流量傳感器的工作原理、現狀及其發展前景

  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展現狀，并展望了流量傳感器的發展前景。

  關鍵詞：流量傳感器  原理  發展  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，已經廣泛應用于人們生產與生活的方方面面，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，僅工業使用的流量傳感器就有60多種。這60多種流量儀表，每種產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缺點

    1、差壓式流量計

差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的差壓，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。它已發展為三化（系列化、通用化及標準化）程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表，它既可測量流量參數，也可測量其它參數。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。

    差壓式流量計的優點：（1）應用多的孔板式流量計結構牢固，性能穩定可靠，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，便于規模經濟生產。

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構簡單，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不斷地分割成單個已知的體積部分，根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數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、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、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（油品、天然氣等）的總量測量。

容積式流量計的優點：（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）結果復雜，體積龐大；（2）被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大；（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、科里奧利質量流量計稱為流量計中三類重復性、精度*的產品。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）結構緊湊。

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，如鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制，造紙工業測量紙漿液和黑液，化學工業的強腐蝕液，有色冶金工業的礦漿；小口徑、微小口徑常用于醫藥工業、食品工業、生物化學等有衛生要求的場所。

電磁流量計的優點：（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）不產生流量檢測所造成的壓力損失，節能效果好；（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點，近年來它是發展迅速的一類流量計之一。

超聲波流量計的優點：（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、流量傳感器的現狀與應用前景。

1、流量傳感器的現狀

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

現在社會中，流量傳感器廣泛應用于工業生產與科學研究的各個領域。

1. 、工業生產過程
       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、醫藥、農業、環境保護及人民日常生活等國民經濟各個領域，是發展工農業生產，節約能源，改進產品質量，提高經濟效益和管理水平的重要工具在國民經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（壓縮空氣、氧、氮、氫、水）等。能源計量是科學管理能源，實現節能降耗，提高經濟效益的重要手段。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量極其龐大的流量傳感器，它們是能源管理和經濟核算*的工具。 
3. 、環境保護工程
       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。隨著環保問題的突出，管道運輸的特點引起人們的重視。管道運輸必須裝備流量傳感器，它是控制、分配和調度的眼睛，亦是安全監沒和經濟核算的*工具。
5. 、生物制藥
       21世紀將迎來生命科學的世紀，以生物技術為特征的產業將獲得迅速發展。生物技術中需監測計量的物質很多，如血液，尿液等；醫藥行業對各種醫藥配方，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量多，且品種極其繁雜。據統計流量傳感器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，在市面出售，許多科研機構和大企業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

隨著科學技術的發展,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，高溫介質流量，高流速液體，高黏度介質流量測量等。現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展必須取得重大突破。

流量儀表發展趨勢：

1）、傳感器輸出信號的數字化，由于網絡化發展正在興起，生產過程中的控制、管理和維護的計算機集成系統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字信號，可以通過現場總線進行傳輸。

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，有數字通信口能與微機連接，可以充分利用單片機的數據處理功能，減少隨機和系統誤差。具有自動校準功能，具有自檢報警功能，檢查各部件狀態是否正常，以保證測量的正確性，量程可自動調節。

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合在一起。采用新技術、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，示值不受被測介質狀態、參數及物理特性(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濟性緊密相連。發展熱式流量傳感器，利用光纖技術和光學理論發展光學式傳感器,正是大勢所趨。