科里奧利質量流量計專利技術研究

摘" 要：科里奧利質量流量計基于科氏力原理設計產生，由于其可以直接測量氣體與液體流過管道的質量流量，同時具有高精度、高量程比、高可靠性等優點，從而在石油、化工、電力、醫藥和食品等行業中得到廣泛應用。該文以科里奧利質量流量計的專利文獻作為研究對象，分析主要的技術分支，介紹主要技術方案，梳理高頻被引文獻，并列舉主要申請人，為以后的研發工作提供參考。

關鍵詞：科里奧利質量流量計；科氏力；質量流量；專利文獻；主要技術方案

中圖分類號：T-18" " " 文獻標志碼：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、化工等行業經常涉及需要對液體或氣體流量進行計量的情況，特別是對成品油、天然氣的計量；以前主要采用體積流量計對成品油或天然氣進行計量，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有十分明顯的浮動，這就導致通過體積計量然后進行成品油或天然氣貿易結算不夠準確[1]。而科里奧利質量流量計直接測量成品油或天然氣的質量，溫度、體積及黏度對質量影響較小，且科里奧利質量流量計自帶溫度和壓力補償系統，能夠進一步減小環境對計量結果的影響，從而平衡貿易雙方的利益，保證貿易的公平性[2]。

科里奧利質量流量計主要由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，變送器的驅動線圈位于2根測量管的中間位置，驅動2根測量管反方向，同頻率的來回振動，測量管兩側還設置有變送器的檢測線圈，用來檢測2根測量管的振動頻率和相位差。當沒有被測流體流過時，測量管首尾同頻運動，兩側的檢測線圈之間的信號沒有相位差；當有流體流經測量管時，會在測量管上產生方向相反、大小與質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的振動會產生相位差，產生的相位差與流體的質量流量成正相關關系，振動的頻率也反映了流體的密度。通過兩側的檢測線圈測量得到振動頻率和相位差，經過變送器計算后即可得到質量流量與流體密度，變送器會把得到的質量流量數據轉換為標準電信號輸出，一般輸出與質量流量成比例的標準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議實現與上位機的遠程通信[3]。

1" 技術發展狀況

1.1" 數據源與關鍵詞

本文數據來源于incopat專利信息平臺，檢索對象為公開日或公告日在2024年8月1日前的國內外的發明和實用新型專利申請，選用的檢索詞包括科里奧利、質量流量、科氏力，對應的英文為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行合并、分析以及篩選后，將相關程度較高、被引次數較多的專利申請作為重點進行精讀分析，對于其余專利申請進行總體趨勢及總體數量方面的分析。

通過對檢索所獲得的該領域的專利申請進行統計與分析，對科里奧利質量流量計所涉及的技術進行分解，見表1。

科里奧利質量流量計的研究方向可分為對其檢定校準方法及裝置的研究、對變送器的研究以及對傳感器的研究。科里奧利質量流量計由傳感器和變送器組成，而其檢定校準則是對流量計整體進行檢定校準，并且檢定校準是保證科里奧利質量流量計測量準確的重要方法，因此將其與變送器和傳感器分隔開來，作為獨立的一級技術，并且區分了檢定方法與檢定裝置。科里奧利質量流量計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發生故障，導致測量不準確或者測量管堵塞，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，此類情況也會導致測量不準確[4]，需要提前對被測流體進行氣液分離，比如進入測量管前進行離心分離等；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；不同的測量管結構也對測量準確度以及傳感器壽命有一定影響，比如U型管，在轉彎處沖擊力較大，容易磨損，也會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才能產生科氏力從而達到測量質量流量的目的，所以對于外界的震動干擾，需要一定的防震方法去消除[5]；最后由于測量管在實際應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確度的重要條件。變送器需要產生一個固定頻率的脈沖信號，來支持驅動線圈驅動測量管穩定振動，且需要在起震過后迅速達到穩定狀態，同時要準確地采集檢測線圈檢測到的振動頻率和相位差，那么對變送器的電路設計至關重要[6]；如何將采集到的振動頻率和相位差準確地轉換為質量流量以及密度，信號處理的方法也是研究重點[7-8]；最后通過變送器自帶的補償方法，可以有效地減少外界環境變換帶來的測量誤差。

1.2" 數據的分析與統計

1.2.1" 專利申請的地域分析

對科里奧利質量流量計專利申請的所在國家和地區產權組織分布進行統計，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%）、世界知識產權組織（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。可以看出，對于科里奧利質量流量計的研究主要還是集中在技術發展較為領先的國家，特別是發達國家。

1.2.2" 高頻被引專利分析

對科里奧利質量流量計專利申請文獻進行統計分析后，根據專利文獻的被引頻次進行排序，列舉出被引頻次靠前的專利文獻。因為主要考慮專利文獻在世界范圍內的影響力，所以在篩選被引頻次較高的專利文獻時，剔除了其中僅由本國引用的專利文獻;同時由于科里奧利質量流量計專利申請最早可追溯到1977年，為了了解科里奧利質量流量計最新前沿技術，篩選申請日在近20年（2004—2024）的專利文獻，得到前10名的高頻被引專利文獻，見表2。

從表2可以得出，被引頻次最高的10篇專利文獻中，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量流量計的研究具有較強的影響力。但是通過檢索發現，從2011年以后，中國在此領域的申請量已經超過了國外申請量，并且在2014年達到申請量高峰100件，表明近年來中國在此領域正逐漸趕超歐美國家。細讀上述文件后，從其中選取了部分主要技術方案分析如下。

1）US20050044929A1公開了一種用于補償科里奧利質量流量計的裝置和方法，當科里奧利質量流量計測量單相流流體的質量流量及密度時，準確度是非常高的，但是在工業應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。通常驅動線圈的激勵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動力與系統中阻尼大小成強相關函數，單相流流體對系統幾乎沒有阻尼，但是氣泡流會使系統中的阻尼顯著增加，結果是需要更大的功率來維持測量管的振動，有可能導致科里奧利質量流量計的“失速”，從而引起測量不準。圖2是該補償裝置的示意圖，通過在科里奧利質量流量計的其中一個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，并且設置了一個處理單元，處理單元通過計算可以得到所述混合流體的氣體體積分數以及由于“失速”導致的測量管振動頻率降低數。處理單元通過聲傳播速度、氣體體積分數及測量管振動頻率降低數可以計算出對質量流量的補償值以及對流體密度的補償值，從而計算出混合流體的質量流量測量值及流體密度測量值。此專利文獻著重于對補償方法的研究，通過相應的補償方法，減少外部環境變化或者流體本身所帶來的測量誤差。

2）US20110265580A1公開了一種振動式測量傳感器及其構成的測量系統，該測量系統主要用于測量質量流量大于1 000 t/h，特別是大于1 500 t/h的大質量流量流體的質量流量以及密度。傳統的科里奧利質量流量計一般都是單測量管或者雙測量管，但是對于大質量流量流體，單測量管或雙測量管的最大量程無法滿足要求，所以此專利文獻采用四測量管的模式，增大量程，保證滿足大質量流量流體的測量要求。圖3是該流量計的示意圖，從圖3中可見，該科里奧利質量流量計在管道軸線左右兩邊各設置2根測量管，通過流量計接口處的分流器，將被測流體均勻地分流到4根測量管中；且流量計有第一、第二2個驅動線圈分別驅動4根測量管有序振動，最后通過4個檢測線圈來檢測相位差與振動頻率。此專利文獻著重于對科里奧利質量流量計結構設計的研究，通過新型的結構設計來滿足實際測量的需要。

3）EP1719983A1公開了一種科里奧利流量計使用非接觸式激勵和檢測，在通常的科里奧利質量流量計中，會有驅動線路及檢測線路的環路通過安裝梁安裝在測量管上，這構成了測量管的附加質量，這將會導致在測量時，測量管的振動頻率產生變化，從而導致在對流體進行測量時，其密度測量將會不太準確。圖4是該非接觸式激勵的示意圖，從圖4中可見，此專利文獻通過一個永磁鐵來產生磁場，并讓測量管穿過磁場；同時測量管采用軟的可磁化的導電材料制成，當需要測量管開始振動時，則讓測量管導電，產生磁場，與永磁鐵的磁場相互作用，從而達到非接觸式激勵的目的。而在此專利文獻中，傳統的檢測線圈被替換為光學傳感器，通過光學傳感器檢測測量管的反射光的強度來測量震動頻率及相位差，達到了非接觸式檢測的目的。該專利文獻著重于對變送器的電路設計，采用非接觸式激勵和檢測需要對變送器的電路進行重新設計；且為了滿足非接觸式激勵和檢測的要求，該專利文獻還對傳感器的材料設計進行了適當研究，測量管在可磁化、可導電的同時還能振動。

通過對上述主要技術方案的研究和分析可知，科里奧利質量流量計的研究主要還是集中在對變送器及傳感器的改進與優化上，對于其檢定方法及檢定裝置的研究較少，這也是因為對于科里奧利質量流量計有專門的檢定規程的原因。同時針對變送器來說主要還是集中在對電路設計的研究，希望能夠減少與測量管的接觸，同時能夠產生穩定的脈沖，驅動測量管在其共振頻率附近穩定振動；針對傳感器則主要是對結構設計的研究，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計，以滿足一些工況的需要。

1.2.3" 國內重要申請人

對科里奧利質量流量計專利文獻進行研究后，根據申請量進行了申請人排名。其中，值得注意的是，艾默生高準這一家美國公司在科里奧利質量流量計的專利申請上占有絕對的數量優勢，且其也是世界最大的質量流量計的研發和生產廠商。1977年，Jim Smith發明了科里奧利質量流量計，并成立了高準公司，將世界上首個直接測量質量流量的技術推向市場；1984年，高準公司加入艾默生集團，從此艾默生高準成為最大的質量流量計廠商。接下來針對國內重要申請人，根據排名順序對排名前5的國內重要申請人進行進一步分析，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、深冷等行業相關的儀表、閥門、泵、自動化儀表及集成系統的研發和制造；科里奧利質量流量計是其主要的研發產品，其產品包括針對CNG、LNG、過程控制的科里奧利質量流量計，以及能夠測量兩相流體的質量流量計；該公司的專利技術主要集中在傳感器的結構設計，該公司其他專利技術主要集中在CNG、LNG加氣機的檢定裝置及檢定方法。

2）西安航天動力研究所：西安航天動力研究所隸屬于中國航天科技集團公司第六研究所，1958年創建于北京，是中國液體火箭發動機的研究、設計單位，針對液體流量，科里奧利質量流量計是非常有效的計量裝置，對于西安航天動力研究所來說流量計的準確與否關系重大，所以該研究所的專利技術主要集中在科里奧利質量流量計的檢定方法和檢定裝置上，西安航天動力研究所共有1 100多件專利申請，除了質量流量計以外還涵蓋航空航天領域的各項技術分支。

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、系統控制儀表的研發和生產，其研發的產品“LZYN型質量流量計”已經量產，該公司的專利技術主要集中在變送器的電路設計及變送器的數據處理方法上；該公司一共擁有285件專利申請，除了質量流量計外，其余的專利申請則包含各種流量計的專利申請。

4）成都瑞帆智達科技有限公司：成都瑞帆智達科技有限公司成立于2015年，主要業務包括自動化控制系統、儀器儀表及相關零部件的設計、開發、制造、銷售、租賃、維修及技術服務，該公司的專利技術主要集中在傳感器的結構設計上；除了對結構設計的保護外，該公司還申請了大量的外觀設計專利，要來保護流量計的外殼的外觀設計。

5）西安航天遠征流體控制股份有限公司：該公司成立于2001年，與西安航天動力研究所一樣，隸屬于中國航天科技集團公司，是以中國航天科技集團公司六院十一所為主發起人，聯合科技布、財政部、航天六院、聯合證券和億陽信通等國有資本，以及中關村科技等民營資本發起設立的高科技股份有限公司，該公司的專利技術比較分散，包括傳感器的故障判斷與處理、結構設計、振動控制方法等，研究較為廣泛；該公司其余專利主要涉及控制系統、生產設備、控制方法的研究。

2" 結束語

經過分析可知，科里奧利質量流量計在專利文獻中具體大量的技術分支，如今的研究熱點主要還是集中在流量計中傳感器的結構設計、材料設計；變送器的電路設計及補償方法上；美國和歐洲在此領域的研究具有較強的影響力，特別是由此流量計的發明人創立的艾默生高準公司影響力巨大；而我國在近年來對科里奧利質量流量計的研究也越發成熟，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方向不盡相同，各有側重，填補了我國在質量流量計研發各方面的短板，技術發展日漸成熟。

參考文獻：

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[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.

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

[8] 徐媛，代顯智.科氏質量流量計信號處理方法探究[J].數字通信世界，2024：17-19.

第一作者簡介：謝聰（1991-），男，碩士，知識產權師。研究方向為發明專利快速預審。