科里奥利质量流量计专利技术研究

摘" 要：科里奥利质量流量计基于科氏力原理设计产生，由于其可以直接测量气体与液体流过管道的质量流量，同时具有高精度、高量程比、高可靠性等优点，从而在石油、化工、电力、医药和食品等行业中得到广泛应用。该文以科里奥利质量流量计的专利文献作为研究对象，分析主要的技术分支，介绍主要技术方案，梳理高频被引文献，并列举主要申请人，为以后的研发工作提供参考。

关键词：科里奥利质量流量计；科氏力；质量流量；专利文献；主要技术方案

中图分类号：T-18" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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、化工等行业经常涉及需要对液体或气体流量进行计量的情况，特别是对成品油、天然气的计量；以前主要采用体积流量计对成品油或天然气进行计量，但体积受温度、压力与黏度的影响较为明显，在不同的温度、压力和黏度下，成品油或天然气的体积会有十分明显的浮动，这就导致通过体积计量然后进行成品油或天然气贸易结算不够准确[1]。而科里奥利质量流量计直接测量成品油或天然气的质量，温度、体积及黏度对质量影响较小，且科里奥利质量流量计自带温度和压力补偿系统，能够进一步减小环境对计量结果的影响，从而平衡贸易双方的利益，保证贸易的公平性[2]。

科里奥利质量流量计主要由2部分组成：①传感器；②变送器。传感器一般是由两根测量管组成，变送器的驱动线圈位于2根测量管的中间位置，驱动2根测量管反方向，同频率的来回振动，测量管两侧还设置有变送器的检测线圈，用来检测2根测量管的振动频率和相位差。当没有被测流体流过时，测量管首尾同频运动，两侧的检测线圈之间的信号没有相位差；当有流体流经测量管时，会在测量管上产生方向相反、大小与质量流量成正比的科里奥利力，科里奥利力使得测量管在两侧的振动会产生相位差，产生的相位差与流体的质量流量成正相关关系，振动的频率也反映了流体的密度。通过两侧的检测线圈测量得到振动频率和相位差，经过变送器计算后即可得到质量流量与流体密度，变送器会把得到的质量流量数据转换为标准电信号输出，一般输出与质量流量成比例的标准电流信号或频率脉冲信号，并且变送器一般可以按照一定的通信协议实现与上位机的远程通信[3]。

1" 技术发展状况

1.1" 数据源与关键词

本文数据来源于incopat专利信息平台，检索对象为公开日或公告日在2024年8月1日前的国内外的发明和实用新型专利申请，选用的检索词包括科里奥利、质量流量、科氏力，对应的英文为coriolis、mass flow、coriolis force，选用的IPC分类号包括G01F1/00、G01F1/84；对于检索到的专利申请进行合并、分析以及筛选后，将相关程度较高、被引次数较多的专利申请作为重点进行精读分析，对于其余专利申请进行总体趋势及总体数量方面的分析。

通过对检索所获得的该领域的专利申请进行统计与分析，对科里奥利质量流量计所涉及的技术进行分解，见表1。

科里奥利质量流量计的研究方向可分为对其检定校准方法及装置的研究、对变送器的研究以及对传感器的研究。科里奥利质量流量计由传感器和变送器组成，而其检定校准则是对流量计整体进行检定校准，并且检定校准是保证科里奥利质量流量计测量准确的重要方法，因此将其与变送器和传感器分隔开来，作为独立的一级技术，并且区分了检定方法与检定装置。科里奥利质量流量计的传感器主要是供被测流体流过的测量管，在某些情况下测量管会发生故障，导致测量不准确或者测量管堵塞，需要判断引起故障的原因以及如何解决故障；如果被测流体不是纯粹的液体或者气体，而是气液混合流体，此类情况也会导致测量不准确[4]，需要提前对被测流体进行气液分离，比如进入测量管前进行离心分离等；针对不同的流体可能需要不同材料的测量管，比如抗腐蚀性、抗高温、抗低温等；不同的测量管结构也对测量准确度以及传感器寿命有一定影响，比如U型管，在转弯处冲击力较大，容易磨损，也会在不同的使用场景下选择单测量管、双测量管甚至四测量管的情况；而传感器本来就是依靠测量管振动才能产生科氏力从而达到测量质量流量的目的，所以对于外界的震动干扰，需要一定的防震方法去消除[5]；最后由于测量管在实际应用中一般体积和重量都较大，其良好的安装也是决定测量准确度的重要条件。变送器需要产生一个固定频率的脉冲信号，来支持驱动线圈驱动测量管稳定振动，且需要在起震过后迅速达到稳定状态，同时要准确地采集检测线圈检测到的振动频率和相位差，那么对变送器的电路设计至关重要[6]；如何将采集到的振动频率和相位差准确地转换为质量流量以及密度，信号处理的方法也是研究重点[7-8]；最后通过变送器自带的补偿方法，可以有效地减少外界环境变换带来的测量误差。

1.2" 数据的分析与统计

1.2.1" 专利申请的地域分析

对科里奥利质量流量计专利申请的所在国家和地区产权组织分布进行统计，得到专利申请地域分布图，如图1所示。申请量前4的分别是美国（占比18.25%）、中国（14.42%）、欧洲专利局（EPO）（占比12.47%）、世界知识产权组织（WIPO）（占比10.54%），其次还有日本、德国、加拿大、俄罗斯等国家申请量也比较多。可以看出，对于科里奥利质量流量计的研究主要还是集中在技术发展较为领先的国家，特别是发达国家。

1.2.2" 高频被引专利分析

对科里奥利质量流量计专利申请文献进行统计分析后，根据专利文献的被引频次进行排序，列举出被引频次靠前的专利文献。因为主要考虑专利文献在世界范围内的影响力，所以在筛选被引频次较高的专利文献时，剔除了其中仅由本国引用的专利文献;同时由于科里奥利质量流量计专利申请最早可追溯到1977年，为了了解科里奥利质量流量计最新前沿技术，筛选申请日在近20年（2004—2024）的专利文献，得到前10名的高频被引专利文献，见表2。

从表2可以得出，被引频次最高的10篇专利文献中，有8篇来自美国，其余两篇分别是通过WIPO以及EPO申请；表明美国对科里奥利质量流量计的研究具有较强的影响力。但是通过检索发现，从2011年以后，中国在此领域的申请量已经超过了国外申请量，并且在2014年达到申请量高峰100件，表明近年来中国在此领域正逐渐赶超欧美国家。细读上述文件后，从其中选取了部分主要技术方案分析如下。

1）US20050044929A1公开了一种用于补偿科里奥利质量流量计的装置和方法，当科里奥利质量流量计测量单相流流体的质量流量及密度时，准确度是非常高的，但是在工业应用中通常都是液体流体中掺杂有气体，气体在液体中形成气泡。通常驱动线圈的激励频率在测量管的共振频率附近，维持测量管中特定振幅所需的驱动力与系统中阻尼大小成强相关函数，单相流流体对系统几乎没有阻尼，但是气泡流会使系统中的阻尼显著增加，结果是需要更大的功率来维持测量管的振动，有可能导致科里奥利质量流量计的“失速”，从而引起测量不准。图2是该补偿装置的示意图，通过在科里奥利质量流量计的其中一个测量管上加载用于测量声速的声呐传感器阵列，从而测量出混合流体的声传播速度，并且设置了一个处理单元，处理单元通过计算可以得到所述混合流体的气体体积分数以及由于“失速”导致的测量管振动频率降低数。处理单元通过声传播速度、气体体积分数及测量管振动频率降低数可以计算出对质量流量的补偿值以及对流体密度的补偿值，从而计算出混合流体的质量流量测量值及流体密度测量值。此专利文献着重于对补偿方法的研究，通过相应的补偿方法，减少外部环境变化或者流体本身所带来的测量误差。

2）US20110265580A1公开了一种振动式测量传感器及其构成的测量系统，该测量系统主要用于测量质量流量大于1 000 t/h，特别是大于1 500 t/h的大质量流量流体的质量流量以及密度。传统的科里奥利质量流量计一般都是单测量管或者双测量管，但是对于大质量流量流体，单测量管或双测量管的最大量程无法满足要求，所以此专利文献采用四测量管的模式，增大量程，保证满足大质量流量流体的测量要求。图3是该流量计的示意图，从图3中可见，该科里奥利质量流量计在管道轴线左右两边各设置2根测量管，通过流量计接口处的分流器，将被测流体均匀地分流到4根测量管中；且流量计有第一、第二2个驱动线圈分别驱动4根测量管有序振动，最后通过4个检测线圈来检测相位差与振动频率。此专利文献着重于对科里奥利质量流量计结构设计的研究，通过新型的结构设计来满足实际测量的需要。

3）EP1719983A1公开了一种科里奥利流量计使用非接触式激励和检测，在通常的科里奥利质量流量计中，会有驱动线路及检测线路的环路通过安装梁安装在测量管上，这构成了测量管的附加质量，这将会导致在测量时，测量管的振动频率产生变化，从而导致在对流体进行测量时，其密度测量将会不太准确。图4是该非接触式激励的示意图，从图4中可见，此专利文献通过一个永磁铁来产生磁场，并让测量管穿过磁场；同时测量管采用软的可磁化的导电材料制成，当需要测量管开始振动时，则让测量管导电，产生磁场，与永磁铁的磁场相互作用，从而达到非接触式激励的目的。而在此专利文献中，传统的检测线圈被替换为光学传感器，通过光学传感器检测测量管的反射光的强度来测量震动频率及相位差，达到了非接触式检测的目的。该专利文献着重于对变送器的电路设计，采用非接触式激励和检测需要对变送器的电路进行重新设计；且为了满足非接触式激励和检测的要求，该专利文献还对传感器的材料设计进行了适当研究，测量管在可磁化、可导电的同时还能振动。

通过对上述主要技术方案的研究和分析可知，科里奥利质量流量计的研究主要还是集中在对变送器及传感器的改进与优化上，对于其检定方法及检定装置的研究较少，这也是因为对于科里奥利质量流量计有专门的检定规程的原因。同时针对变送器来说主要还是集中在对电路设计的研究，希望能够减少与测量管的接触，同时能够产生稳定的脉冲，驱动测量管在其共振频率附近稳定振动；针对传感器则主要是对结构设计的研究，使传感器能满足一些特殊工况的要求，并附带一部分对材料的设计，以满足一些工况的需要。

1.2.3" 国内重要申请人

对科里奥利质量流量计专利文献进行研究后，根据申请量进行了申请人排名。其中，值得注意的是，艾默生高准这一家美国公司在科里奥利质量流量计的专利申请上占有绝对的数量优势，且其也是世界最大的质量流量计的研发和生产厂商。1977年，Jim Smith发明了科里奥利质量流量计，并成立了高准公司，将世界上首个直接测量质量流量的技术推向市场；1984年，高准公司加入艾默生集团，从此艾默生高准成为最大的质量流量计厂商。接下来针对国内重要申请人，根据排名顺序对排名前5的国内重要申请人进行进一步分析，图5显示了这些重要申请人在专利申请中的技术分布。

1）成都安迪生测量有限公司：安迪生成立于2008年3月，其致力于高压、深冷等行业相关的仪表、阀门、泵、自动化仪表及集成系统的研发和制造；科里奥利质量流量计是其主要的研发产品，其产品包括针对CNG、LNG、过程控制的科里奥利质量流量计，以及能够测量两相流体的质量流量计；该公司的专利技术主要集中在传感器的结构设计，该公司其他专利技术主要集中在CNG、LNG加气机的检定装置及检定方法。

2）西安航天动力研究所：西安航天动力研究所隶属于中国航天科技集团公司第六研究所，1958年创建于北京，是中国液体火箭发动机的研究、设计单位，针对液体流量，科里奥利质量流量计是非常有效的计量装置，对于西安航天动力研究所来说流量计的准确与否关系重大，所以该研究所的专利技术主要集中在科里奥利质量流量计的检定方法和检定装置上，西安航天动力研究所共有1 100多件专利申请，除了质量流量计以外还涵盖航空航天领域的各项技术分支。

3）上海一诺仪表有限公司：上海一诺仪表有限公司始建于1993年，该公司主要从事流量仪表、系统控制仪表的研发和生产，其研发的产品“LZYN型质量流量计”已经量产，该公司的专利技术主要集中在变送器的电路设计及变送器的数据处理方法上；该公司一共拥有285件专利申请，除了质量流量计外，其余的专利申请则包含各种流量计的专利申请。

4）成都瑞帆智达科技有限公司：成都瑞帆智达科技有限公司成立于2015年，主要业务包括自动化控制系统、仪器仪表及相关零部件的设计、开发、制造、销售、租赁、维修及技术服务，该公司的专利技术主要集中在传感器的结构设计上；除了对结构设计的保护外，该公司还申请了大量的外观设计专利，要来保护流量计的外壳的外观设计。

5）西安航天远征流体控制股份有限公司：该公司成立于2001年，与西安航天动力研究所一样，隶属于中国航天科技集团公司，是以中国航天科技集团公司六院十一所为主发起人，联合科技布、财政部、航天六院、联合证券和亿阳信通等国有资本，以及中关村科技等民营资本发起设立的高科技股份有限公司，该公司的专利技术比较分散，包括传感器的故障判断与处理、结构设计、振动控制方法等，研究较为广泛；该公司其余专利主要涉及控制系统、生产设备、控制方法的研究。

2" 结束语

经过分析可知，科里奥利质量流量计在专利文献中具体大量的技术分支，如今的研究热点主要还是集中在流量计中传感器的结构设计、材料设计；变送器的电路设计及补偿方法上；美国和欧洲在此领域的研究具有较强的影响力，特别是由此流量计的发明人创立的艾默生高准公司影响力巨大；而我国在近年来对科里奥利质量流量计的研究也越发成熟，在专利申请量上开始赶超欧美国家，且我国的重要申请人的专利研发方向不尽相同，各有侧重，填补了我国在质量流量计研发各方面的短板，技术发展日渐成熟。

参考文献：

[1] 王军，涂强.质量流量计在油品装卸船中计量应用[J].流体测量与控制，2024，5（3）：68-70.

[2] 彭亮.科氏质量流量计测量含气液体流量关键技术综述[J].中国质量监管，2023（12）：80-81.

[3] 陈锦聪.科里奥利质量流量计的测量原理及应用[J].青岛科技大学学报（自然科学版），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] 刘丽丽，刘同礼，曹亚卿，等.科里奥利质量流量计变送器新型硬件设计[J].内燃机与配建，2020（21）：16-17.

[7] 鲍喜荣，张红，张石.一种新型科里奥利质量流量计信号处理方法的研究[J].工业控制计算机，2023，36（9）：86-88，128.

[8] 徐媛，代显智.科氏质量流量计信号处理方法探究[J].数字通信世界，2024：17-19.

第一作者简介：谢聪（1991-），男，硕士，知识产权师。研究方向为发明专利快速预审。