揭秘科氏流量计: 精度与效率的完美融合

科里奥利质量流量计(简称科氏流量计)基于流体在振动管道中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力原理，直接测量质量流量，因其精度高、结构简单且流阻小等优点，在化工、石油、天然气和低温工程等领域得到广泛应用。

科氏流量计通常在室温条件下使用水工质进行校准，随着测量扩展到液氮、液氢等低温流体，发现温度对科氏流量计精度的影响显著。温度效应对科氏流量计精度影响体现在温度变化引起测量管材料弹性模量和泊松比等的非线性变化。可见，温度修正准确性与流量计的数学模型、材料低温参数等密切相关。

目前，直管型科氏流量计的质量流量计算模型形式统一，温度影响大多基于文献建立的简化直管科氏流量计模型，对材料物性进行修正，计算结果与数值仿真和实验结果吻合得很好。文献考虑弹性模量和线性热膨胀系数与温度的非线性关联式，提出了一种对参考条件下流量标定系数校正的温度修正方法，并实验验证了准确性。文献基于欧拉－伯努利梁的简支梁刚度模型，考虑材料的温度依变，得到了仅包含材料线膨胀系数和温差的流量计相对误差理论计算表达式。

而U型科氏流量计的质量流量计算模型没有统一的解析方程，且大多数用于温度修正的质量流量数学解析方程并未与室温下的实验结果进行对比验证。理论计算模型的推导过程中多将测量管简化为Π形，忽略作用在弯管段上的科氏力。当测量管直管段长度与弯管段半径之比较小时，测量管的力学模型和刚度系数的计算会与实际产生较大的误差，从而对温度修正的准确性产生重要影响。

2000年，文献使用卡氏第二定理对Π形管进行了运动分析，获得了测量管刚度系数和质量流量的表达式。2015年，文献从科氏质量流量计的敏感机理出发，建立了Π型流量计的灵敏度模型，并依据材料的弹性模量随温度变化的线性模型，建立了流量计的灵敏度和温度的补偿模型。2018年，文献运用Kirchhoff-Cosserat理论，建立了流量计的力学模型，将U形管简化为Π形管，得到温度与测量管谐振频率之间的定量关系，ANSYS仿真结果与理论分析表明，测量管谐振频率随温度的升高逐渐降低。

2020年，文献根据自由弯曲振动方程和扭转运动方程推导出质量流量方程，并通过分段拟合弹性模量和剪切模量的温度函数，建立一种从低温(5K)到室温范围内温度修正系数方法，在285～318K的温度范围内获得了与实验一致的结果。最近，文献提出了一种降低测量LNG质量流量不确定度的新方法，利用LNG密度计算值和固有弯曲频率测量值推导弹性模量，利用扭转频率和弯曲频率测量值计算泊松比，从而得到该温度下准确参数值，提高了流量测量精度。