科里奧利質(zhì)量流量計(jì)專利技術(shù)研究

摘" 要：科里奧利質(zhì)量流量計(jì)基于科氏力原理設(shè)計(jì)產(chǎn)生，由于其可以直接測量氣體與液體流過管道的質(zhì)量流量，同時(shí)具有高精度、高量程比、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，從而在石油、化工、電力、醫(yī)藥和食品等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。該文以科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的專利文獻(xiàn)作為研究對象，分析主要的技術(shù)分支，介紹主要技術(shù)方案，梳理高頻被引文獻(xiàn)，并列舉主要申請人，為以后的研發(fā)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：科里奧利質(zhì)量流量計(jì)；科氏力；質(zhì)量流量；專利文獻(xiàn)；主要技術(shù)方案

中圖分類號：T-18" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0006-05

Abstract： Coriolis mass flow meters are designed based on the Coriolis force principle. Because they can directly measure the mass flow of gases and liquids flowing through pipes， and have the advantages of high accuracy， high range ratio， and high reliability， they are used in petroleum， chemical industry， electric power， medicine， food and other industries. It is widely used. This paper takes the patent literature of Coriolis mass flowmeter as the research object， analyzes the main technical branches， introduces the main technical solutions， analyzes the high-frequency cited literature， and lists the main applicants to provide reference for future research and development work.

Keywords： Coriolis mass flowmeter; Coriolis force; mass flow; patent literature; main technical solution

在石油、化工等行業(yè)經(jīng)常涉及需要對液體或氣體流量進(jìn)行計(jì)量的情況，特別是對成品油、天然氣的計(jì)量；以前主要采用體積流量計(jì)對成品油或天然氣進(jìn)行計(jì)量，但體積受溫度、壓力與黏度的影響較為明顯，在不同的溫度、壓力和黏度下，成品油或天然氣的體積會(huì)有十分明顯的浮動(dòng)，這就導(dǎo)致通過體積計(jì)量然后進(jìn)行成品油或天然氣貿(mào)易結(jié)算不夠準(zhǔn)確[1]。而科里奧利質(zhì)量流量計(jì)直接測量成品油或天然氣的質(zhì)量，溫度、體積及黏度對質(zhì)量影響較小，且科里奧利質(zhì)量流量計(jì)自帶溫度和壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步減小環(huán)境對計(jì)量結(jié)果的影響，從而平衡貿(mào)易雙方的利益，保證貿(mào)易的公平性[2]。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)主要由2部分組成：①傳感器；②變送器。傳感器一般是由兩根測量管組成，變送器的驅(qū)動(dòng)線圈位于2根測量管的中間位置，驅(qū)動(dòng)2根測量管反方向，同頻率的來回振動(dòng)，測量管兩側(cè)還設(shè)置有變送器的檢測線圈，用來檢測2根測量管的振動(dòng)頻率和相位差。當(dāng)沒有被測流體流過時(shí)，測量管首尾同頻運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)的檢測線圈之間的信號沒有相位差；當(dāng)有流體流經(jīng)測量管時(shí)，會(huì)在測量管上產(chǎn)生方向相反、大小與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力，科里奧利力使得測量管在兩側(cè)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相位差，產(chǎn)生的相位差與流體的質(zhì)量流量成正相關(guān)關(guān)系，振動(dòng)的頻率也反映了流體的密度。通過兩側(cè)的檢測線圈測量得到振動(dòng)頻率和相位差，經(jīng)過變送器計(jì)算后即可得到質(zhì)量流量與流體密度，變送器會(huì)把得到的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，一般輸出與質(zhì)量流量成比例的標(biāo)準(zhǔn)電流信號或頻率脈沖信號，并且變送器一般可以按照一定的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信[3]。

1" 技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

1.1" 數(shù)據(jù)源與關(guān)鍵詞

本文數(shù)據(jù)來源于incopat專利信息平臺(tái)，檢索對象為公開日或公告日在2024年8月1日前的國內(nèi)外的發(fā)明和實(shí)用新型專利申請，選用的檢索詞包括科里奧利、質(zhì)量流量、科氏力，對應(yīng)的英文為coriolis、mass flow、coriolis force，選用的IPC分類號包括G01F1/00、G01F1/84；對于檢索到的專利申請進(jìn)行合并、分析以及篩選后，將相關(guān)程度較高、被引次數(shù)較多的專利申請作為重點(diǎn)進(jìn)行精讀分析，對于其余專利申請進(jìn)行總體趨勢及總體數(shù)量方面的分析。

通過對檢索所獲得的該領(lǐng)域的專利申請進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)所涉及的技術(shù)進(jìn)行分解，見表1。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的研究方向可分為對其檢定校準(zhǔn)方法及裝置的研究、對變送器的研究以及對傳感器的研究?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和變送器組成，而其檢定校準(zhǔn)則是對流量計(jì)整體進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，并且檢定校準(zhǔn)是保證科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量準(zhǔn)確的重要方法，因此將其與變送器和傳感器分隔開來，作為獨(dú)立的一級技術(shù)，并且區(qū)分了檢定方法與檢定裝置?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)的傳感器主要是供被測流體流過的測量管，在某些情況下測量管會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確或者測量管堵塞，需要判斷引起故障的原因以及如何解決故障；如果被測流體不是純粹的液體或者氣體，而是氣液混合流體，此類情況也會(huì)導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確[4]，需要提前對被測流體進(jìn)行氣液分離，比如進(jìn)入測量管前進(jìn)行離心分離等；針對不同的流體可能需要不同材料的測量管，比如抗腐蝕性、抗高溫、抗低溫等；不同的測量管結(jié)構(gòu)也對測量準(zhǔn)確度以及傳感器壽命有一定影響，比如U型管，在轉(zhuǎn)彎處沖擊力較大，容易磨損，也會(huì)在不同的使用場景下選擇單測量管、雙測量管甚至四測量管的情況；而傳感器本來就是依靠測量管振動(dòng)才能產(chǎn)生科氏力從而達(dá)到測量質(zhì)量流量的目的，所以對于外界的震動(dòng)干擾，需要一定的防震方法去消除[5]；最后由于測量管在實(shí)際應(yīng)用中一般體積和重量都較大，其良好的安裝也是決定測量準(zhǔn)確度的重要條件。變送器需要產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的脈沖信號，來支持驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)測量管穩(wěn)定振動(dòng)，且需要在起震過后迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)要準(zhǔn)確地采集檢測線圈檢測到的振動(dòng)頻率和相位差，那么對變送器的電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要[6]；如何將采集到的振動(dòng)頻率和相位差準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流量以及密度，信號處理的方法也是研究重點(diǎn)[7-8]；最后通過變送器自帶的補(bǔ)償方法，可以有效地減少外界環(huán)境變換帶來的測量誤差。

1.2" 數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)

1.2.1" 專利申請的地域分析

對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)專利申請的所在國家和地區(qū)產(chǎn)權(quán)組織分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到專利申請地域分布圖，如圖1所示。申請量前4的分別是美國（占比18.25%）、中國（14.42%）、歐洲專利局（EPO）（占比12.47%）、世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WIPO）（占比10.54%），其次還有日本、德國、加拿大、俄羅斯等國家申請量也比較多?？梢钥闯觯瑢τ诳评飱W利質(zhì)量流量計(jì)的研究主要還是集中在技術(shù)發(fā)展較為領(lǐng)先的國家，特別是發(fā)達(dá)國家。

1.2.2" 高頻被引專利分析

對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)專利申請文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，根據(jù)專利文獻(xiàn)的被引頻次進(jìn)行排序，列舉出被引頻次靠前的專利文獻(xiàn)。因?yàn)橹饕紤]專利文獻(xiàn)在世界范圍內(nèi)的影響力，所以在篩選被引頻次較高的專利文獻(xiàn)時(shí)，剔除了其中僅由本國引用的專利文獻(xiàn);同時(shí)由于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)專利申請最早可追溯到1977年，為了了解科里奧利質(zhì)量流量計(jì)最新前沿技術(shù)，篩選申請日在近20年（2004—2024）的專利文獻(xiàn)，得到前10名的高頻被引專利文獻(xiàn)，見表2。

從表2可以得出，被引頻次最高的10篇專利文獻(xiàn)中，有8篇來自美國，其余兩篇分別是通過WIPO以及EPO申請；表明美國對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的研究具有較強(qiáng)的影響力。但是通過檢索發(fā)現(xiàn)，從2011年以后，中國在此領(lǐng)域的申請量已經(jīng)超過了國外申請量，并且在2014年達(dá)到申請量高峰100件，表明近年來中國在此領(lǐng)域正逐漸趕超歐美國家。細(xì)讀上述文件后，從其中選取了部分主要技術(shù)方案分析如下。

1）US20050044929A1公開了一種用于補(bǔ)償科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的裝置和方法，當(dāng)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量單相流流體的質(zhì)量流量及密度時(shí)，準(zhǔn)確度是非常高的，但是在工業(yè)應(yīng)用中通常都是液體流體中摻雜有氣體，氣體在液體中形成氣泡。通常驅(qū)動(dòng)線圈的激勵(lì)頻率在測量管的共振頻率附近，維持測量管中特定振幅所需的驅(qū)動(dòng)力與系統(tǒng)中阻尼大小成強(qiáng)相關(guān)函數(shù)，單相流流體對系統(tǒng)幾乎沒有阻尼，但是氣泡流會(huì)使系統(tǒng)中的阻尼顯著增加，結(jié)果是需要更大的功率來維持測量管的振動(dòng)，有可能導(dǎo)致科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的“失速”，從而引起測量不準(zhǔn)。圖2是該補(bǔ)償裝置的示意圖，通過在科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的其中一個(gè)測量管上加載用于測量聲速的聲吶傳感器陣列，從而測量出混合流體的聲傳播速度，并且設(shè)置了一個(gè)處理單元，處理單元通過計(jì)算可以得到所述混合流體的氣體體積分?jǐn)?shù)以及由于“失速”導(dǎo)致的測量管振動(dòng)頻率降低數(shù)。處理單元通過聲傳播速度、氣體體積分?jǐn)?shù)及測量管振動(dòng)頻率降低數(shù)可以計(jì)算出對質(zhì)量流量的補(bǔ)償值以及對流體密度的補(bǔ)償值，從而計(jì)算出混合流體的質(zhì)量流量測量值及流體密度測量值。此專利文獻(xiàn)著重于對補(bǔ)償方法的研究，通過相應(yīng)的補(bǔ)償方法，減少外部環(huán)境變化或者流體本身所帶來的測量誤差。

2）US20110265580A1公開了一種振動(dòng)式測量傳感器及其構(gòu)成的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)主要用于測量質(zhì)量流量大于1 000 t/h，特別是大于1 500 t/h的大質(zhì)量流量流體的質(zhì)量流量以及密度。傳統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)一般都是單測量管或者雙測量管，但是對于大質(zhì)量流量流體，單測量管或雙測量管的最大量程無法滿足要求，所以此專利文獻(xiàn)采用四測量管的模式，增大量程，保證滿足大質(zhì)量流量流體的測量要求。圖3是該流量計(jì)的示意圖，從圖3中可見，該科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在管道軸線左右兩邊各設(shè)置2根測量管，通過流量計(jì)接口處的分流器，將被測流體均勻地分流到4根測量管中；且流量計(jì)有第一、第二2個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈分別驅(qū)動(dòng)4根測量管有序振動(dòng)，最后通過4個(gè)檢測線圈來檢測相位差與振動(dòng)頻率。此專利文獻(xiàn)著重于對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，通過新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來滿足實(shí)際測量的需要。

3）EP1719983A1公開了一種科里奧利流量計(jì)使用非接觸式激勵(lì)和檢測，在通常的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)中，會(huì)有驅(qū)動(dòng)線路及檢測線路的環(huán)路通過安裝梁安裝在測量管上，這構(gòu)成了測量管的附加質(zhì)量，這將會(huì)導(dǎo)致在測量時(shí)，測量管的振動(dòng)頻率產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致在對流體進(jìn)行測量時(shí)，其密度測量將會(huì)不太準(zhǔn)確。圖4是該非接觸式激勵(lì)的示意圖，從圖4中可見，此專利文獻(xiàn)通過一個(gè)永磁鐵來產(chǎn)生磁場，并讓測量管穿過磁場；同時(shí)測量管采用軟的可磁化的導(dǎo)電材料制成，當(dāng)需要測量管開始振動(dòng)時(shí)，則讓測量管導(dǎo)電，產(chǎn)生磁場，與永磁鐵的磁場相互作用，從而達(dá)到非接觸式激勵(lì)的目的。而在此專利文獻(xiàn)中，傳統(tǒng)的檢測線圈被替換為光學(xué)傳感器，通過光學(xué)傳感器檢測測量管的反射光的強(qiáng)度來測量震動(dòng)頻率及相位差，達(dá)到了非接觸式檢測的目的。該專利文獻(xiàn)著重于對變送器的電路設(shè)計(jì)，采用非接觸式激勵(lì)和檢測需要對變送器的電路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；且為了滿足非接觸式激勵(lì)和檢測的要求，該專利文獻(xiàn)還對傳感器的材料設(shè)計(jì)進(jìn)行了適當(dāng)研究，測量管在可磁化、可導(dǎo)電的同時(shí)還能振動(dòng)。

通過對上述主要技術(shù)方案的研究和分析可知，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的研究主要還是集中在對變送器及傳感器的改進(jìn)與優(yōu)化上，對于其檢定方法及檢定裝置的研究較少，這也是因?yàn)閷τ诳评飱W利質(zhì)量流量計(jì)有專門的檢定規(guī)程的原因。同時(shí)針對變送器來說主要還是集中在對電路設(shè)計(jì)的研究，希望能夠減少與測量管的接觸，同時(shí)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖，驅(qū)動(dòng)測量管在其共振頻率附近穩(wěn)定振動(dòng)；針對傳感器則主要是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，使傳感器能滿足一些特殊工況的要求，并附帶一部分對材料的設(shè)計(jì)，以滿足一些工況的需要。

1.2.3" 國內(nèi)重要申請人

對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)專利文獻(xiàn)進(jìn)行研究后，根據(jù)申請量進(jìn)行了申請人排名。其中，值得注意的是，艾默生高準(zhǔn)這一家美國公司在科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的專利申請上占有絕對的數(shù)量優(yōu)勢，且其也是世界最大的質(zhì)量流量計(jì)的研發(fā)和生產(chǎn)廠商。1977年，Jim Smith發(fā)明了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，并成立了高準(zhǔn)公司，將世界上首個(gè)直接測量質(zhì)量流量的技術(shù)推向市場；1984年，高準(zhǔn)公司加入艾默生集團(tuán)，從此艾默生高準(zhǔn)成為最大的質(zhì)量流量計(jì)廠商。接下來針對國內(nèi)重要申請人，根據(jù)排名順序?qū)ε琶?的國內(nèi)重要申請人進(jìn)行進(jìn)一步分析，圖5顯示了這些重要申請人在專利申請中的技術(shù)分布。

1）成都安迪生測量有限公司：安迪生成立于2008年3月，其致力于高壓、深冷等行業(yè)相關(guān)的儀表、閥門、泵、自動(dòng)化儀表及集成系統(tǒng)的研發(fā)和制造；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是其主要的研發(fā)產(chǎn)品，其產(chǎn)品包括針對CNG、LNG、過程控制的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，以及能夠測量兩相流體的質(zhì)量流量計(jì)；該公司的專利技術(shù)主要集中在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該公司其他專利技術(shù)主要集中在CNG、LNG加氣機(jī)的檢定裝置及檢定方法。

2）西安航天動(dòng)力研究所：西安航天動(dòng)力研究所隸屬于中國航天科技集團(tuán)公司第六研究所，1958年創(chuàng)建于北京，是中國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研究、設(shè)計(jì)單位，針對液體流量，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是非常有效的計(jì)量裝置，對于西安航天動(dòng)力研究所來說流量計(jì)的準(zhǔn)確與否關(guān)系重大，所以該研究所的專利技術(shù)主要集中在科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的檢定方法和檢定裝置上，西安航天動(dòng)力研究所共有1 100多件專利申請，除了質(zhì)量流量計(jì)以外還涵蓋航空航天領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)分支。

3）上海一諾儀表有限公司：上海一諾儀表有限公司始建于1993年，該公司主要從事流量儀表、系統(tǒng)控制儀表的研發(fā)和生產(chǎn)，其研發(fā)的產(chǎn)品“LZYN型質(zhì)量流量計(jì)”已經(jīng)量產(chǎn)，該公司的專利技術(shù)主要集中在變送器的電路設(shè)計(jì)及變送器的數(shù)據(jù)處理方法上；該公司一共擁有285件專利申請，除了質(zhì)量流量計(jì)外，其余的專利申請則包含各種流量計(jì)的專利申請。

4）成都瑞帆智達(dá)科技有限公司：成都瑞帆智達(dá)科技有限公司成立于2015年，主要業(yè)務(wù)包括自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表及相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、銷售、租賃、維修及技術(shù)服務(wù)，該公司的專利技術(shù)主要集中在傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上；除了對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的保護(hù)外，該公司還申請了大量的外觀設(shè)計(jì)專利，要來保護(hù)流量計(jì)的外殼的外觀設(shè)計(jì)。

5）西安航天遠(yuǎn)征流體控制股份有限公司：該公司成立于2001年，與西安航天動(dòng)力研究所一樣，隸屬于中國航天科技集團(tuán)公司，是以中國航天科技集團(tuán)公司六院十一所為主發(fā)起人，聯(lián)合科技布、財(cái)政部、航天六院、聯(lián)合證券和億陽信通等國有資本，以及中關(guān)村科技等民營資本發(fā)起設(shè)立的高科技股份有限公司，該公司的專利技術(shù)比較分散，包括傳感器的故障判斷與處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)控制方法等，研究較為廣泛；該公司其余專利主要涉及控制系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備、控制方法的研究。

2" 結(jié)束語

經(jīng)過分析可知，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在專利文獻(xiàn)中具體大量的技術(shù)分支，如今的研究熱點(diǎn)主要還是集中在流量計(jì)中傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)；變送器的電路設(shè)計(jì)及補(bǔ)償方法上；美國和歐洲在此領(lǐng)域的研究具有較強(qiáng)的影響力，特別是由此流量計(jì)的發(fā)明人創(chuàng)立的艾默生高準(zhǔn)公司影響力巨大；而我國在近年來對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的研究也越發(fā)成熟，在專利申請量上開始趕超歐美國家，且我國的重要申請人的專利研發(fā)方向不盡相同，各有側(cè)重，填補(bǔ)了我國在質(zhì)量流量計(jì)研發(fā)各方面的短板，技術(shù)發(fā)展日漸成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王軍，涂強(qiáng).質(zhì)量流量計(jì)在油品裝卸船中計(jì)量應(yīng)用[J].流體測量與控制，2024，5（3）：68-70.

[2] 彭亮.科氏質(zhì)量流量計(jì)測量含氣液體流量關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].中國質(zhì)量監(jiān)管，2023（12）：80-81.

[3] 陳錦聰.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的測量原理及應(yīng)用[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，12（S2）：236-237.

[4] LI C H， SUN L J， LIU J R， et al. Improvement of signal processing in Coriolis mass flowmeters for gas-liquid two-phase flow[J].Frontiers of Information Technology amp; Electronic Engineering，2021，22（2）：272-286.

[5] PEI X X ， LI X ， YE X H ，et al. Flow-induced vibration characteristics of the U-type Coriolis mass folwmeter with liquid hydrogen[J].Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics amp; Engineering），2022，23（6）：495-504.

[6] 劉麗麗，劉同禮，曹亞卿，等.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)變送器新型硬件設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配建，2020（21）：16-17.

[7] 鮑喜榮，張紅，張石.一種新型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)信號處理方法的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2023，36（9）：86-88，128.

[8] 徐媛，代顯智.科氏質(zhì)量流量計(jì)信號處理方法探究[J].數(shù)字通信世界，2024：17-19.

第一作者簡介：謝聰（1991-），男，碩士，知識產(chǎn)權(quán)師。研究方向?yàn)榘l(fā)明專利快速預(yù)審。