流量传感器简介及分类

流量传感器简介及分类
检定规程和流量仪表标准是流量传感器可以准确进行测量的保障。在很多领域里，流量的准确测量都非常的重要，在经济领域内被广泛应用，例如：环境监测、医疗卫生、安全防护以及贸易结算等等。
款式分类
按照流量传感器的结构型式可分为叶片（翼板）式、量芯式、热线式、热膜式、卡门涡旋式等几种。
按其标准性质来分类，可以分为下面几类。方法标准：一些传感器的计算方法、 检测方法、试验方法以及性能的评定方法等等;基础标准：一些传感器的规范的基本参数、型号、命名以及在测量过程中的专业术语;产品标准：此类传感器已被快易优收录，它规定传感器的技术要求、验收的规则、试验的方法以及产品的分类，除此之外，还有正确安装和使用的要求等等。有一些标准只有正确的安装和使用技术，这些就是产品标准中的产品应用性质。
如果按照中国标准级别分的话，就可以分为四大类：企业标准、地方标准、行业标准以及国家标准。
1)按输入量分类：位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等
2)按工作原理分类：应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等
3)按物理现象分类：结构型传感器、特性型传感器
4)按能量关系分类：能量转换型传感器、能量控制传感器
5)按输出信号分类：模拟式传感器、数字式传感器 [1] 
产品特点编辑 播报
体积小、重量轻、显示读数直观、清晰。
可靠性高、不受外界电源影响、抗雷击。
功能特性编辑 播报
目前可以根据水流量的大小设计挡板，减少水流通过流量传感器产生的水阻力，减少水系统压头损失，但由于挡板式长期受水流的冲击仍然有疲劳的问题，即使在工厂标定好流量值的也会发生设定点飘移。
通常在保护流量值不要求精确的地方使用，即用于水管内的水流突然中断的断流保护。在国内针对水源热泵机组设计的非常少。
挡板式是专门针对水环/地源热泵空调机组的水流量监控而开发的，它针对不同的管径配有不同的挡片，每种挡片的水阻不超过0.5米水柱，相比靶式水阻已大大降低。
每个挡板式流量传感器都配有与水环热泵机组水管相同的管件，现场只需连接上水管即可，不需对挡片做任何改变，另外挡板式水流开关的承压大于25bar，在对水流量要求不高的水环热泵机组是一个低成本的水流开关。
经过在水环/地源热泵机组上使用的反馈来看，压差开关能有效判断水环热泵机组现场安装的水管路的问题，能彻底避免水流量少造成换热器冻坏的情况，流量传感器也可以保护由于水过滤器堵塞造成的水流量下降时换热器冻坏的情况，另外水管路压差开关没有靶流开关疲劳破坏的风险。
尤其在水管路有少量空气时，流量传感器工作非常稳定，不会出现类似靶流开关的漂浮情况，经过多年使用的反馈未发现压差开关本身有故障的情况。
温度安装方法编辑 播报
1.一次计量系统：这种安装情况指在整个供暖系统中，只有这一个计量系统。
2.二次计量系统：和一次系统不同的是安装位置处的计量属于第二次计量。
3.家庭用户中的单独供暖计量：随着分户计量的普及和供暖节能工程的推进目前这种安装方法比较常见。
4.垂直供暖的分配计量：主要用于垂直供暖系统中的供暖计量。
原理编辑 播报
基本原理
超声波流量计的基本原理及类型超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。
根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中。
流体特性
流体类型流体分为液体、气体、蒸汽。有些传感器（如电磁式）不能测气体；插入热式则不能测液体。
温度、压力、密度它们是选择传感器提供的重要参数，特别是在工况下的参数，对于气体流量还应了解其体积流量是工作状态，还是标准状态。
粘性液体粘性相差较大会影响选型，如粘性大的液体宜用容积式流量传感器，而不宜选用涡轮、浮子、涡街等流量传感器。
腐蚀、结垢、脏污对于这类流体，不宜选用有转动件及有检测件的传感器。即使对于超声、电磁式流量传感器，也会因腐蚀管道带来误差。如口径50MM，结垢0.5～1MM，将带来0.5～1%的误差。
特殊参数某些流体参数会影响传感器的工作，如压缩性系数影响差压式；比热及热传导系数影响热式；电导率影响电磁；声速影响超声。
单相、多相相是指在一个系统中具有相同的物理、化学性质的物质，不同的相有较明显的界面，通常工业中大多为单相，随着工业的发展出现了多相流（气固、气液、液固或气固液）等的流量测量问题。
流动的状态
与许多物理参数（如压力、温度、物位、成分）不同的是，流量必须以流体流动为前提，没有流动就不存在流量。
满管、非满管一般流体均应充满管道，但当液体流量较小，管道又处于水平时，则可能出现非满管流动，已有非满管流量传感器。
技术参数
总量、流量总量（单位为M3或KG），多用于贸易核算，准确度居于首位。流量（瞬时量单位为M3/H，KG/H），多用于流程工业，是控制系统的信息源头，重复性是首位。
连续，开关一般流量传感器的输出为连续量，而开关量可用于简单的二位式控制或设备保护，要求可靠性良好。
准确度准确度不仅取决传感器本身，还取决于校验系统，是外加特性。要说明在什么流量范围内的准确度，如果用于控制系统，还应考虑与整个系统准确度相匹配。注意：厂家注明的误差是%FS（上限）；还是%RD（测值）。
重复性重复性是指环境条件介质参数不变时，对某一流量值多次测量的一致性，是传感器本身的特征。在流程工业控制系统中，重复性往往比准确度还重要。不少厂家把重复性误导为准确度，准确度应包括重复性与标定装置的流量不确定度。
量程比在一定准确度范围内，最大与最小流量之比。差压式流量传感器，从传感器本身可以有较大量程比，但受二次表制约，一般只有3：1。
压力损失流量传感器（除电磁、超声）都有检测件（如孔板、涡轮等），以及强制改变流向（如弯头、科氏）都将产生不可恢复压力损失，它将额外增加输送的动力，才能维持正常运，有些数额很大，在提倡节能的今天应引起重视。
输出信号一般为标准的模拟信号（0～10V，4～20MA等）已不能适应系统发展要求。通讯要求数字信号，ROSEMOUNT推出了HART协议，RS232/RS485转换器，RS232限于2KM以内，RS485可达10KM。
响应时间输出信号随流量参数变化反应的时间，对控制系统来说，越短越好；对脉动流，则希望有较慢的输出响应。
综合性能传感器的性能指标是相互制约的，如样本中压力上限为2MPA；温度为250℃，口径为1M；则当口径为1M时，压力可能只能为1.5MPA，温度只能是200℃，不可能同为极限值。
传感器分类编辑 播报
1、水流量传感器
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。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、连接方便启动流量超低（1.5L/min）等优点，深受广大用户喜爱。 [2] 
2、插入式流量传感器
插入式流量传感器工作原理是基于法拉第电磁感应定律。在电磁流量传感器中，测量管内的导电介质相当于法拉第试验中的导电金属杆，上下两端的两个电磁线圈产生恒定磁场。当有导电介质流过时，则会产生感应电压。管道内部的两个电极测量产生的感应电压。测量管道通过不导电的内衬（橡胶，特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。 [3] 
类型编辑 播报
叶片式
叶片式空气流量传感器的结构、工作原理及检测
传感器
传感器
传统的波许L型汽油喷射系统及一些中档车型采用这种叶片式空气流量传感器。其结构如图 1所示，由空气流量计和电位计两部分组成。空气流量计在进气通道内有一个可绕轴摆动的旋转翼片（测量片），如图 2所示，作用在轴上的卷簧可使测量片关闭进气通路。发动机工作时，进气气流经过空气流量计推动测量片偏转，使其开启。测量片开启角度的大小取决于进气气流对测量片的推力与测量片轴上卷簧弹力的平衡状况。进气量的大小由驾驶员操纵节气门来改变。进气量愈大，气流对测量片的推力愈大，测量片的开启角度也就愈大。在测量片轴上连着一个电位计，如图 3所示。电位计的滑动臂与测量片同轴同步转动，把测量片开启角度的变化（即进气量的变化）转换为电阻值的变化。电位计通过导线、连接器与ECU连接。ECU根据电位计电阻的变化量或作用在其上的电压的变化量，测得发动机的进气量，如图 4所示。
在叶片式空气流量传感器内，通常还有一电动汽油泵开关，如图 5所示。当发动机起动运转时，测量片偏转，该开关触点闭合，电动汽油泵通电运转；发动机熄火后，测量片在回转至关闭位置的同时，使电动汽油泵开关断开。此时，即使点火开关处于开启位置，电动汽油泵也不工作。
流量传感器内还有一个进气温度传感器，用于测量进气温度，为进气量作温度补偿。
叶片式空气流量传感器导线连接器一般有7个端子，如图 5中的39、36、6、9、8、7、27。但也有将电位计内部的电动汽油泵控制触点开关取消后，变为5个端子的。图 6示出了日产和丰田车用叶片式空气流量传感器导线连接器端子的“标记”。其端子“标记”一般标注在连接器的护套上。
涡街式
涡街流量传感器主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量传感器采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度范围内工作。有模拟标准信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，是一种比较先进、理想的测量仪器。
涡街流量传感器是基于卡门涡街原理研制出来的。在流体中设置三角柱型旋涡发生体，则从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门旋涡。
设旋涡的发生频率为f，被测介质平均流速为 ，旋涡发生体迎流面宽度为d，表体通径为D，即可得到以下关系式：
f=SrU1/d=SrU/md ⑴
式中　U1--旋涡发生体两侧平均流速，m/s；
Sr--斯特劳哈尔数；
m--旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面面积之比
管道内体积流量qv为 　qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr ⑵
K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 ⑶
式中 K--流量计的仪表系数，脉冲数/m3（P/m3）。
由上式可以看出流量传感器的输出频率只于旋涡发生体及管道的形状尺寸等有关。
卡门涡旋式
卡门涡旋式空气流量传感器的结构和工作原理如图 11所示。在进气管道正中间设有一流线型或三角形的涡流发生器，当空气流经该涡流发生器时，在其后部的气流中会不断产生一列不对称却十分规则的被称为卡门涡流的空气涡流。
测量单位时间内旋涡数量的方法有反光镜检出式和超声波检出式两种。图 12所示是反光镜检出式卡门涡旋流量传感器，其内有一只发光二极管和一只光敏三极管。发光二极管发出的光束被一片反光镜反射到光敏三极管上，使光敏三极管导通。反光镜安装在一个很薄的金属簧片上。金属簧片在进气气流旋涡的压力作用下产生振动，其振动频率与单位时间内产生的旋涡数量相同。由于反光镜随簧片一同振动，因此被反射的光束也以相同的频率变化，致使光敏三极管也随光束以同样的频率导通、截止。ECU根据光敏三极管导通、截止的频率即可计算出进气量（图 11）。凌志LS400小轿车即用了这种型式的卡门涡旋式空气流量传感器。
图 13所示为超声波检出式卡门涡旋式空气流量传感器。在其后半部的两侧有一个超声波发射器和一个超声波接收器。在发动机运转时，超声波发射器不断地向超声波接收器发出一定频率的超声波。当超声波通过进气气流到达接收器时，由于受气流中旋涡的影响，使超声波的相位发生变化。ECU根据接收器测出的相应变化的频率，计算出单位时间内产生的旋涡的数量，从而求得空气流速和流量，然后根据该信号确定基准空气量和基准点火提前角。
热线式
热线式空气流量传感器的基本结构由感知空气流量的白金热线（铂金属线）、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流并产生输出信号的控制线路板以及空气流量传感器的壳体等元件组成。根据白金热线在壳体内的安装部位不同，热线式空气流量传感器分为主流测量、旁通测量方式两种结构形式。图 18所示是采用主流测量方式的热线式空气流量传感器的结构图。它两端有金属防护网，取样管置于主空气通道中央，取样管由两个塑料护套和一个热线支承环构成。热线线径为70μm的白金丝（RH），布置在支承环内，其阻值随温度变化，是惠斯顿电桥电路的一个臂（图 19）。热线支承环前端的塑料护套内安装一个白金薄膜电阻器，其阻值随进气温度变化，称为温度补偿电阻（RK），是惠斯顿电桥电路的另一个臂。热线支承环后端的塑料护套上粘结着一只精密电阻（RA）。此电阻能用激光修整，也是惠斯顿电桥的一个臂。该电阻上的电压降即为热线式空气流量传感器的输出信号电压。惠斯顿电桥还有一个臂的电阻RB安装在控制线路板上。
工作原理：热线温度由混合集成电路A保持其温度与吸入空气温度相差一定值，当空气质量流量增大时，混合集成电路A使热线通过的电流加大，反之，则减小。这样，就使得通过热线RH的电流是空气质量流量的单一函数，即热线电流IH随空气质量流量增大而增大，或随其减小而减小，一般在50-120mA之间变化。
呼吸机应用
在呼吸机中的应用已有近30年的历史，在中高档呼吸机中被普遍使用。它 作为呼吸机气路系统的重要部件，负责将吸入和呼出的气体流量转换成电信号，送给信号处理电路完成对吸入和呼出潮气量、分钟通气量、流 速的检测和显示。
根据呼吸机功能和设计的不同，流量传感器的检测值不仅仅提供显示，还对呼吸机的控制、报警等起着决定作用，如流量传感器将测量到 的实际值馈送到电子控制部分与面板设置值比较,利用两者间的误差控制伺服阀门来调节吸入和呼出气体流量；安装在吸气系统前端的空气和氧 气流量传感器生成的信号能帮助微处理器对阀门进行控制，以提供病人所需要的氧浓度；流速和流量的检测值还直接影响到呼气与吸气时相的 切换、分钟通气量上下限的报警、流量触发灵敏度、气流实时波形和P-V-环的监测显示等等，流量传感器性能的好坏直接影响到呼吸机参数的 准确性和可靠性。
技术革新
全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。
发展前景
传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。　一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统）传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。
选择方法编辑 播报
因此，用户在选取流量传感器的时候，应该根据自身的需要选择合适的传感器。很多用户对使用的传感器的要求程度不一样，因此所选取的标准也不一样。如果需要很专业的数据和结果，就应该选取国家标准。但是，如果只是作为企业中的一种简单仪器来进行大概分析的话，就可以选取企业标准。如果要选购流量传感器，大家一定要慎重考虑，而且选择一些质量有保证，比较好用的传感器。因为，很多人以为新的传感器，它们的技术就会越高，这是很片面的想法。新的产品，要具备成熟的技术才是好的产品。
在很多经济领域里，流量的准确测量已经变得非常的重要。如今用来测量流量的多少基本上都用上了传感器。传感器感受流体流量并转换成可用输出信号，装上传感器能使操作更为简单便捷。流动的物体在单位时间内通过的数量叫做流量，而用于不同的物体有不同的流量传感器，往往是通过测量的介质和测量的方式去区分流量传感器类型。
流量传感器一般用于工业管道内介质流体的流量，一般情况下有气体液体和蒸汽等多种介质，而用于这些多种类型的介质有几种流量传感器是可以通用的。第一种是涡街流量传感器。
还有一种是超声波流量传感器，随着超声波技术的发展，一般情况下利用超声波流量传感器可以测量大部分流动物体的流量。超声波流量传感器还有多种测量方法，每一种方法都有各自的特点，我们应该应根据被测流体性质。流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。由于工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量传感器随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。超声流量传感器的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，于是可以解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
影响流量传感器的因素较多，原理有十余种，类型不少于200种，有人对美国现场千余台流量传感器进行了调查，发现其中60%所选择的方法不太合适，而即使选择的方法合适，又有约一半以上在安装和布局上有问题。正确选择，并非易事。归纳起来，正确选择流量传感器取决于六个因素：传感器技术参数、流体特性、流动的状态、安装、环境、经济性。
优点和缺点编辑 播报
随着流量传感器的不断发展，越来越多类型的流量传感器在逐步问世，他们各有各的优势也各有各的缺憾，
流量传感器
1、优点
（1）流量传感器可用来测量工业导电液体或浆液。
（2）无压力损失。
（3）测量范围大，电磁流量变送器的口径从2.5mm到2.6m。
（4）流量传感器测量被测流体工作状态下的体积流量，测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。
2、缺点
（1）流量传感器的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量，例如气体，酒精等不导电液体等
（2）流量传感器用来测量带有污垢的粘性液体时，粘性物或沉淀物附着在测量管内壁或电极上，使变送器输出电势变化，带来测量误差，电极上污垢物达到一定厚度，可能导致仪表无法测量。