流量傳感器的工作原理、現(xiàn)狀及其發(fā)展前景

  摘要：介紹了流量傳感器的分類以及幾種常見流量傳感器的工作原理，描述了流量傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，并展望了流量傳感器的發(fā)展前景。

  關(guān)鍵詞：流量傳感器  原理  發(fā)展  前景

• 流量傳感器的分類

在二十一世紀，傳感器作為一種重要的電子器件，已經(jīng)廣泛應用于人們生產(chǎn)與生活的方方面面，流量傳感器就是其中非常重要的一種。流量傳感器是指示被測流量和（或）在選定的時間間隔內(nèi)流體總量的儀表，簡單來說就是用于測量管道或明渠中流體流量的一種儀表。

流量傳感器的種類很多，分類方法也很多。目前為止，僅工業(yè)使用的流量傳感器就有60多種。這60多種流量儀表，每種產(chǎn)品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。按測量對象劃分有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計。按測量原理分又有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。按照目前流行、廣泛的分類法，則可分為：容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計、渦街流量計、質(zhì)量流量計、插入式流量計和探針式流量計。

• 幾種基本流量傳感器的工作原理及其優(yōu)缺點

    1、差壓式流量計

差壓式流量計是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓，已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。差壓式流量計由一次裝置（檢測件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類，如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器及流量顯示儀表。它已發(fā)展為三化（系列化、通用化及標準化）程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表，它既可測量流量參數(shù)，也可測量其它參數(shù)。差壓式流量計是一類應用廣泛的流量計，在各類流量儀表中其使用量占居*。差壓式流量計在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用，如流體方面：單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等；工作狀態(tài)方面：常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等；管徑方面：從幾毫米到幾米；流動條件方面：亞音速、音速、脈動流等。

    差壓式流量計的優(yōu)點：（1）應用多的孔板式流量計結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長；（2）應用范圍廣泛，至今尚無任何一類流量計可與之相比擬；（3）檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產(chǎn)，便于規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)。

差壓式流量計的缺點：（1）測量精度普遍偏低；（2）范圍度窄，一般僅3：1~4：1；（3）現(xiàn)場安裝條件要求高；（4）壓損大。

    2、浮子流量計

浮子流量計，又稱轉(zhuǎn)子流量計，是變面積式流量計的一種，在一根由下向上擴大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的，從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升和下降。浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍寬廣的一類流量計，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。

特點：（1）玻璃錐管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，缺點是耐壓力低，有玻璃管易碎的較大風險；（2）適用于小管徑和低流速；（3）壓力損失較低。

3、容積式流量計

容積式流量計，又稱定排量流量計，簡稱PD流量計，在流量儀表中是精度高的一類。它利用機械測量元件把流體連續(xù)不斷地分割成單個已知的體積部分，根據(jù)測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量。容積式流量計按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉(zhuǎn)筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量大的流量計，常應用于昂貴介質(zhì)（油品、天然氣等）的總量測量。

容積式流量計的優(yōu)點：（1）計量精度高；（2）安裝管道條件對計量精度沒有影響；（3）可用于高粘度液體的測量；（4）范圍度寬；（5）直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計，總量清晰明了，操作簡便。

容積式流量計的缺點：（1）結(jié)果復雜，體積龐大；（2）被測介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大；（3）不適用于高、低溫場合；（4）大部分儀表只適用于潔凈單相流體；（5）產(chǎn)生噪聲及振動。

4、渦輪流量計

渦輪流量計，是速度式流量計中的主要種類，它采用多葉片的轉(zhuǎn)子感受流體平均流速，從而且推導出流量或總量的儀表。一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成，也可做成整體式。渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質(zhì)量流量計稱為流量計中三類重復性、精度*的產(chǎn)品。渦輪流量計在石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體的測量獲得廣泛應用。

渦輪流量計的優(yōu)點：（1）高精度，在所有流量計中，屬于的流量計；（2）重復性好；（3）元零點漂移，抗干擾能力好；（4）范圍度寬；（5）結(jié)構(gòu)緊湊。

渦輪流量計的缺點：（1）不能長期保持校準特性；（2）流體物性對流量特性有較大影響。

5、電磁流量計

電磁流量計是根據(jù)法拉弟電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。電磁流量計有一系列優(yōu)良特性，可以解決其它流量計不易應用的問題，如臟污流、腐蝕流的測量。電磁流量計應用領(lǐng)域廣泛，大口徑儀表較多應用于給排水工程；中小口徑常用于高要求或難測場合，如鋼鐵工業(yè)高爐風口冷卻水控制，造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液，化學工業(yè)的強腐蝕液，有色冶金工業(yè)的礦漿；小口徑、微小口徑常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學等有衛(wèi)生要求的場所。

電磁流量計的優(yōu)點：（1）測量通道是段光滑直管，不會阻塞，適用于測量含固體顆粒的液固二相流體，如紙漿、泥漿、污水等；（2）不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；（3）所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的明顯影響；（4）流量范圍大，口徑范圍寬；（5）可應用腐蝕性流體。

電磁流量計的缺點：（1）不能測量電導率很低的液體，如石油制品；（2）不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；（3）不能用于較高溫度。

7、超聲波流量計

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬*流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。

超聲波流量計的優(yōu)點：（1）可做非接觸式測量；（2）為無流動阻撓測量，無壓力損失；（3）可測量非導電性液體，對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。

超聲波流量計的缺點：1）傳播時間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體；（2）多普勒法測量精度不高。

三、流量傳感器的現(xiàn)狀與應用前景。

1、流量傳感器的現(xiàn)狀

流量傳感器是計量科學技術(shù)的組成部分之一，它與國民經(jīng)濟、國防建設、科學研究有密切的關(guān)系。做好這一工作，對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進科學技術(shù)的發(fā)展都具有重要的作用，特別是在能源危機、工業(yè)生產(chǎn)自動化程度愈來愈高的當今時代，流量傳感器在國民經(jīng)濟中的地位與作用更加明顯。

現(xiàn)在社會中，流量傳感器廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)與科學研究的各個領(lǐng)域。

1. 、工業(yè)生產(chǎn)過程
       流量儀表是過程自動化儀表與裝置中的大類儀表之一，它被廣泛適用于冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、輕紡、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護及人民日常生活等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益和管理水平的重要工具在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。
2. 、能源計量
       能源分為一次能源（煤炭、原油、煤層氣、石油氣和天然氣）、二次能源（電力、焦炭、人工燃氣、成品油、液化石油氣、蒸汽）及載能工質(zhì)（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計量是科學管理能源，實現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益的重要手段。流量儀表是能源計量儀表的重要組成部分，水、人工燃氣、天然氣、蒸汽和油品這些常用的能源都使用著數(shù)量極其龐大的流量傳感器，它們是能源管理和經(jīng)濟核算*的工具。 
3. 、環(huán)境保護工程
       煙氣，廢液、污水等的排放嚴重污染大氣和水資源，嚴重威脅人類生存環(huán)境。空氣和水的污染要得到控制，必須加強管理，而管理的基礎是污染量的定量控制，流量傳感器在煙氣排放、污水、廢氣處理流量傳感器量方面有著不可替代的位置。
4. 、交通運輸
       交通運輸有五種方式：鐵路、公路、航空、水運和管道運輸。其中管道運輸雖早已有之，但應用并不普遍。隨著環(huán)保問題的突出，管道運輸?shù)奶攸c引起人們的重視。管道運輸必須裝備流量傳感器，它是控制、分配和調(diào)度的眼睛，亦是安全監(jiān)沒和經(jīng)濟核算的*工具。
5. 、生物制藥
       21世紀將迎來生命科學的世紀，以生物技術(shù)為特征的產(chǎn)業(yè)將獲得迅速發(fā)展。生物技術(shù)中需監(jiān)測計量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等；醫(yī)藥行業(yè)對各種醫(yī)藥配方，液體制劑成分的控制流量儀表也是不和或缺的。儀表開發(fā)的難度極大，品種繁多。
6. 、科學實驗

科學實驗需要的流量傳感器不但數(shù)量多，且品種極其繁雜。據(jù)統(tǒng)計流量傳感器100多種中很大一部分是應科研之需用的，它們并不批量生產(chǎn)，在市面出售，許多科研機構(gòu)和大企業(yè)皆設專門小組研制的流量傳感器。

2、流量傳感器的的應用前景

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,測量對象的日益增多，對流量的測量和控制也提出了更新、更多且更高的要求，許多流量測量的疑難問題亟待解決。如：特大口徑的流量，微小量，高溫介質(zhì)流量，高流速液體，高黏度介質(zhì)流量測量等。現(xiàn)有的流量儀表往往達不到要求，有些甚至無法測量。而要解決這些問題，流量傳感器在某些方面的發(fā)展必須取得重大突破。

流量儀表發(fā)展趨勢：

1）、傳感器輸出信號的數(shù)字化，由于網(wǎng)絡化發(fā)展正在興起，生產(chǎn)過程中的控制、管理和維護的計算機集成系統(tǒng)CMMS對傳感器的信號進行處理時，要求傳感器的輸出信號必須是數(shù)字信號，可以通過現(xiàn)場總線進行傳輸。

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)字通信口能與微機連接，可以充分利用單片機的數(shù)據(jù)處理功能，減少隨機和系統(tǒng)誤差。具有自動校準功能，具有自檢報警功能，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)、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與經(jīng)濟性緊密相連。發(fā)展熱式流量傳感器，利用光纖技術(shù)和光學理論發(fā)展光學式傳感器,正是大勢所趨。