流量传感器

种类

 

　　用以测量管路中流体流量（单位时间内通过的流体体积）的仪表。有转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。

　　流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。

　　这60多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计。

　　总量表测量一段时间内流过管道的流量，是以短暂时间内流过的总量除以该时间的商来表示，实际上流量计通常亦备有累积流量装置，做总量表使用，而总量表亦备有流量发讯装置。因此，以严格意义来分流量计和总量表已无实际意义。

　　按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。

　　按照目前、最广泛的分类法，即分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计，来分别阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及国内外的发展情况。

　　1、差压式流量计

　　差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。

　　差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。

　　二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器及流量显示仪表。它已发展为三化（系列化、通用化及标准化）程度很高的、种类规格庞杂的一大类仪表，它既可测量流量参数，也可测量其它参数（如压力、物位、密度等）。

　　差压式流量计的检测件按其作用原理可分为：节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。

　　检测件又可按其标准化程度分为二大类：标准的和非标准的。

　　所谓标准检测件是只要按照标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实流标定即可确定其流量值和估算测量误差。

　　非标准检测件是成熟程度较差的，尚未列入国际标准中的检测件。

　　差压式流量计是一类应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居首位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降，但目前仍是最重要的一类流量计。

　　优点：

　　（1）应用最多的孔板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长；

　　（2）应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；

　　（3）检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。

　　缺点：

　　（1）测量精度普遍偏低；

　　（2）范围度窄，一般仅3：1~4：1；

　　（3）现场安装条件要求高；

　　（4）压损大（指孔板、喷嘴等）。

　　注：一种新型产品：引进美国航天航空局而开发的平衡流量计，这种流量计的测量精度是传统节流装置的5-10倍，压力损失1/3。压力恢复快2倍，最小直管段可以小至1.5D，安装和使用方便，大大减少流体运行的能力消耗。

　　应用概况：

　　差压式流量计应用范围特别广泛，在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用，如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几mm到几m；流动条件方面：亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4~1/3。

　　2、浮子流量计

　　浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。

　　浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用。

　　80年代中期，日本、西欧、美国的销售金额占流量仪表的15[%]~20[%]。中国产量1990年估计在12~14万台，其中95[%]以上为玻璃锥管浮子流量计。

　　特点：

　　（1）玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便，缺点是耐压力低，有玻璃管易碎的较大风险；

　　（2）适用于小管径和低流速；

　　（3）压力损失较低。

　　3、容积式流量计

　　容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。

　　容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

　　优点：

　　（1）计量精度高；

　　（2）安装管道条件对计量精度没有影响；

　　（3）可用于高粘度液体的测量；

　　（4）范围度宽；

　　（5）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，清晰明了，操作简便。

　　缺点：

　　（1）结果复杂，体积庞大；

　　（2）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；

　　（3）不适用于高、低温场合；

　　（4）大部分仪表只适用于洁净单相流体；

　　（5）产生噪声及振动。

　　应用概况：

　　容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量的流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。

　　工业发达国家近年PD流量计（不包括家用煤气表和家用水表）的销售金额占流量仪表的13[%]~23[%]；我国约占20[%]，1990年产量（不包括家用煤气表）估计为34万台，其中椭圆齿轮式和腰轮式分别约占70[%]和20[%]。

　　4、涡轮流量计

　　涡轮流量计，是速度式流量计中的主要种类，它采用多叶片的转子（涡轮）感受流体平均流速，从而且推导出流量或总量的仪表。

　　一般它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。

　　涡轮流量计和容积式流量计、科里奥利质量流量计称为流量计中三类重复性、精度的产品，作为十大类型流量计之一，其产品已发展为多品种、多系列批量生产的规模。

　　优点：

　　（1）高精度，在所有流量计中，属于最精确的流量计；

　　（2）重复性好；

　　（3）元零点漂移，抗干扰能力好；

　　（4）范围度宽；

　　（5）结构紧凑。

　　缺点：

　　（1）不能长期保持校准特性；

　　（2）流体物性对流量特性有较大影响。

　　应用概况：

　　涡轮流量计在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体统在欧洲和美国，涡轮流量计在用量上是仅次于孔板流量计的天然计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸，压力从0.8~6.5MPa的气体涡轮流量计，它们已成为优良的天然气计量仪表。

　　5、电磁流量计

　　电磁流量计是根据法拉弟电磁感应定律制成的一种测量导电性液体的仪表。

　　电磁流量计有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。

　　70、80年代电磁流量在技术上有重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，在流量仪表中其使用量百分数不断上升。

　　优点：

　　（1）测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；

　　（2）不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；

　　（3）所测得体积流量实际上不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的明显影响；

　　（4）流量范围大，口径范围宽；

　　（5）可应用腐蚀性流体。

　　缺点：

　　（1）不能测量电导率很低的液体，如石油制品；

　　（2）不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；

　　（3）不能用于较高温度。

　　应用概况：

　　电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径、微小口径常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

　　6、涡街流量计

　　涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。

　　涡街流量计按频率检出方式可分为：应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。

　　涡街流量计是属于最年轻的一类流量计，但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。

　　优点：

　　（1）结构简单牢固；

　　（2）适用流体种类多；

　　（3）精度较高；

　　（4）范围度宽；

　　（5）压损小。

　　缺点：

　　（1）不适用于低雷诺数测量；

　　（2）需较长直管段；

　　（3）仪表系数较低（与涡轮流量计相比）；

　　（4）仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

　　7、超声波流量计

　　超声波流量计是通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的仪表。

　　根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

　　超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。

　　优点：

　　（1）可做非接触式测量；

　　（2）为无流动阻挠测量，无压力损失；

　　（3）可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。

　　缺点：

　　（1）传播时间法只能用于清洁液体和气体；而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体；

　　（2）多普勒法测量精度不高。

　　应用概况：

　　（1）传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、：怪液、液化天然气等；

　　（2）气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验；

　　（3）多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，例如：未处理污水、工厂排放液、脏流程液；通常不适用于非常清洁的液体。

　　8、科里奥利质量流量计

　　科里奥利质量流量计（以下简称CMF）是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。

　　我国CMF的应用起步较晚，近年已有几家制造厂自行开发供应市场；还有几家制造厂组建合资企业或引用国外技术生产系列仪表。

　　9、热式气体质量流量计

　　热式流量计传感器包含两个传感元件，一个速度传感器和一个温度传感器。它们自动地补偿和校正气体温度变化。仪表的电加热部分将速度传感器加热到高于工况温度的某一个定值，使速度传感器和测量工况温度的传感器之间形成恒定温差。当保持温差不变时，电加热消耗的能量，也可以说热消散值，与流过气体的质量流量成正比。

　　热式气体质量流量计即Mass Flow Meter（缩写为MFM），它是气体流量计量中新型仪表，区别于其它气体流量计不需要进行压力和温度修正，直接测量气体的质量流量，一支传感器可以做到量程从极低到高量程。它适合单一气体和固定比例多组份气体的测量。

　　热式气体质量流量计是用于测量和控制气体质量流量的新型仪表。可用于石油、化工、钢铁、冶金、电力、轻工、医药、环保等工业部门的空气、烃类气体、可燃性气体、烟道气体的监测。

　　特点：

　　（1）可靠性高，重复性好，测量精度高，压损小；

　　（2）无活动部件，量程比宽，响应速度快，无须温压补偿。

　　应用：

　　（1）工业管道中气体质量流量测量；

　　（2）烟囱排出的烟气流速测量；

　　（3）煅烧炉烟道气流量测量；

　　（4）燃气过程中空气流量测量；

　　（5）压缩空气流量测量；

　　（6）半道体芯片制造过程中气体流量测量；

　　（7）污水处理中气体流量测量；

　　（8）加热通风和空调系统中的气体流量测量；

　　（9）熔剂回收系统气体流量测量；

　　（10）燃烧锅炉中燃烧气体流量测量；

　　（11）天然气、火炬气、氢气等气体流量测量；

　　（12）啤酒生产过程中二氧化碳气体流量测量；

　　（13）水泥、卷烟、玻璃厂生产过程中气体质量流量测量。

　　10、明渠流量计

　　与前述几种不同，它是在非满管状敞开渠道测量自由表面自然流的流量仪表。

　　非满管态流动的水路称作明渠，测量明渠中水流流量的称作明渠流量计（open channel flowmeter）。

　　明渠流量计除圆形外，还有U字形、梯形、矩形等多种形状。

　　明渠流量计应用场所有城市供水引水渠；火电厂引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工矿企业水排放以及水利工程和农业灌溉用渠道。有人估计1995台，约占流量仪表整体的1.6[%]，但是国内应用尚无估计数据。

研发

      1、静电流量计（electrostatic flowmeter）

　　日本东京技术学院研制适用于石油输送管线低导电液体流量测量的静电流量计。

　　静电流量计的金属测量管绝缘地与管系连接，测量电容器上静电荷便可知道测量管内的电荷。他们分别作了内径4~8mm铜、不锈钢等金属和塑料测量管仪表的实流试验，试验表明流量与电荷之间接近于线性。

　　2、复合效应流量仪表（combined effects meter）

　　该仪表的工作原理是基于流体的动量和压力作用于仪表腔体产生的变形，测量复合效应的变形求取流量。本仪表由美国GMI工程和管理学院开发，已申请两项专利。

　　3、转速表式流量传感器（tachmetric flowrate sensor）

　　它是由俄罗斯科学工程中心工业仪表公司开发，是基于悬浮效应理论研制的。该仪表已在若干现场成功的应用（例如在核电站安装2000余台测量热水流量，连续使用8年），且还在改进以扩大应用领域。

 

发展

       1、科里奥利质量流量计（CMF）：国外已发展30余系列，各系列开发在技术上着眼点在于流量检测测量管结构上设计创新；提高仪表零点稳定性和精确度等性能；增加测量管挠度，提高灵敏度；改善测量管应力分布，降低疲劳损坏，加强抗振动干扰能力等。

　　2、电磁流量计（EMF）：从50年代初进入工业应用以来，使用领域日益扩展，80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占16[%]~20[%]。

　　我国近年发展迅速，1994年销售估计为6500~7500台。国内已生产口径为2~6m的ENF，并有实流校验口径3m的设备能力。

　　3、涡街流量计（USF）：在60年代后期进入工业应用，80年代后期起在各国流量仪表销售金额中已占4[%]~6[%]。1992年世界范围估计销售量为3.54.8万台，同期国内产品估计在8000~9000台。

　　4、威力巴流量计：采用了完全符合空气动力学原理的工程结构设计，是一种在精度、功效及可靠方面达到了无比卓越程度的传感元件。

原理

　　流量传感器是新世联热销的传感器之一，欢迎来电咨询流量传感器具体的工作原理与流量传感器应用解决方案等。以下是流量传感器的工作原理大概：

　　为保证制造业无故障检测及检测结果的可靠性，许多过程都需要液体或气体介质的流入和流出量保持一致。在自动化生产过程中，除了压力和温度，流量的测量也是非常重要的。根据对流量进行持续监控或限值监控的要求，流量传感器的输出信号可以选择为对应当前流速的模拟量或开关量。每一种应用对于流量传感器都有特殊的要求。

　　流量传感器主要应用于制造业

　　各种测量原理

　　不同物理原理的电子式或机械式流量监控有各具优势的测量方式。如根据热传导原理，介质的流速不同，则产生的热量不同。在线传感器根据已知管道的横截面来确定流量——首先检测流速，然后根据流速计算流量。图尔克FTCI 系列流量传感器可显示当前流量，性能稳定，但不同的介质导热系数不同，它通常仅适用于水或加入乙二醇的混合液。依据克利奥利原理进行液体和气体流量检测的质量流量计价格昂贵。当介质流过弯管处时，质量流量计使其产生振荡，并测量由此产生的克利奥利力。质量流量计的优点是测量精度高，动态测量范围，低压力损失，同时适用于气体和液体。

　　流量传感器测量原理：热传导原理，FTCI；电磁感应原理，FCMI；涡街原理FCVI。

　　超声波流量测量主要有两种方法：多普勒法，即利用介质反射声波使频率发生改变，声源和接收声波的介质相对运动时产生频差。运行时间法，即声速叠加介质流速，若超声波与水流方向一致，则运行时间短，反之运行时间就长，流速可由运行时间差运算得来。另一个重要原理是涡流频率法，也称涡街原理，即流体中放置阻流体而形成卡曼涡街，在有一定流量的情况下，阻流体两侧形成规则漩涡。图尔克FCVI 涡街流量计能够敏锐感知介质压力及温度的变化，因此非常适合进行过程及冷水回路的控制，尤其适合水的监测。差压法基于柏努利原理——管道交叉部分狭窄，形成管口，由于管道系统中任意位置流量相同，因此形成压降，根据柏努利原理可计算出流量。

　　基于电磁感应原理进行流量监测的流量计适合检测所有电导率大于15μS/cm 的可导电液体。在磁场中，运动的带电粒子产生电压，其大小与介质的平均流速成正比，FCMI 电磁流量计测量精度为测量值的2[%]，流体中不存在机械可移动部件，另外，弯管处无需减小管径，因此不会产生压力损失。

水流量传感器原理

　　流量传感器　　水流量传感器主要由铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件组成(见图1)。它装在热水器的进水端用于测量进水流量。当水流过转子组件时,磁性转子转动,并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器,由控制器判断水流量的大小,调节控制比例阀的电流,从而通过比例阀控制燃气气量,避免燃气热水器在使用过程中出现夏暖冬凉的现象。水流量传感器从根本上解决了压差式水气联动阀启动水压高以及翻板式水阀易误动作出现干烧等缺点。它具有反映灵敏、寿命长、动作迅速、安全可靠、连接方便利启动流量超低(1．5L/min)等优点,深受广大用户喜爱。

　　水流转子组件主要由涡轮开关壳、磁性转子、制动环组成。使用水流开关方式时,其性能优于机械式压差盘结构,且尺寸明显缩校当水流通过涡轮开关壳,推动磁性转子旋转,不同磁极靠近霍尔元件时霍尔元件导通,离开时霍尔元件断开。由此,可测量出转子转速。根据实测的水流量、转子转速和输出信号(电压)的曲线,便可确定出热水器的启动水压,以及启动水压相对应的启动水流量与转子的启动转速。由控制电路,便可实现当转子转速大于启动转速时热水器启动工作；在转速小于启动转速时,热水器停止工作。这样热水器启动水压一般设定在0．01MPa,启动水流量为3～5L/min(需满足热水器标准对温升的限制)。另外,由于水在永磁材料磁场切割下,变成磁化水,水中的含氧量增加,使人洗浴后感觉清爽。制动环的作用是停水时,制止高速旋转的磁性转子转动,终止脉冲信号输出。控制器接收不到脉冲信号,立即控制燃气比例阀关阀,切断气源,防止干烧。

　　2基本原理

　　水流量传感器是利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁性物理量。在霍尔元件的正极串入负载电阻,同时通上5V的直流电压并使电流方向与磁场方向正交。当水通过涡轮开关壳推动磁性转子转动时,产生不同磁极的旋转磁场,切割磁感应线,产生高低脉冲电平。由于霍尔元件的输出脉冲信号频率与磁性转子的转速成正比,转子的转速又与水流量成正比,根据水流量的大小启动燃气热水器。其脉冲信号频率的经验公式见式(1)。

　　f=8．1q-3(1)

　　式中：f—脉冲信号频率,H2

　　q—水流量,L/min

　　由水流量传感器的反馈信号通过控制器判断水流量的值。根据燃气热水器机型的不同,选择的启动流量,可实现超低压(0．02MPa以下)启动。

　　3水流量传感器与水气联动阀的比较

　　压差式水气联动阀的缺点是启动水压高,而要想降低启动水压就需要牺牲一定的稳流特性(水压波动时的流量稳定能力)。

　　为了能使两者兼顾,唯有加大水阀膜片,但这样随着阀体的增大成本会升高,且水流启动压力指标也不能做得太低。对水流量传感器,在出水端增加稳流组件,利用稳流。形圈的几何尺寸及物理性能,通过试验成功开发了适用于不同容量热水器的稳流组件,具有很好的稳流特性(进水压力在0．1～0．5MPa变化时,出水量变化在3L/min以内),保证进水压力变化时,保持流量在一定范围内,达到恒温效果。

　　比较压差式水气联动阀与水流量传感器,可以看出,前者是机械式,结构较复杂,体积大,但控制电路简单；后者是电气式,结构相对简单,体积小,但控制电路复杂。更为重要的是前者启动水压较高,水路系统阻力较大,不宜用在10L/min以上的大容量热水器AZ；而后者启动水压低,水路系统阻力小,在10L/min以上的大容量热水器上已普遍采用。

　　4结语

　　近年来,采用水流量传感器测量流量在强排式数码恒温燃气热水器中被大量应用的事实证明,采用水流量传感器具有结构简单、可靠性高、测量范围广等特点。如果能配合燃气比例阀的气量比例调节,就可以实现燃气热水器在燃烧过程的全自动控制。