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          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(jì)，傳感器作為一種重要的電子器件，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(cè)流量和（或）在選定的時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表，簡(jiǎn)單來(lái)說就是用于測(cè)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?jī)x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(cè)量對(duì)象劃分有封閉管道和明渠兩大類；按測(cè)量目的可分為總量測(cè)量和流量測(cè)量，其儀表分別稱作總量表和流量計(jì)。按測(cè)量原理分又有力學(xué)原理、熱學(xué)原理、聲學(xué)原理、電學(xué)原理、光學(xué)原理、原子物理學(xué)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(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)、渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、插入式流量計(jì)和探針式流量計(jì)。

• 幾種基本流量傳感器的工作原理及其優(yōu)缺點(diǎn)

    1、差壓式流量計(jì)

差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓，已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)計(jì)算流量的儀表。差壓式流量計(jì)由一次裝置（檢測(cè)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(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類，如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)化）程度很高的、種類規(guī)格龐雜的一大類儀表，它既可測(cè)量流量參數(shù)，也可測(cè)量其它參數(shù)。差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用廣泛的流量計(jì)，在各類流量?jī)x表中其使用量占居*。差壓式流量計(jì)在封閉管道的流量測(cè)量中各種對(duì)象都有應(yīng)用，如流體方面：?jiǎn)蜗?、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(dòng)條件方面：亞音速、音速、脈動(dòng)流等。

    差壓式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：（1）應(yīng)用多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)；（2）應(yīng)用范圍廣泛，至今尚無(wú)任何一類流量計(jì)可與之相比擬；（3）檢測(cè)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(jì)生產(chǎn)。

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

    2、浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)，又稱轉(zhuǎn)子流量計(jì)，是變面積式流量計(jì)的一種，在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動(dòng)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(jì)是僅次于差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍寬廣的一類流量計(jì)，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。

特點(diǎn)：（1）玻璃錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，缺點(diǎn)是耐壓力低，有玻璃管易碎的較大風(fēng)險(xiǎn)；（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(jì)

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

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

容積式流量計(jì)的缺點(diǎn)：（1）結(jié)果復(fù)雜，體積龐大；（2）被測(cè)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(chǎng)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(dòng)。

4、渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)，是速度式流量計(jì)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(dǎo)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(jì)和容積式流量計(jì)、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱為流量計(jì)中三類重復(fù)性、精度*的產(chǎn)品。渦輪流量計(jì)在石油、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體的測(cè)量獲得廣泛應(yīng)用。

渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：（1）高精度，在所有流量計(jì)中，屬于的流量計(jì)；（2）重復(fù)性好；（3）元零點(diǎn)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(jì)的缺點(diǎn)：（1）不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性；（2）流體物性對(duì)流量特性有較大影響。

5、電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電性液體的儀表。電磁流量計(jì)有一系列優(yōu)良特性，可以解決其它流量計(jì)不易應(yīng)用的問題，如臟污流、腐蝕流的測(cè)量。電磁流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程；中小口徑常用于高要求或難測(cè)場(chǎng)合，如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制，造紙工業(yè)測(cè)量紙漿液和黑液，化學(xué)工業(yè)的強(qiáng)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(xué)等有衛(wèi)生要求的場(chǎng)所。

電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：（1）測(cè)量通道是段光滑直管，不會(huì)阻塞，適用于測(cè)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(cè)所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；（3）所測(cè)得體積流量實(shí)際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響；（4）流量范圍大，口徑范圍寬；（5）可應(yīng)用腐蝕性流體。

電磁流量計(jì)的缺點(diǎn)：（1）不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；（2）不能測(cè)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(jì)

超聲波流量計(jì)是通過檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用以測(cè)量流量的儀表。根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)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(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬*流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。

超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：（1）可做非接觸式測(cè)量；（2）為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)壓力損失；（3）可測(cè)量非導(dǎo)電性液體，對(duì)無(wú)阻撓測(cè)量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。

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

三、流量傳感器的現(xiàn)狀與應(yīng)用前景。

1、流量傳感器的現(xiàn)狀

流量傳感器是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究有密切的關(guān)系。做好這一工作，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都具有重要的作用，特別是在能源危機(jī)、工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度愈來(lái)愈高的當(dāng)今時(shí)代，流量傳感器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位與作用更加明顯。

現(xiàn)在社會(huì)中，流量傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。

1. 、工業(yè)生產(chǎn)過程
       流量?jī)x表是過程自動(dòng)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(hù)及人民日常生活等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，是發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，節(jié)約能源，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益和管理水平的重要工具在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。
2. 、能源計(jì)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?xì)狻⒊善酚?、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(jì)量是科學(xué)管理能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。流量?jī)x表是能源計(jì)量?jī)x表的重要組成部分，水、人工燃?xì)?、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(jì)核算*的工具。 
3. 、環(huán)境保護(hù)工程
       煙氣，廢液、污水等的排放嚴(yán)重污染大氣和水資源，嚴(yán)重威脅人類生存環(huán)境?？諝夂退奈廴疽玫娇刂疲仨毤訌?qiáng)管理，而管理的基礎(chǔ)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(yùn)輸
       交通運(yùn)輸有五種方式：鐵路、公路、航空、水運(yùn)和管道運(yùn)輸。其中管道運(yùn)輸雖早已有之，但應(yīng)用并不普遍。隨著環(huán)保問題的突出，管道運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)引起人們的重視。管道運(yùn)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(jì)核算的*工具。
5. 、生物制藥
       21世紀(jì)將迎來(lái)生命科學(xué)的世紀(jì)，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(cè)計(jì)量的物質(zhì)很多，如血液，尿液等；醫(yī)藥行業(yè)對(duì)各種醫(yī)藥配方，液體制劑成分的控制流量?jī)x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(xué)實(shí)驗(yàn)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)流量傳感器100多種中很大一部分是應(yīng)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(jī)構(gòu)和大企業(yè)皆設(shè)專門小組研制的流量傳感器。

2、流量傳感器的的應(yīng)用前景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,測(cè)量對(duì)象的日益增多，對(duì)流量的測(cè)量和控制也提出了更新、更多且更高的要求，許多流量測(cè)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(cè)量等?，F(xiàn)有的流量?jī)x表往往達(dá)不到要求，有些甚至無(wú)法測(cè)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?jī)x表發(fā)展趨勢(shì)：

1）、傳感器輸出信號(hào)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對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，要求傳感器的輸出信號(hào)必須是數(shù)字信號(hào)，可以通過現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行傳輸。

2)、智能化，將敏感元件與微處理器和信號(hào)處理電路集成到一個(gè)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(dòng)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(cè)量的正確性，量程可自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3)、多功能化，將流量測(cè)量與溫度測(cè)量、液位測(cè)量、壓力測(cè)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(cè)量，性價(jià)比高，傳感器小型化，示值不受被測(cè)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(zhǎng)。

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(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(shì)所趨。