流量測量及流量傳感器的現(xiàn)狀

測量流體流量的儀表統(tǒng)稱為流量計(jì)或流量表．流量計(jì)是工業(yè)測量中重要的儀表之一．隨著工業(yè)生 產(chǎn)的發(fā)展，對流量測量的準(zhǔn)確度和范圍的要求越來越高，流量測量技術(shù)日新月異．為了適應(yīng)各種用途， 各種類型的流量計(jì)相繼問世。目前已投入使用的流量計(jì)已超過 100 種。

流量測量的意義

流體流量的測量在工業(yè)生產(chǎn)和過程控制中占有重要地位。由于流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、流動條件以及感測機(jī)理的復(fù)雜性，造成了如今流量測量儀表的多樣性、專用性和價格差異的懸殊性。作為其核心部分的流量傳感器種類繁多而且發(fā)展較快。

流量參數(shù)可謂工業(yè)生產(chǎn)過程、科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)量和進(jìn)行各種經(jīng)濟(jì)核算所必須的重要參數(shù)，是能源計(jì)量的重要組成部分。特別是在熱電廠、石油、礦山、冶金、航空、機(jī)械等領(lǐng)域， 通過流體流量的測量，人們可以了解掌握流動過程、進(jìn)行生產(chǎn)工藝的自動控制、實(shí)行能源管理。從而可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，尤其是在能源危機(jī)、工業(yè)自動化程度越來越高的當(dāng)今時代，流量傳感器在國民經(jīng)濟(jì)中的作用越來越明顯。

流量傳感器的精度高低、穩(wěn)定性好壞及適應(yīng)工作環(huán)境能力的大小、智能化水平和性能價格比高低等指標(biāo)極大地影響著社會各行業(yè)的發(fā)展。而現(xiàn)今向數(shù)字化、智能化、多功能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展是流量傳感器將來發(fā)展的必然趨勢，因此大力研究生產(chǎn)高質(zhì)量的流量傳感器是十分必要的。

流量傳感器的種類及特點(diǎn)

流量傳感器品種繁多，傳統(tǒng)原理的儀表和新型的儀表，在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融入下，不斷推陳出新。新測量原理的研究開發(fā)方興未艾，有些尚處于萌芽狀態(tài)，有些接近實(shí)用階段。

1、容積式

容積式流量傳感器出現(xiàn)較早，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，相當(dāng)于用一個精密的標(biāo)準(zhǔn)容器對被測流體進(jìn)行連續(xù)計(jì)量。被測流體流過時，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，2個驅(qū)動齒輪相互改變主從驅(qū)動關(guān)系作連續(xù)的、沒有死點(diǎn)的不等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。得知轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，就可以求出流體的流量。理論上，這種類型流量計(jì)的測量精度與流體的種類、黏度、密度等屬性無關(guān)。測量誤差一般為±（0.2%～O.5%）R，可作為工業(yè)流量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)儀表。但當(dāng)被測管道直徑較大時，儀表本體顯得過于笨重。

2、渦輪式

渦輪流量傳感器是近30年發(fā)展起來的速度式測量儀表。其工作原理是將渦輪置于被測流體中，液體流動沖擊渦輪葉片轉(zhuǎn)動，渦輪的轉(zhuǎn)速與流體的流量成正比。通過磁電轉(zhuǎn)換裝置將渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸出。

渦輪流量傳感器具有測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；但由于渦輪必須安裝在管道內(nèi)，對被測流體的清潔度要求較高；流體的溫度、黏度、密度對測量精度影響較大；轉(zhuǎn)動部件會帶來軸承的磨損，影響傳感器的使用壽命。

3、差壓式

差壓式流量傳感器生產(chǎn)歷史較長，應(yīng)用十分廣泛，生產(chǎn)已標(biāo)準(zhǔn)化，種類也很多。如：孔板、音速噴嘴、均速管、文丘里管等流量傳感器。差壓式流量傳感器工作原理是利用當(dāng)流體流過內(nèi)置于管道中的節(jié)流件時，其前后會出現(xiàn)一個與流量有關(guān)的壓力差值，通過測量壓差值就可獲得流量值。其特點(diǎn)是節(jié)流件的機(jī)加工精度高，安裝要求嚴(yán)格，其前后必須有足夠長的直管道，保證流體流態(tài)穩(wěn)定；流體壓損大；對于低流速流體，產(chǎn)生的差壓小，誤差增大；不適于脈動的流體測量。

4、動量式

動量式流量計(jì)中最為典型的是靶式流量計(jì)，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的產(chǎn)品，常用來測量較高黏度油料的流量。它的主體是一個圓盤型靶，液體流動時，流動質(zhì)點(diǎn)沖擊在靶上，使靶產(chǎn)生微小的位移，這個位移量反映了流量的大小。

5、變面積式

轉(zhuǎn)子流量傳感器的出現(xiàn)較早，但廣泛應(yīng)用于工業(yè)測量是在近幾十年。它具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、直觀、壓損小、測量范圍大、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

它由一個錐形管和一個置于錐形管中可以上下自由移動的轉(zhuǎn)子組成，傳感器垂直安裝在測量管道上，被測流體由下向上流動，推動轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子懸浮的高度就是流量大小的量度。

6、流體振蕩式

卡門渦街流量傳感器[8]是2O世紀(jì)70年代發(fā)展起來的基于流體振蕩原理的測量儀表，近年來發(fā)展迅速，它利用插入到流體中漩渦發(fā)生體產(chǎn)生的漩渦頻率與流速有確定關(guān)系的原理，獲得流量。其特點(diǎn)是流體壓損??；可以用于液、氣的測量，可測量流速及質(zhì)量流量；對流態(tài)要求穩(wěn)定，管道條件要求嚴(yán)格，必須在漩渦發(fā)生體前后有一定長度的直管段，價格比較高。

7、電磁式

電磁流量傳感器是隨著電子技術(shù)的應(yīng)用而發(fā)展起來的新型流量儀表，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的流量測量領(lǐng)域。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，導(dǎo)電的液體通過測量儀表流動，相當(dāng)于導(dǎo)體通過磁場作切割磁力線的運(yùn)動，由此感應(yīng)出電動勢E，這個電動勢與平均流速成正比。電磁流量計(jì)原則上不受流體的溫度、壓力、密度和黏度等影響，且管道內(nèi)部無阻擋部件和活動部件，不會改變流體原來的狀態(tài)。流速范圍在0～102m/s均可應(yīng)用。適合于易燃、易爆、腐蝕性強(qiáng)的介質(zhì)。但它在某些方面也有局限性；被測介質(zhì)必須是導(dǎo)電液體，電導(dǎo)率大于10-3S/m；不能用來測量鐵磁性介質(zhì)的流量；信號易受外磁場干擾。

8、玻耳帖式

玻耳帖式低流速氣體傳感器（流速大于2×10-2m/s）是基于玻耳帖電動勢原理和溫差電動勢原理，傳感器自身溫度僅15K，沒有熱紊亂。敏感元件上涂有保護(hù)膜，抗污染腐蝕能力強(qiáng)，壽命長，由于其自身溫度不高，所以對氣體溫度要求不嚴(yán)，可以測量高溫流體，工作溫度范圍寬。

9、光纖式

光纖流量傳感器是將光纖技術(shù)與流量傳感器組合到一起，使流量信息經(jīng)過傳感器后在光纖發(fā)訊頭處轉(zhuǎn)換成光信號。再經(jīng)光纖傳輸?shù)胶罄m(xù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，便于實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化管理，1臺微機(jī)即可以管理監(jiān)控多個傳感器。這樣既保持了原傳感器的優(yōu)勢又融入了光纖傳輸線路抗干擾的優(yōu)點(diǎn)。

10、超聲波式

超聲波流量傳感器是依據(jù)超聲波在流體中傳播時會載帶流體流速信息的原理，適用于兩相流流體測量，要求被測流體含有一定量的能反向超聲波的介質(zhì)，即流體中有固體粒子或氣泡等兩相介質(zhì)。

11、質(zhì)量式

科理奧利質(zhì)量流量傳感器應(yīng)用廣泛，液體和氣體測量均可適用，20世紀(jì)70年代產(chǎn)生于美國，利用流體力學(xué)的原理，建立流體質(zhì)量流量與流體作用力之間的函數(shù)關(guān)系。主要適用于液體測量，對于氣體測量則要求在高壓下，以確保質(zhì)量流量在測量范圍內(nèi)，適于在管道口徑小于200mm條件下的測量，當(dāng)流體壓力變化大時，測量誤差增大。

12、激光式

多普勒傳感器，將激光技術(shù)引入到流量測量中，與多普勒流量傳感器相結(jié)合。它可以測量低流速流體，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，但必須在流體中注入反射粒子，這就限制了它的測量范圍。

13、熱線式

熱式流量傳感器為流量計(jì)量帶來了一場革命，實(shí)現(xiàn)了直接測量流體質(zhì)量流量的目的。它利用傳熱學(xué)和流體力學(xué)理論，采用熱平衡原理，建立熱敏元件熱量損失與流體流速、質(zhì)量流量之間的函數(shù)關(guān)系，從而獲得流體流速、流量。熱式流量傳感器主要有熱線式、熱敏電阻式、半導(dǎo)體集成電路式等多種，根據(jù)管道中熱元件的熱量耗散與流速、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量的測量；表面熱阻式，就是把熱源放在管道的外側(cè)，加熱管內(nèi)流體，通過測量流體熱量的變化求出質(zhì)量流量。

雖然由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各種補(bǔ)償技術(shù)不斷提高，使熱線式流量傳感器的精度大大提高，測量范圍擴(kuò)大，但熱線式流量傳感器一致性很差，難以進(jìn)行批量生產(chǎn)：當(dāng)測低流速流體時，熱紊亂很大，熱線抗污染腐蝕能力差，價格高，易損壞。測量中有電子噪聲，導(dǎo)致它的響應(yīng)速度下降。

流量儀表的發(fā)展趨勢

1）傳感器輸出信號的數(shù)字化，由于網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展正在興起，生產(chǎn)過程中的控制、管理和維護(hù)的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)CMMS（Control，Management，andMaintenance System）對傳感器的信號進(jìn)行處理時，要求傳感器的輸出信號必須是數(shù)字信號，可以通過現(xiàn)場總線進(jìn)行傳輸。目前國外許多行業(yè)都在大力推行傳感器數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，制定傳感器輸出信號標(biāo)準(zhǔn)。所以國內(nèi)在研究開發(fā)流量傳感器時應(yīng)該有意識地設(shè)計(jì)符合這一要求的流量傳感器。

2）智能化，將敏感元件與微處理器和信號處理電路集成到一個芯片上，有數(shù)字通信口能與微機(jī)連接，可以充分利用單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，減少隨機(jī)和系統(tǒng)誤差。具有自動校準(zhǔn)功能；具有自檢報(bào)警功能，檢查各部件狀態(tài)是否正常，以保證測量的正確性；量程可自動調(diào)節(jié)。

3）多功能化，將流量測量與溫度測量、液位測量、壓力測量等功能中的一種或多種結(jié)合在一起。采用新技術(shù)、新材料，研制新的傳感器。

4）高性能化，要求量程比寬，應(yīng)用范圍廣，可靠性高，不接觸測量，性價比高，傳感器小型化，示值不受被測介質(zhì)狀態(tài)、參數(shù)及物理特性（溫度、壓力、密度、黏度等）變化的影響，安裝維修方便，壽命長。

5）專用化，特殊流量傳感器的研究如大流量、小流量、高黏度、高溫流體、多相流體、高低壓氣流等。流量傳感器的研究應(yīng)與經(jīng)濟(jì)性緊密相連。發(fā)展熱式流量傳感器，利用光纖技術(shù)和光學(xué)理論發(fā)展光學(xué)式傳感器，正是大勢所趨。

根據(jù)流體的特性來選擇流量傳感器

選擇流量傳感器不僅需要根據(jù)自己的工況參數(shù)進(jìn)行選擇，還要參考自己所測流體的特性。流體的特性也是影響流量傳感器選擇的一個重要因素。

1、對于具有腐蝕、結(jié)垢、臟污類的流體

如果要測量這類流體需要選用有轉(zhuǎn)動件及有檢測件的傳感器，如果選擇超聲波和電磁類的流量傳感器都會因腐蝕管道而帶來測量誤差。

2、粘性液體粘性相差較大的流體

這種情況您需要選擇容積式流量傳感器，，而不宜選用渦輪、浮子、渦街等流量傳感器。

3、對于特殊流體參數(shù)的流量傳感器

特殊的流體參數(shù)比如，壓縮性系數(shù)影響差壓式，電導(dǎo)率影響電磁等。

4、與許多物理參數(shù)(如壓力、溫度、物位、成分)不同的是，流量必須以流體流動為前提，沒有流動就不存在流量。

不同的流體特性和環(huán)境工況，所對應(yīng)的流量傳感器是不同的，為了節(jié)約汽車等交通運(yùn)輸設(shè)備的發(fā)動機(jī)能源消耗，選用旋轉(zhuǎn)活塞式流量傳感器可以做到精準(zhǔn)計(jì)量。

U-How?康匯燃油流量計(jì)

U-How?康匯流量計(jì)是上海康匯實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，根據(jù)旋轉(zhuǎn)活塞式工作原理自主研發(fā)生產(chǎn)的，具有測量流速低、量程寬、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作安全可靠等特點(diǎn)的高精度流量傳感器。

工作原理

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)，是屬于容積式流量計(jì)，它基于活塞與計(jì)量室一直保持的相切密封狀態(tài)。并有一個固定的偏心距計(jì)量元件活塞，在壓差的作用下，對活塞產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使活塞做偏心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，活塞的轉(zhuǎn)數(shù)正比于流體的流量，通過記數(shù)機(jī)構(gòu)記錄出活塞轉(zhuǎn)數(shù)，即可測得流體總流量。

旋轉(zhuǎn)活塞式流量計(jì)進(jìn)出口由隔板隔開。當(dāng)被測流體從進(jìn)口進(jìn)入計(jì)量室，這時進(jìn)出口形成壓差，迫使活塞逆時針旋轉(zhuǎn)如圖a所示。流體連續(xù)流入，迫使活塞轉(zhuǎn)動如圖b所示，形成二個半月牙腔體，在壓差作用下迫使活塞轉(zhuǎn)動如圖c，V2流體從出口排出，使活塞轉(zhuǎn)動如圖d所示，在壓差作用下轉(zhuǎn)動，活塞每轉(zhuǎn)一周迸出的流體等于V1+V2的和。

工作原理圖

流量計(jì)爆炸圖：