bì）厚增加使（shǐ）管子更具有剛性，也增加了流（liú）動（dòng）時管子的固定質量，減少（shǎo）了流體中夾雜氣體時，由（yóu）於其分布的（de）不（bú）均（jun1）勻引起比重變化對管子振動（dòng）的影響，同時提高測量管耐壓、耐磨性，但會降低係統彈性，影響測量的靈敏性（xìng）。
3． 製（zhì）造和安裝
測量管的形狀在製作過程應保證其對稱性（xìng），在雙測量管結構中（zhōng）應保證兩根管的一致性，傳感器的定位要（yào）準（zhǔn）確，以減少測量中由於密（mì）度（dù）或粘度變化對測量（liàng）結果的（de）影（yǐng）響。流量質量分配的不穩定性，給測量結果的準確性帶來影響。
從原理上講，測量管所受科氏力的大（dà）小隻與流體的質量流量有關，與流體（tǐ）密度、粘度無關。但密度的變化會帶來附加的（de）慣性力（lì）；而粘度（dù）的變化時測量管的內壁附（fù）著層不同，產生不同的邊界層效應。結果引（yǐn）起測量（liàng）管的質量分配不穩定，對測量結果的準確度帶來影響。
