流量傳感器

檢定規程和流量儀表標準是流量傳感器可以準確進行測量的保障。在很多領域裏，流量的準確測量都非常的重要，在經濟領域內被廣泛應用，例如：環境監測、醫療衞生、安全防護以及貿易結算等等。

按照流量傳感器的結構型式可分為葉片（翼板）式、量芯式、熱線式、熱膜式、卡門渦旋式等幾種。

按其標準性質來分類，可以分為下面幾類。方法標準：一些傳感器的計算方法、 檢測方法、試驗方法以及性能的評定方法等等;基礎標準：一些傳感器的規範的基本參數、型號、命名以及在測量過程中的專業術語;產品標準：此類傳感器已被快易優收錄，它規定傳感器的技術要求、驗收的規則、試驗的方法以及產品的分類，除此之外，還有正確安裝和使用的要求等等。有一些標準只有正確的安裝和使用技術，這些就是產品標準中的產品應用性質。

如果按照中國標準級別分的話，就可以分為四大類：企業標準、地方標準、行業標準以及國家標準。

1)按輸入量分類：位移傳感器、速度傳感器、温度傳感器、壓力傳感器等

2)按工作原理分類：應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等

3)按物理現象分類：結構型傳感器、特性型傳感器

4)按能量關係分類：能量轉換型傳感器、能量控制傳感器

5)按輸出信號分類：模擬式傳感器、數字式傳感器 ^[1] 

體積小、重量輕、顯示讀數直觀、清晰。

可靠性高、不受外界電源影響、抗雷擊。

目前可以根據水流量的大小設計擋板，減少水流通過流量傳感器產生的水阻力，減少水系統壓頭損失，但由於擋板式長期受水流的衝擊仍然有疲勞的問題，即使在工廠標定好流量值的也會發生設定點飄移。

通常在保護流量值不要求精確的地方使用，即用於水管內的水流突然中斷的斷流保護。在國內針對水源熱泵機組設計的非常少。

擋板式是專門針對水環/地源熱泵空調機組的水流量監控而開發的，它針對不同的管徑配有不同的擋片，每種擋片的水阻不超過0.5米水柱，相比靶式水阻已大大降低。

每個擋板式流量傳感器都配有與水環熱泵機組水管相同的管件，現場只需連接上水管即可，不需對擋片做任何改變，另外擋板式水流開關的承壓大於25bar，在對水流量要求不高的水環熱泵機組是一個低成本的水流開關。

經過在水環/地源熱泵機組上使用的反饋來看，壓差開關能有效判斷水環熱泵機組現場安裝的水管路的問題，能徹底避免水流量少造成換熱器凍壞的情況，流量傳感器也可以保護由於水過濾器堵塞造成的水流量下降時換熱器凍壞的情況，另外水管路壓差開關沒有靶流開關疲勞破壞的風險。

尤其在水管路有少量空氣時，流量傳感器工作非常穩定，不會出現類似靶流開關的漂浮情況，經過多年使用的反饋未發現壓差開關本身有故障的情況。

1.一次計量系統：這種安裝情況指在整個供暖系統中，只有這一個計量系統。

2.二次計量系統：和一次系統不同的是安裝位置處的計量屬於第二次計量。

3.家庭用户中的單獨供暖計量：隨着分户計量的普及和供暖節能工程的推進目前這種安裝方法比較常見。

4.垂直供暖的分配計量：主要用於垂直供暖系統中的供暖計量。

超聲波流量計的基本原理及類型超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。

根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨着集成電路技術迅速發展才開始應用的一種非接觸式儀表，適於測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行因而是一種理想的節能型流量計。

工業流量測量普遍存在着大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨着測量管徑的增大會帶來製造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流量計隨着口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質的流量，故可用於下水道及排污水等髒污流的測量。在發電廠中。

流體類型流體分為液體、氣體、蒸汽。有些傳感器（如電磁式）不能測氣體；插入熱式則不能測液體。

温度、壓力、密度它們是選擇傳感器提供的重要參數，特別是在工況下的參數，對於氣體流量還應瞭解其體積流量是工作狀態，還是標準狀態。

粘性液體粘性相差較大會影響選型，如粘性大的液體宜用容積式流量傳感器，而不宜選用渦輪、浮子、渦街等流量傳感器。

腐蝕、結垢、髒污對於這類流體，不宜選用有轉動件及有檢測件的傳感器。即使對於超聲、電磁式流量傳感器，也會因腐蝕管道帶來誤差。如口徑50MM，結垢0.5～1MM，將帶來0.5～1%的誤差。

特殊參數某些流體參數會影響傳感器的工作，如壓縮性係數影響差壓式；比熱及熱傳導係數影響熱式；電導率影響電磁；聲速影響超聲。

單相、多相相是指在一個系統中具有相同的物理、化學性質的物質，不同的相有較明顯的界面，通常工業中大多為單相，隨着工業的發展出現了多相流（氣固、氣液、液固或氣固液）等的流量測量問題。

與許多物理參數（如壓力、温度、物位、成分）不同的是，流量必須以流體流動為前提，沒有流動就不存在流量。

滿管、非滿管一般流體均應充滿管道，但當液體流量較小，管道又處於水平時，則可能出現非滿管流動，已有非滿管流量傳感器。

總量、流量總量（單位為M3或KG），多用於貿易核算，準確度居於首位。流量（瞬時量單位為M3/H，KG/H），多用於流程工業，是控制系統的信息源頭，重複性是首位。

連續，開關一般流量傳感器的輸出為連續量，而開關量可用於簡單的二位式控制或設備保護，要求可靠性良好。

準確度準確度不僅取決傳感器本身，還取決於校驗系統，是外加特性。要説明在什麼流量範圍內的準確度，如果用於控制系統，還應考慮與整個系統準確度相匹配。注意：廠家註明的誤差是%FS（上限）；還是%RD（測值）。

重複性重複性是指環境條件介質參數不變時，對某一流量值多次測量的一致性，是傳感器本身的特徵。在流程工業控制系統中，重複性往往比準確度還重要。不少廠家把重複性誤導為準確度，準確度應包括重複性與標定裝置的流量不確定度。

量程比在一定準確度範圍內，最大與最小流量之比。差壓式流量傳感器，從傳感器本身可以有較大量程比，但受二次表制約，一般只有3：1。

壓力損失流量傳感器（除電磁、超聲）都有檢測件（如孔板、渦輪等），以及強制改變流向（如彎頭、科氏）都將產生不可恢復壓力損失，它將額外增加輸送的動力，才能維持正常運，有些數額很大，在提倡節能的今天應引起重視。

輸出信號一般為標準的模擬信號（0～10V，4～20MA等）已不能適應系統發展要求。通訊要求數字信號，ROSEMOUNT推出了HART協議，RS232/RS485轉換器，RS232限於2KM以內，RS485可達10KM。

響應時間輸出信號隨流量參數變化反應的時間，對控制系統來説，越短越好；對脈動流，則希望有較慢的輸出響應。

綜合性能傳感器的性能指標是相互制約的，如樣本中壓力上限為2MPA；温度為250℃，口徑為1M；則當口徑為1M時，壓力可能只能為1.5MPA，温度只能是200℃，不可能同為極限值。

水流量傳感器主要由銅閥體、水流轉子組件、穩流組件和霍爾元件組成。它裝在熱水器的進水端用於測量進水流量。當水流過轉子組件時，磁性轉子轉動，並且轉速隨着流量成線性變化。霍爾元件輸出相應的脈衝信號反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，調節控制比例閥的電流，從而通過比例閥控制燃氣氣量，避免燃氣熱水器在使用過程中出現夏暖冬涼的現象。水流量傳感器從根本上解決了壓差式水氣聯動閥啓動水壓高以及翻板式水閥易誤動作出現乾燒等缺點。它具有反映靈敏、壽命長、動作迅速、安全可靠、連接方便啓動流量超低（1.5L/min）等優點，深受廣大用户喜愛。 ^[2] 

插入式流量傳感器工作原理是基於法拉第電磁感應定律。在電磁流量傳感器中，測量管內的導電介質相當於法拉第試驗中的導電金屬桿，上下兩端的兩個電磁線圈產生恆定磁場。當有導電介質流過時，則會產生感應電壓。管道內部的兩個電極測量產生的感應電壓。測量管道通過不導電的內襯（橡膠，特氟隆等）實現與流體和測量電極的電磁隔離。 ^[3] 

葉片式空氣流量傳感器的結構、工作原理及檢測

傳統的波許L型汽油噴射系統及一些中檔車型採用這種葉片式空氣流量傳感器。其結構如圖 1所示，由空氣流量計和電位計兩部分組成。空氣流量計在進氣通道內有一個可繞軸擺動的旋轉翼片（測量片），如圖 2所示，作用在軸上的卷簧可使測量片關閉進氣通路。發動機工作時，進氣氣流經過空氣流量計推動測量片偏轉，使其開啓。測量片開啓角度的大小取決於進氣氣流對測量片的推力與測量片軸上卷簧彈力的平衡狀況。進氣量的大小由駕駛員操縱節氣門來改變。進氣量愈大，氣流對測量片的推力愈大，測量片的開啓角度也就愈大。在測量片軸上連着一個電位計，如圖 3所示。電位計的滑動臂與測量片同軸同步轉動，把測量片開啓角度的變化（即進氣量的變化）轉換為電阻值的變化。電位計通過導線、連接器與ECU連接。ECU根據電位計電阻的變化量或作用在其上的電壓的變化量，測得發動機的進氣量，如圖 4所示。

在葉片式空氣流量傳感器內，通常還有一電動汽油泵開關，如圖 5所示。當發動機起動運轉時，測量片偏轉，該開關觸點閉合，電動汽油泵通電運轉；發動機熄火後，測量片在迴轉至關閉位置的同時，使電動汽油泵開關斷開。此時，即使點火開關處於開啓位置，電動汽油泵也不工作。

流量傳感器內還有一個進氣温度傳感器，用於測量進氣温度，為進氣量作温度補償。

葉片式空氣流量傳感器導線連接器一般有7個端子，如圖 5中的39、36、6、9、8、7、27。但也有將電位計內部的電動汽油泵控制觸點開關取消後，變為5個端子的。圖 6示出了日產和豐田車用葉片式空氣流量傳感器導線連接器端子的“標記”。其端子“標記”一般標註在連接器的護套上。

渦街流量傳感器主要用於工業管道介質流體的流量測量，如氣體、液體、蒸氣等多種介質。其特點是壓力損失小，量程範圍大，精度高，在測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、温度、粘度等參數的影響。無可動機械零件，因此可靠性高，維護量小。儀表參數能長期穩定。渦街流量傳感器採用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～+250℃的工作温度範圍內工作。有模擬標準信號，也有數字脈衝信號輸出，容易與計算機等數字系統配套使用，是一種比較先進、理想的測量儀器。

渦街流量傳感器是基於卡門渦街原理研製出來的。在流體中設置三角柱型旋渦發生體，則從旋渦發生體兩側交替地產生有規則的旋渦，這種旋渦稱為卡門旋渦。

設旋渦的發生頻率為f，被測介質平均流速為 ，旋渦發生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，即可得到以下關係式：

f=SrU1/d=SrU/md ⑴

式中　U1--旋渦發生體兩側平均流速，m/s；

Sr--斯特勞哈爾數；

m--旋渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比

管道內體積流量qv為 　qv=πD2U/4=πD2mdf/4Sr ⑵

K=f/qv=[πD2md/4Sr]-1 ⑶

式中 K--流量計的儀表係數，脈衝數/m3（P/m3）。

由上式可以看出流量傳感器的輸出頻率只於旋渦發生體及管道的形狀尺寸等有關。

卡門渦旋式空氣流量傳感器的結構和工作原理如圖 11所示。在進氣管道正中間設有一流線型或三角形的渦流發生器，當空氣流經該渦流發生器時，在其後部的氣流中會不斷產生一列不對稱卻十分規則的被稱為卡門渦流的空氣渦流。

測量單位時間內旋渦數量的方法有反光鏡檢出式和超聲波檢出式兩種。圖 12所示是反光鏡檢出式卡門渦旋流量傳感器，其內有一隻發光二極管和一隻光敏三極管。發光二極管發出的光束被一片反光鏡反射到光敏三極管上，使光敏三極管導通。反光鏡安裝在一個很薄的金屬簧片上。金屬簧片在進氣氣流旋渦的壓力作用下產生振動，其振動頻率與單位時間內產生的旋渦數量相同。由於反光鏡隨簧片一同振動，因此被反射的光束也以相同的頻率變化，致使光敏三極管也隨光束以同樣的頻率導通、截止。ECU根據光敏三極管導通、截止的頻率即可計算出進氣量（圖 11）。凌志LS400小轎車即用了這種型式的卡門渦旋式空氣流量傳感器。

圖 13所示為超聲波檢出式卡門渦旋式空氣流量傳感器。在其後半部的兩側有一個超聲波發射器和一個超聲波接收器。在發動機運轉時，超聲波發射器不斷地向超聲波接收器發出一定頻率的超聲波。當超聲波通過進氣氣流到達接收器時，由於受氣流中旋渦的影響，使超聲波的相位發生變化。ECU根據接收器測出的相應變化的頻率，計算出單位時間內產生的旋渦的數量，從而求得空氣流速和流量，然後根據該信號確定基準空氣量和基準點火提前角。

熱線式空氣流量傳感器的基本結構由感知空氣流量的白金熱線（鉑金屬線）、根據進氣温度進行修正的温度補償電阻（冷線）、控制熱線電流併產生輸出信號的控制線路板以及空氣流量傳感器的殼體等元件組成。根據白金熱線在殼體內的安裝部位不同，熱線式空氣流量傳感器分為主流測量、旁通測量方式兩種結構形式。圖 18所示是採用主流測量方式的熱線式空氣流量傳感器的結構圖。它兩端有金屬防護網，取樣管置於主空氣通道中央，取樣管由兩個塑料護套和一個熱線支承環構成。熱線線徑為70μm的白金絲（RH），佈置在支承環內，其阻值隨温度變化，是惠斯頓電橋電路的一個臂（圖 19）。熱線支承環前端的塑料護套內安裝一個白金薄膜電阻器，其阻值隨進氣温度變化，稱為温度補償電阻（RK），是惠斯頓電橋電路的另一個臂。熱線支承環後端的塑料護套上粘結着一隻精密電阻（RA）。此電阻能用激光修整，也是惠斯頓電橋的一個臂。該電阻上的電壓降即為熱線式空氣流量傳感器的輸出信號電壓。惠斯頓電橋還有一個臂的電阻RB安裝在控制線路板上。

工作原理：熱線温度由混合集成電路A保持其温度與吸入空氣温度相差一定值，當空氣質量流量增大時，混合集成電路A使熱線通過的電流加大，反之，則減小。這樣，就使得通過熱線RH的電流是空氣質量流量的單一函數，即熱線電流IH隨空氣質量流量增大而增大，或隨其減小而減小，一般在50-120mA之間變化。

在呼吸機中的應用已有近30年的歷史，在中高檔呼吸機中被普遍使用。它 作為呼吸機氣路系統的重要部件，負責將吸入和呼出的氣體流量轉換成電信號，送給信號處理電路完成對吸入和呼出潮氣量、分鐘通氣量、流 速的檢測和顯示。

根據呼吸機功能和設計的不同，流量傳感器的檢測值不僅僅提供顯示，還對呼吸機的控制、報警等起着決定作用，如流量傳感器將測量到 的實際值饋送到電子控制部分與面板設置值比較,利用兩者間的誤差控制伺服閥門來調節吸入和呼出氣體流量；安裝在吸氣系統前端的空氣和氧 氣流量傳感器生成的信號能幫助微處理器對閥門進行控制，以提供病人所需要的氧濃度；流速和流量的檢測值還直接影響到呼氣與吸氣時相的 切換、分鐘通氣量上下限的報警、流量觸發靈敏度、氣流實時波形和P-V-環的監測顯示等等，流量傳感器性能的好壞直接影響到呼吸機參數的 準確性和可靠性。

全球的傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現與市場份額的擴大。

傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分佈最大的地區。就世界範圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，佔第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。　一些傳感器市場比如壓力傳感器、温度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場的特徵。流量傳感器、壓力傳感器、温度傳感器的市場規模最大，分別佔到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自於無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機電系統）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年複合年增長率預計會超過25%。

因此，用户在選取流量傳感器的時候，應該根據自身的需要選擇合適的傳感器。很多用户對使用的傳感器的要求程度不一樣，因此所選取的標準也不一樣。如果需要很專業的數據和結果，就應該選取國家標準。但是，如果只是作為企業中的一種簡單儀器來進行大概分析的話，就可以選取企業標準。如果要選購流量傳感器，大家一定要慎重考慮，而且選擇一些質量有保證，比較好用的傳感器。因為，很多人以為新的傳感器，它們的技術就會越高，這是很片面的想法。新的產品，要具備成熟的技術才是好的產品。

在很多經濟領域裏，流量的準確測量已經變得非常的重要。如今用來測量流量的多少基本上都用上了傳感器。傳感器感受流體流量並轉換成可用輸出信號，裝上傳感器能使操作更為簡單便捷。流動的物體在單位時間內通過的數量叫做流量，而用於不同的物體有不同的流量傳感器，往往是通過測量的介質和測量的方式去區分流量傳感器類型。

流量傳感器一般用於工業管道內介質流體的流量，一般情況下有氣體液體和蒸汽等多種介質，而用於這些多種類型的介質有幾種流量傳感器是可以通用的。第一種是渦街流量傳感器。

還有一種是超聲波流量傳感器，隨着超聲波技術的發展，一般情況下利用超聲波流量傳感器可以測量大部分流動物體的流量。超聲波流量傳感器還有多種測量方法，每一種方法都有各自的特點，我們應該應根據被測流體性質。流速分佈情況、管路安裝地點以及對測量準確度的要求等因素進行選擇。由於工業流量測量普遍存在着大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量傳感器隨着測量管徑的增大會帶來製造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不緊這些缺點，超聲波流量計均可避免。超聲流量傳感器的流量測量準確度幾乎不受被測流體温度、壓力、粘度、密度等參數的影響，又可製成非接觸及便攜式測量儀表，於是可以解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。

影響流量傳感器的因素較多，原理有十餘種，類型不少於200種，有人對美國現場千餘台流量傳感器進行了調查，發現其中60%所選擇的方法不太合適，而即使選擇的方法合適，又有約一半以上在安裝和佈局上有問題。正確選擇，並非易事。歸納起來，正確選擇流量傳感器取決於六個因素：傳感器技術參數、流體特性、流動的狀態、安裝、環境、經濟性。

隨着流量傳感器的不斷髮展，越來越多類型的流量傳感器在逐步問世，他們各有各的優勢也各有各的缺憾，

流量傳感器

1、優點

（1）流量傳感器可用來測量工業導電液體或漿液。

（2）無壓力損失。

（3）測量範圍大，電磁流量變送器的口徑從2.5mm到2.6m。

（4）流量傳感器測量被測流體工作狀態下的體積流量，測量原理中不涉及流體的温度、壓力、密度和粘度的影響。

2、缺點

（1）流量傳感器的應用有一定侷限性，它只能測量導電介質的液體流量，不能測量非導電介質的流量，例如氣體，酒精等不導電液體等

（2）流量傳感器用來測量帶有污垢的粘性液體時，粘性物或沉澱物附着在測量管內壁或電極上，使變送器輸出電勢變化，帶來測量誤差，電極上污垢物達到一定厚度，可能導致儀表無法測量。