流量传感器的工作原理、现状及其发展前景

  摘要：介绍了流量传感器的分类以及几种常见流量传感器的工作原理，描述了流量传感器的发展现状，并展望了流量传感器的发展前景。

  关键词：流量传感器  原理  发展  前景

• 流量传感器的分类

在二十一世纪，传感器作为一种重要的电子器件，已经广泛应用于人们生产与生活的方方面面，流量传感器就是其中非常重要的一种。流量传感器是指示被测流量和（或）在选定的时间间隔内流体总量的仪表，简单来说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表。

流量传感器的种类很多，分类方法也很多。目前为止，仅工业使用的流量传感器就有60多种。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。按测量对象划分有封闭管道和明渠两大类；按测量目的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。按测量原理分又有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。按照目前流行、广泛的分类法，则可分为：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、涡街流量计、质量流量计、插入式流量计和探针式流量计。

• 几种基本流量传感器的工作原理及其优缺点

    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。差压式流量计是一类应用广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占居*。差压式流量计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：从几毫米到几米；流动条件方面：亚音速、音速、脉动流等。

    差压式流量计的优点：（1）应用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。

差压式流量计的缺点：（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。

    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。

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高的一类。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。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大的流量计，常应用于昂贵介质（油品、天然气等）的总量测量。

容积式流量计的优点：（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。

容积式流量计的缺点：（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。

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。涡轮流量计在石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体的测量获得广泛应用。

涡轮流量计的优点：（1）高精度，在所有流量计中，属于的流量计；（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。

涡轮流量计的缺点：（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。

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。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。

电磁流量计的优点：（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。

电磁流量计的缺点：（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。

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、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*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。

超声波流量计的优点：（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。

超声波流量计的缺点：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。

三、流量传感器的现状与应用前景。

1、流量传感器的现状

流量传感器是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用，特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量传感器在国民经济中的地位与作用更加明显。

现在社会中，流量传感器广泛应用于工业生产与科学研究的各个领域。

1. 、工业生产过程
       流量仪表是过程自动化仪表与装置中的大类仪表之一，它被广泛适用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环境保护及人民日常生活等国民经济各个领域，是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具在国民经济中占有重要的地位。
2. 、能源计量
       能源分为一次能源（煤炭、原油、煤层气、石油气和天然气）、二次能源（电力、焦炭、人工燃气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水）等。能源计量是科学管理能源，实现节能降耗，提高经济效益的重要手段。流量仪表是能源计量仪表的重要组成部分，水、人工燃气、天然气、蒸汽和油品这些常用的能源都使用着数量极其庞大的流量传感器，它们是能源管理和经济核算*的工具。 
3. 、环境保护工程
       烟气，废液、污水等的排放严重污染大气和水资源，严重威胁人类生存环境。空气和水的污染要得到控制，必须加强管理，而管理的基础是污染量的定量控制，流量传感器在烟气排放、污水、废气处理流量传感器量方面有着不可替代的位置。
4. 、交通运输
       交通运输有五种方式：铁路、公路、航空、水运和管道运输。其中管道运输虽早已有之，但应用并不普遍。随着环保问题的突出，管道运输的特点引起人们的重视。管道运输必须装备流量传感器，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全监没和经济核算的*工具。
5. 、生物制药
       21世纪将迎来生命科学的世纪，以生物技术为特征的产业将获得迅速发展。生物技术中需监测计量的物质很多，如血液，尿液等；医药行业对各种医药配方，液体制剂成分的控制流量仪表也是不和或缺的。仪表开发的难度极大，品种繁多。
6. 、科学实验

科学实验需要的流量传感器不但数量多，且品种极其繁杂。据统计流量传感器100多种中很大一部分是应科研之需用的，它们并不批量生产，在市面出售，许多科研机构和大企业皆设专门小组研制的流量传感器。

2、流量传感器的的应用前景

随着科学技术的发展,测量对象的日益增多，对流量的测量和控制也提出了更新、更多且更高的要求，许多流量测量的疑难问题亟待解决。如：特大口径的流量，微小量，高温介质流量，高流速液体，高黏度介质流量测量等。现有的流量仪表往往达不到要求，有些甚至无法测量。而要解决这些问题，流量传感器在某些方面的发展必须取得重大突破。

流量仪表发展趋势：

1）、传感器输出信号的数字化，由于网络化发展正在兴起，生产过程中的控制、管理和维护的计算机集成系统CMMS对传感器的信号进行处理时，要求传感器的输出信号必须是数字信号，可以通过现场总线进行传输。

2)、智能化，将敏感元件与微处理器和信号处理电路集成到一个芯片上，有数字通信口能与微机连接，可以充分利用单片机的数据处理功能，减少随机和系统误差。具有自动校准功能，具有自检报警功能，检查各部件状态是否正常，以保证测量的正确性，量程可自动调节。

3)、多功能化，将流量测量与温度测量、液位测量、压力测量等功能中的一种或多种结合在一起。采用新技术、新材料，研制新的传感器。

4)、高性能化，要求量程比宽，应用范围广，可靠性高，不接触测量，性价比高，传感器小型化，示值不受被测介质状态、参数及物理特性(温度、压力、密度、黏度等)变化的影响，安装维修方便，寿命长。

5)、化，特殊流量传感器的研究如大流量、小流量、高黏度、高温流体、多相流体、高低压气流等。流量传感器的研究应与经济性紧密相连。发展热式流量传感器，利用光纤技术和光学理论发展光学式传感器,正是大势所趋。