【传感器入门】细数流量传感器的种类

现今向数字化、智能化、多功能化、网络化发展是流量传感器将来发展的必然趋势...

  流量传感器,就是用于检测流体流量大小的传感器

  流量是工业生产中一个重要参数,在工业生产过程中,很多原料、半成品、成品都是以流体状态出现的。流体的流量就成了决定产品成分和质量的关键,也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此,对于工业生产来说,检测流量是非常有必要的。

  根据流体的状态,流量传感器可分为气体流量传感器、液体流量传感器和固体流量传感器,其中气体流量传感器和液体流量传感器用得多。

  而根据不同的工作原理,加上微电子技术、计算机技术和通信网络技术的融入,流量传感器品种日益增多,不同的流量传感器应用在不同的场景里。

  1、容积式

  容积式流量传感器出现较早,它的结构比较简单,相当于用一个精密的标准容器对被测流体进行连续计量。被测流体流过时,推动转子旋转,2个驱动齿轮相互改变主从驱动关系作连续的、没有死点的不等速旋转运动。得知转子的旋转速度,就可以求出流体的流量。理论上,这种类型流量计的测量精度与流体的种类、黏度、密度等属性无关。测量误差一般为±(0.2%~O.5%)R,可作为工业流量计量的标准仪表。但当被测管道直径较大时,仪表本体显得过于笨重。


  2、涡轮式

  涡轮流量传感器是近30年发展起来的速度式测量仪表。其工作原理是将涡轮置于被测流体中,液体流动冲击涡轮叶片转动,涡轮的转速与流体的流量成正比。通过磁电转换装置将涡轮的转速转换为相应的电信号输出。


  涡轮流量传感器具有测量精度高、测量范围广等优点;但由于涡轮必须安装在管道内,对被测流体的清洁度要求较高;流体的温度、黏度、密度对测量精度影响较大;转动部件会带来轴承的磨损,影响传感器的使用寿命。

  3、差压式

  差压式流量传感器生产历史较长,应用十分广泛,生产已标准化,种类也很多。如:孔板、音速喷嘴、均速管、文丘里管等流量传感器。差压式流量传感器工作原理是利用当流体流过内置于管道中的节流件时,其前后会出现一个与流量有关的压力差值,通过测量压差值就可获得流量值。其特点是节流件的机加工精度高,安装要求严格,其前后必须有足够长的直管道,保证流体流态稳定;流体压损大;对于低流速流体,产生的差压小,误差增大;不适于脉动的流体测量。


  4、动量式

  动量式流量计中最为典型的是靶式流量计,是20世纪60年代发展起来的产品,常用来测量较高黏度油料的流量。它的主体是一个圆盘型靶,液体流动时,流动质点冲击在靶上,使靶产生微小的位移,这个位移量反映了流量的大小。

  5、变面积式

  转子流量传感器的出现较早,但广泛应用于工业测量是在近几十年。它具有灵敏度高、结构简单、直观、压损小、测量范围大、价格便宜等优点。

  它由一个锥形管和一个置于锥形管中可以上下自由移动的转子组成,传感器垂直安装在测量管道上,被测流体由下向上流动,推动转子,转子悬浮的高度就是流量大小的量度。



  6、流体振荡式

  卡门涡街流量传感器是2O世纪70年代发展起来的基于流体振荡原理的测量仪表,近年来发展迅速,它利用插入到流体中漩涡发生体产生的漩涡频率与流速有确定关系的原理,获得流量。其特点是流体压损小;可以用于液、气的测量,可测量流速及质量流量;对流态要求稳定,管道条件要求严格,必须在漩涡发生体前后有一定长度的直管段,价格比较高。

  7、电磁式

  电磁流量传感器是随着电子技术的应用而发展起来的新型流量仪表,现已广泛应用于各种导电液体的流量测量领域。

  根据法拉第电磁感应定律,导电的液体通过测量仪表流动,相当于导体通过磁场作切割磁力线的运动,由此感应出电动势E,这个电动势与平均流速成正比。电磁流量计原则上不受流体的温度、压力、密度和黏度等影响,且管道内部无阻挡部件和活动部件,不会改变流体原来的状态。流速范围在0~102m/s均可应用。适合于易燃、易爆、腐蚀性强的介质。但它在某些方面也有局限性;被测介质必须是导电液体,电导率大于10-3S/m;不能用来测量铁磁性介质的流量;信号易受外磁场干扰。

  8、玻耳帖式

  玻耳帖式低流速气体传感器(流速大于2×10-2m/s)是基于玻耳帖电动势原理和温差电动势原理,传感器自身温度仅15K,没有热紊乱。敏感元件上涂有保护膜,抗污染腐蚀能力强,寿命长,由于其自身温度不高,所以对气体温度要求不严,可以测量高温流体,工作温度范围宽。


  9、光纤式

  光纤流量传感器是将光纤技术与流量传感器组合到一起,使流量信息经过传感器后在光纤发讯头处转换成光信号。再经光纤传输到后续处理系统,实现远距离传输,便于实现传感器网络化管理,1台微机即可以管理监控多个传感器。这样既保持了原传感器的优势又融入了光纤传输线路抗干扰的优点。

  10、超声波式

  超声波流量传感器是依据超声波在流体中传播时会载带流体流速信息的原理,适用于两相流流体测量,要求被测流体含有一定量的能反向超声波的介质,即流体中有固体粒子或气泡等两相介质。


  11、质量式

  科理奥利质量流量传感器应用广泛,液体和气体测量均可适用,20世纪70年代产生于美国,利用流体力学的原理,建立流体质量流量与流体作用力之间的函数关系。主要适用于液体测量,对于气体测量则要求在高压下,以确保质量流量在测量范围内,适于在管道口径小于200mm条件下的测量,当流体压力变化大时,测量误差增大。

  12、激光式

  多普勒传感器,将激光技术引入到流量测量中,与多普勒流量传感器相结合。它可以测量低流速流体,抗干扰能力强,精度高,但必须在流体中注入反射粒子,这就限制了它的测量范围。

  13、热线式

  热式流量传感器为流量计量带来了一场革命,实现了直接测量流体质量流量的目的。它利用传热学和流体力学理论,采用热平衡原理,建立热敏元件热量损失与流体流速、质量流量之间的函数关系,从而获得流体流速、流量。热式流量传感器主要有热线式、热敏电阻式、半导体集成电路式等多种,根据管道中热元件的热量耗散与流速、质量的关系实现流量的测量;表面热阻式,就是把热源放在管道的外侧,加热管内流体,通过测量流体热量的变化求出质量流量。

  虽然由于电子技术的飞速发展和各种补偿技术不断提高,使热线式流量传感器的精度大大提高,测量范围扩大,但热线式流量传感器一致性很差,难以进行批量生产:当测低流速流体时,热紊乱很大,热线抗污染腐蚀能力差,价格高,易损坏。测量中有电子噪声,导致它的响应速度下降。

  智能数字化成趋势

  整体而言,流量传感器的精度高低、稳定性好坏及适应工作环境能力的大小、智能化水平和性能价格比高低等指标极大地影响着社会各行业的发展。而现今向数字化、智能化、多功能化、网络化发展是流量传感器将来发展的必然趋势,因此未来大力研究生产高质量的流量传感器是十分必要的。

  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(Control,Management,andMaintenanceSystem)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。

  目前国外许多行业都在大力推行传感器数字化和网络化,制定传感器输出信号标准。

  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,可以让数字通信口与微机连接,充分利用单片机的数据处理功能,减少随机和系统误差。并且具有自动校准、自检报警和自动调节量程等功能。

  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,研制新的传感器也是未来趋势之一。

  4、高性能化

  未来,流量传感器各方面的性能要求将会越来越高。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,寿命长等等。

  5、专用化

  针对某些特定应用场景,需要用到特殊流量传感器,比如大流量、小流量、高黏度、高温流体、多相流体、高低压气流等。


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