求流量傳感器原理與應(yīng)用？

流量測量的發(fā)展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統(tǒng)。古羅馬凱撒時(shí)代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應(yīng)用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀(jì)托里拆利奠定差壓式流量計(jì)的理論基礎(chǔ)，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀(jì)流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計(jì)等。20世紀(jì)由于過程工業(yè)、能量計(jì)量、城市公用事業(yè)對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發(fā)展，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍發(fā)展極大地推動儀表更新?lián)Q代，新型流量計(jì)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。至今，據(jù)稱已有上百種流量計(jì)投向市場，現(xiàn)場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。
我國開展近代流量測量技術(shù)的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進(jìn)口。
流量測量是研究物質(zhì)量變的科學(xué)，質(zhì)量互變規(guī)律是事物聯(lián)系發(fā)展的基本規(guī)律，因此其測量對象已不限于傳統(tǒng)意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數(shù)。對于一定的流體，只要知道這三個(gè)參數(shù)就可計(jì)算其具有的能量，在能量轉(zhuǎn)換的測量中必須檢測此三個(gè)參數(shù)。能量轉(zhuǎn)換是一切生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的應(yīng)用。

一、流量計(jì)的種類
用以測量管路中流體流量（單位時(shí)間內(nèi)通過的流體體積）的儀表。有轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。
流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達(dá)60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態(tài)以及任何使用條件都適用的流量儀表。
這60多種流量儀表，每種產(chǎn)品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計(jì)。
總量表測量一段時(shí)間內(nèi)流過管道的流量，是以短暫時(shí)間內(nèi)流過的總量除以該時(shí)間的商來表示，實(shí)際上流量計(jì)通常亦備有累積流量裝置，做總量表使用，而總量表亦備有流量發(fā)訊裝置。因此，以嚴(yán)格意義來分流量計(jì)和總量表已無實(shí)際意義。
按測量原理分有力學(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。
按照目前最流行、最廣泛的分類法，即分為：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)中的渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和插入式流量計(jì)、探針式流量計(jì)，來分別闡述各種流量計(jì)的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用概況及國內(nèi)外的發(fā)展情況。
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件產(chǎn)生的差壓，已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計(jì)算流量的儀表。
差壓式流量計(jì)由一次裝置（檢測件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計(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，它既可測量流量參數(shù)，也可測量其它參數(shù)（如壓力、物位、密度等）。
差壓式流量計(jì)的檢測件按其作用原理可分為：節(jié)流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。
檢測件又可按其標(biāo)準(zhǔn)化程度分為二大類：標(biāo)準(zhǔn)的和非標(biāo)準(zhǔn)的。
所謂標(biāo)準(zhǔn)檢測件是只要按照標(biāo)準(zhǔn)文件設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用，無須經(jīng)實(shí)流標(biāo)定即可確定其流量值和估算測量誤差。
非標(biāo)準(zhǔn)檢測件是成熟程度較差的，尚未列入國際標(biāo)準(zhǔn)中的檢測件。
差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用最廣泛的流量計(jì)，在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來，由于各種新型流量計(jì)的問世，它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降，但目前仍是最重要的一類流量計(jì)。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）應(yīng)用最多的孔板式流量計(jì)結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長；
（2）應(yīng)用范圍廣泛，至今尚無任何一類流量計(jì)可與之相比擬；
（3）檢測件與變送器、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)。
缺點(diǎn)：
（1）測量精度普遍偏低；
（2）范圍度窄，一般僅3：1~4：1；
（3）現(xiàn)場安裝條件要求高；
（4）壓損大（指孔板、噴嘴等）。
注：一種新型產(chǎn)品：引進(jìn)美國航天航空局而開發(fā)的平衡流量計(jì)，這種流量計(jì)的測量精度是傳統(tǒng)節(jié)流裝置的5-10倍，永久壓力損失1/3。壓力恢復(fù)快2倍，最小直管段可以小至1.5D，安裝和使用方便，大大減少流體運(yùn)行的能力消耗。
應(yīng)用概況：
差壓式流量計(jì)應(yīng)用范圍特別廣泛，在封閉管道的流量測量中各種對象都有應(yīng)用，如流體方面：單相、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mm到幾m；流動條件方面：亞音速、音速、脈動流等。它在各工業(yè)部門的用量約占流量計(jì)全部用量的1/4~1/3。

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)用范圍最寬廣的一類流量計(jì)，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期，日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。中國產(chǎn)量1990年估計(jì)在12~14萬臺，其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計(jì)。
特點(diǎn)：
（1）玻璃錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，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)，簡稱PD流量計(jì)，在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機(jī)械測量元件把流體連續(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)來測量流體體積總量。
容積式流量計(jì)按其測量元件分類，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。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）計(jì)量精度高；
（2）安裝管道條件對計(jì)量精度沒有影響；
（3）可用于高粘度液體的測量；
（4）范圍度寬；
（5）直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計(jì)，總量，清晰明了，操作簡便。
缺點(diǎn)：
（1）結(jié)果復(fù)雜，體積龐大；
（2）被測介質(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。
應(yīng)用概況：
容積式流量計(jì)與差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)并列為三類使用量最大的流量計(jì)，常應(yīng)用于昂貴介質(zhì)（油品、天然氣等）的總量測量。
工業(yè)發(fā)達(dá)國家近年P(guān)D流量計(jì)（不包括家用煤氣表和家用水表）的銷售金額占流量儀表的13%~23%；我國約占20%，1990年產(chǎn)量（不包括家用煤氣表）估計(jì)為34萬臺，其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。

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（渦輪）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、精度最佳的產(chǎn)品，作為十大類型流量計(jì)之一，其產(chǎn)品已發(fā)展為多品種、多系列批量生產(chǎn)的規(guī)模。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）高精度，在所有流量計(jì)中，屬于最精確的流量計(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。
缺點(diǎn)：
（1）不能長期保持校準(zhǔn)特性；
（2）流體物性對流量特性有較大影響。
應(yīng)用概況：
渦輪流量計(jì)在以下一些測量對象獲得廣泛應(yīng)用：石油、有機(jī)液體、無機(jī)液、液化氣、天然氣和低溫流體統(tǒng)在歐洲和美國，渦輪流量計(jì)在用量上是僅次于孔板流量計(jì)的天然計(jì)量儀表，僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸，壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計(jì)，它們已成為優(yōu)良的天然氣計(jì)量儀表。

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、腐蝕流的測量。
70、80年代電磁流量在技術(shù)上有重大突破，使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計(jì)，在流量儀表中其使用量百分?jǐn)?shù)不斷上升。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）測量通道是段光滑直管，不會阻塞，適用于測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)生流量檢測所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；
（3）所測得體積流量實(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。
缺點(diǎn)：
（1）不能測量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；
（2）不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；
（3）不能用于較高溫度。
應(yīng)用概況：
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場合，如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制，造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液，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)生要求的場所。

6、渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體，流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯排列的游渦的儀表。
渦街流量計(jì)按頻率檢出方式可分為：應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。
渦街流量計(jì)是屬于最年輕的一類流量計(jì)，但其發(fā)展迅速，目前已成為通用的一類流量計(jì)。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）結(jié)構(gòu)簡單牢固；
（2）適用流體種類多；
（3）精度較高；
（4）范圍度寬；
（5）壓損小。
缺點(diǎn)：
（1）不適用于低雷諾數(shù)測量；
（2）需較長直管段；
（3）儀表系數(shù)較低（與渦輪流量計(jì)相比）；
（4）儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

7、超聲波流量計(jì)
超聲波流量計(jì)是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。
根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、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，均屬無阻礙流量計(jì)，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。
優(yōu)點(diǎn)：
（1）可做非接觸式測量；
（2）為無流動阻撓測量，無壓力損失；
（3）可測量非導(dǎo)電性液體，對無阻撓測量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。
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量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體；
（2）多普勒法測量精度不高。
應(yīng)用概況：
（1）傳播時(shí)間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠排放液、：怪液、液化天然氣等；
（2）氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗(yàn)；
（3）多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體，例如：未處理污水、工廠排放液、臟流程液；通常不適用于非常清潔的液體。

8、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡稱CMF）是利用流體在振動管中流動時(shí)，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。
我國CMF的應(yīng)用起步較晚，近年已有幾家制造廠自行開發(fā)供應(yīng)市場；還有幾家制造廠組建合資企業(yè)或引用國外技術(shù)生產(chǎn)系列儀表。

9、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)
熱式流量計(jì)傳感器包含兩個(gè)傳感元件，一個(gè)速度傳感器和一個(gè)溫度傳感器。它們自動地補(bǔ)償和校正氣體溫度變化。儀表的電加熱部分將速度傳感器加熱到高于工況溫度的某一個(gè)定值，使速度傳感器和測量工況溫度的傳感器之間形成恒定溫差。當(dāng)保持溫差不變時(shí)，電加熱消耗的能量，也可以說熱消散值，與流過氣體的質(zhì)量流量成正比。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)即Mass Flow Meter（縮寫為MFM），它是氣體流量計(jì)量中新型儀表，區(qū)別于其它氣體流量計(jì)不需要進(jìn)行壓力和溫度修正，直接測量氣體的質(zhì)量流量，一支傳感器可以做到量程從極低到高量程。它適合單一氣體和固定比例多組份氣體的測量。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是用于測量和控制氣體質(zhì)量流量的新型儀表?？捎糜谑汀⒒?、鋼鐵、冶金、電力、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保等工業(yè)部門的空氣、烴類氣體、可燃性氣體、煙道氣體的監(jiān)測。
特點(diǎn)：
（1）可靠性高，重復(fù)性好，測量精度高，壓損小；
（2）無活動部件，量程比寬，響應(yīng)速度快，無須溫壓補(bǔ)償。
應(yīng)用：
（1）工業(yè)管道中氣體質(zhì)量流量測量；
（2）煙囪排出的煙氣流速測量；
（3）煅燒爐煙道氣流量測量；
（4）燃?xì)膺^程中空氣流量測量；
（5）壓縮空氣流量測量；
（6）半道體芯片制造過程中氣體流量測量；
（7）污水處理中氣體流量測量；
（8）加熱通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)中的氣體流量測量；
（9）熔劑回收系統(tǒng)氣體流量測量；
（10）燃燒鍋爐中燃燒氣體流量測量；
（11）天然氣、火炬氣、氫氣等氣體流量測量；
（12）啤酒生產(chǎn)過程中二氧化碳?xì)怏w流量測量；
（13）水泥、卷煙、玻璃廠生產(chǎn)過程中氣體質(zhì)量流量測量。

10、明渠流量計(jì)
與前述幾種不同，它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
非滿管態(tài)流動的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計(jì)（open channel flowmeter）。
明渠流量計(jì)除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計(jì)應(yīng)用場所有城市供水引水渠；火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工礦企業(yè)水排放以及水利工程和農(nóng)業(yè)灌溉用渠道。有人估計(jì)1995臺，約占流量儀表整體的1.6%，但是國內(nèi)應(yīng)用尚無估計(jì)數(shù)據(jù)。

二、新工作原理流量儀表的研究和開發(fā)
1、靜電流量計(jì)（electrostatic flowmeter）
日本東京技術(shù)學(xué)院研制適用于石油輸送管線低導(dǎo)電液體流量測量的靜電流量計(jì)。
靜電流量計(jì)的金屬測量管絕緣地與管系連接，測量電容器上靜電荷便可知道測量管內(nèi)的電荷。他們分別作了內(nèi)徑4~8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實(shí)流試驗(yàn)，試驗(yàn)表明流量與電荷之間接近于線性。
2、復(fù)合效應(yīng)流量儀表（combined effects meter）
該儀表的工作原理是基于流體的動量和壓力作用于儀表腔體產(chǎn)生的變形，測量復(fù)合效應(yīng)的變形求取流量。本儀表由美國GMI工程和管理學(xué)院開發(fā)，已申請兩項(xiàng)專利。
3、轉(zhuǎn)速表式流量傳感器（tachmetric flowrate sensor）
它是由俄羅斯科學(xué)工程中心工業(yè)儀表公司開發(fā)，是基于懸浮效應(yīng)理論研制的。該儀表已在若干現(xiàn)場成功的應(yīng)用（例如在核電站安裝2000余臺測量熱水流量，連續(xù)使用8年），且還在改進(jìn)以擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

三、幾種流量儀表應(yīng)用和發(fā)展動向
1、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（CMF）：國外已發(fā)展30余系列，各系列開發(fā)在技術(shù)上著眼點(diǎn)在于流量檢測測量管結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)創(chuàng)新；提高儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性和精確度等性能；增加測量管撓度，提高靈敏度；改善測量管應(yīng)力分布，降低疲勞損壞，加強(qiáng)抗振動干擾能力等。
2、電磁流量計(jì)（EMF）：從50年代初進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用以來，使用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。
我國近年發(fā)展迅速，1994年銷售估計(jì)為6500~7500臺。國內(nèi)已生產(chǎn)最大口徑為2~6m的ENF，并有實(shí)流校驗(yàn)口徑3m的設(shè)備能力。
3、渦街流量計(jì)（USF）：在60年代后期進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%~6%。1992年世界范圍估計(jì)銷售量為3.54.8萬臺，同期國內(nèi)產(chǎn)品估計(jì)在8000~9000臺。
4、威力巴流量計(jì)：采用了完全符合空氣動力學(xué)原理的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是一種在精度、功效及可靠方面達(dá)到了無比卓越程度的傳感元件。