【经验】流量传感器的分类、优缺点及选型方法详解

信为科技在本文将对流量传感器的分类和选用方法进行详细的讲解，为工程师们的设计提供帮助。详细介绍内容如下：

流量传感器是指示被测流量和（或）在选定的时间间隔内流体总量的仪表。简单来说就是用于测量管道或明渠中流体流量的一种仪表，工程上常用单位m3/h，它可分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow），瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体、固体；累计流量即为在某一段时间间隔内（一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。通过瞬时流量对时间积分亦可求得累计流量，所以瞬时流量计和累计流量计之间也可以相互转化。

流量传感器是能感受流体流量并转换成可用输出信号的传感器，将传感器放在流体的通路中，由流体对传感器和传感器对流体的相互作用测出流量的变化。按照流量的定义，主要应用于气体和液体流量的检测。

计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用，特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。流量的准确测量非常地重要，利用流量传感器监测计量被测管路中的液体或气体流量，在工业控制和民用设施领域中被广泛地应用。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。

此外，为了保证制造业无故障检测及检测结果的可靠性，许多过程都需要液体或气体介质的流入和流出量保持一致，在自动化生产过程中除了压力和温度，流量的测量也非常的重要。因此流量的测量和控制是生产过程自动化的重要环节。 

一、分类

流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。2011年以前可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于没有一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。旧式的60多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计。

此外，按测量原理可分为如下几个大类：

 ✦ 1、力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式；利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮式；利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。

 ✦ 2、电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。

 ✦ 3、声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式．声学式（冲击波式）等。

 ✦ 4、热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。

 ✦ 5、光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。

 ✦ 6、原子物理原理：核磁共振式、核辐射式等是属于此类原理的仪表．

 ✦ 7、其它原理：有标记原理（示踪原理、核磁共振原理）、相关原理等。

按照目前最流行、最广泛的分类法分别来阐述各种流量计的原理、特点、应用概况及各种传感器的不同之处：

  ●  靶式流量计：

靶式流量计是基于力学原理的一种流量计，它在工业上的开发应用已有数十年的历史。新型SBL靶式流量计是在传统靶式流量计的基础上，随着新型传感器、微电子技术的发展研制开发成的新型电容力感应式流量计，它既有孔板、涡街等流量计无可动部件的特点，同时又具有很高的灵敏度、与容积式流量计相媲美的准确度，量程范围宽。

中国于20世纪70年代开发电动、气动靶式流量变送器它是电动、气动单元组合仪表的检测仪表。由于当时力转换器直接采用差压变送器的力平衡机构，这种流量计使用时不免带来力平衡机构本身所造成的诸多缺陷，如零位易漂移，测量精确度低，杠杆机构可靠性差等。由于力平衡机构性能不佳的拖累，靶式流量计本身的许多优点亦未能得到有效的发挥，至今用户对旧靶式流量计的不良印象仍未消除。新型SBL靶式流量计的力转换器采用应变式力转换器，它完全消除了上述力平衡机构的缺点，新型靶式流量计还把微电子技术和计算机技术应用到信号转换器和显示部分，流量计具有一系列优点，相信今后在众多流量计中发挥重要的作用。

  ●  电磁流量传感器：

电磁流量传感器是由直接接触管道介质的传感器和上端信号转换两部分构成。它是基于法拉第电磁感应定律工作的，用来测量电导率大于5μs/cm的导电液体的流量，是一种测量导电介质流量的仪表。除了可以测量一般导电液体的流量外，还可以用于测量强酸、强碱等强腐蚀性液体和均匀含有液固两项悬浮的液体，如泥浆、矿浆、纸浆等。

  ✦ 原理：

电磁流量传感器的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电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，特氟龙等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。

图1

导电液体在磁场中作切割磁力线运动时，导体中产生感应电势，感应电势E为：E=KBVD

式中：K---仪表常数；B---磁感应强度；V---测量管道截面内的平均流速；D---测量管道截面的内径

感应电势大小与磁感应强度、管径大小、流体流速大小有关。即：

体积流量qv与流体流速v的关系：

可得：

  ●  容积式流量传感器：

 ✦ 定义：

容积式流量传感器又称定排量流量传感器，简称PD流量传感器，在流量仪表中精度最高的一类。它的机械测量元件把流体连续不断的分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。

 ✦ 原理：

容积式流量测量是采用固定的小体积来反复计量通过流量传感器的流体体积。所以在容积式流量计传感器内部必须具有构成一个标准体积的空间，通过称其为容积式流量传感器的“计量空间”或“计量室”。这个空间由仪表壳的内壁和流量传感器转动部件一起构成。

图2

容积式流量传感器的工作原理为：流体通过流量传感器，就会在传感器进出口之间产生一定的压力差。流量传感器的转动部件（简称“转子”）在这个压力差作用下产生旋转，并将流量由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量传感器的“计量空间”，然后又不断的被送往出口。在给定流量传感器条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到通过流量传感器的流体体积的累积值。

  ●  涡街流量传感器：

 ✦ 定义：

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。

 ✦ 原理：

在流体中安放一个非流线型旋涡发生体，使流体在发生体两侧交替地分离，释放出两串规则地交错排列的旋涡，且在一定范围内旋涡分离频率与流量成正比的流量传感器。通过测量旋涡的频率，根据相关公式就能计算出流体的流量。

图3

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、蒸汽等多种介质。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。

  ●  涡轮流量传感器：

 ✦ 定义：

涡轮流量传感器类似于叶轮式水表，是一种速度式流量传感器。将涡轮叶轮、螺旋桨等元件置于流体中，利用涡轮的速度与平均体积流量的速率成正比，螺旋桨转速与流体速度成正比的原理，构成的能量转换器件。

图4

 ✦ 原理：

涡轮流量传感器是在管道中安装一个可自由转动的叶轮，流体流过叶轮使叶轮旋转，流量越大，流速越高，则动能越大，叶轮转速也越高。测量出叶轮的转速或频率，就可确定流过管道的流体流量和总量。

 ✦ 特点：

涡轮流量传感器是一种速度式仪表，它具有精度高，重复性好，结构简单，运动部件少，耐高压，测量范围宽，体积小，重量轻，压力损失小，维修方便等优点，用于封闭管道中测量低粘度气体的体积流量和总量。在石油，化工，冶金，城市天燃气管网等行业中具有广泛的使用价值。

  ●  超声波流量传感器

✦ 定义：

超声波流量传感器是使用压电材料镐钛酸铅晶体制成的，能将电能转换成声能的元件。是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。

 ✦ 原理：

当超声波束在流体中传播时，流体的流动将会使传播时间发生微小的变化，并且传播时间的变化正比于液体的流速，由此就能测出流体的流速，在根据管道口径就能计算出流量大小。

图5

 ✦ 特点：

目前的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、安装不便这些缺点，它均可避免。因为各类超声波流量传感器均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量传感器随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量传感器比相同功能其它类型流量传感器的功能价格比越优越。

超声测量仪表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，故可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。

  ●  差压流量传感器

 ✦ 定义：

差压式流量传感器是根据安装于管道中流量检测件产生的差压，已知的流体条件和检测与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。

 ✦ 原理：

充满管道的流体，当它流经管道内的节流件时，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件前后便产生了压差。流量流量愈大，产生的压差愈大，这样可依据压差来衡量流量的大小

图6

  ●  转子流量计

浮子流量计，又称转子流量计，通过量测设在直流管道内的转动部件的 （位置 )来推算流量的装置。是变面积式流量计的一种。

 ✦ 原理：

转子流量计由两个部件组成，转子流量计一件是从下向上逐渐扩大的锥形管；转子流量计另一件是置于锥形管中且可以沿管的中心线上下自由移动的转子。转子流量计当测量流体的流量时，被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲击着转子，并对它产生一个作用力（这个力的大小随流量大小而变化）；当流量足够大时，所产生的作用力将转子托起，并使之升高。同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的环形断面，这时作用在转子上的力有三个:流体对转子的动压力、转子在流体中的浮力和转子自身的重力。

流量计垂直安装时，转子重心与锥管管轴会相重合，作用在转子上的三个力都沿平行于管轴的方向。当这三个力达到平衡时，转子就平稳地浮在锥管内某一位置上。对于给定的转子流量计，转子大小和形状己经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知是常量，唯有流体对浮子的动压力是随来流流速的大小而变化的。因此当来流流速变大或变小时，转子将作向上或向下的移动，相应位置的流动截面积也发生变化，直到流速变成平衡时对应的速度，转子就在新的位置上稳定。对于一台给定的转子流量计，转子在锥管中的位置与流体流经锥管的流量的大小成一一对应关系。

为了使转子在在锥形管的中心线上下移动时不碰到管壁，通常采用两种方法：一种是在转子中心装有一根导向芯棒，以保持转子在锥形管的中心线作上下运动，另一种是在转子圆盘边缘开有一道道斜槽，当流体自下而上流过转子时，一面绕过转子，同时又穿过斜槽产生一反推力，使转子绕中心线不停地旋转，就可保持转子在工作时不致碰到管壁。转子流量计的转子材料可用不锈钢、铝、青铜等制成。

 ✦ 特点：

转子流量计是工业上和实验室最常用的一种流量计。它具有结构简单、直观、压力损失小、维修方便等特点。转子流量计适用于测量通过管道直 径D<150mm的小流量，也可以测量腐蚀性介质的流量。使用时流量计必须安装在垂直走向的管段上，流体介质自下而上地通过转子流量计。

  ●  孔板流量计

 ✦ 优点

(1)标准节流件是全世界通用的，并得到了国际标准组织的认可，无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是唯一的。

(2)结构易于复制，简单、牢固、性能稳定可靠、价格低廉;

(3)应用范围广，包括全部单相流体(液、气、蒸汽)、部分混相流，一般生产过程的管径、工作状态(温度、压力)皆有产品。

(4)检测件和差压显示仪表可分开不同厂家生产，便与专业化规模生产;

 ✦ 缺点

(1)测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难于提高。

(2)范围度窄，由于流量系数与雷诺数有关,一般范围度仅3∶1 ～ 4∶1。

(3)有较长的直管段长度要求，一般难于满足。尤其对较大管径，问题更加突出;

(4)压力损失大，通常为维持一台孔板流量计正常运行，水泵需要附加动力克服孔板的压力损失。该附加耗电量可直接由压力损失和流量计算确定。一年约需多耗电数万度，折合人民币数万元。下表中列出了孔板在正常压力损失情况下的能耗计算结果。其中运行天数按三百五十天计算，电价按0.35元/度计算。由表中计算电耗数据可见，孔板的附加运行费用是极高的，而采用弯管流量计该运行费用为零!

(5)孔板以内孔锐角线来保证精度，因此对腐蚀、磨损、结垢、脏污敏感，长期使用精度难以保证，需每年拆下强检一次。

(6)采用法兰连接，易产生跑、冒、滴、漏问题，大大增加了维护工作量。

二、选型

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。一般选型可以从五个方面进行考虑，这五个方面为流量计仪表性能方面、流体特性方面、安装条件方面、环境条件方面和经济因素方面。五个方面的详细因素如下：

 ✦ 仪表性能方面：准确度、重复性、线性度、范围度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等；

 ✦ 流体特性方面： 温度、压力、密度、粘度、化学腐蚀、磨蚀性、结垢、混相、相变、电导率、声速、导热系数、比热容，等熵指数；

 ✦ 安装条件方面： 管道布置方向，流动方向，检测件上下游侧直管段长度、管道口径，维修空间、电源、接地、辅助设备(过滤器、消气器)、安装、等；

 ✦ 环境条件方面：环境温度、湿度、电磁干扰、安全性、防爆、管道振动等；

 ✦ 经济因素方面： 仪表购置费、安装费、运行费、校验费、维修费、仪表使用寿命、备品备件等。

  ●  注意事项：

 ✦ 1、流体特性主要指燃气的压力、温度、密度、黏度、压缩性等，由于煤气的体积随着温度、压力而变化，应考虑是否要补偿修正。

 ✦ 2、仪表性能是指仪表的精度、重复性、线性度、量程比、压力损失、起始流量、输出信号及响应时间等，选流量计时应对上述指标进行仔细分析比较，选择能满足计量介质流量要求的仪表。

 ✦ 3、安装条件是指燃气流向、管道走向、上下游直管道长度、管径、空间位置及管件等，这些都会影响燃气煤气流量计的准确运行、维护保养和使用寿命。

 ✦ 4、经济因素是指购置费、安装费、维护费、校验费及备品备件等，其又受燃气煤气流量计的性能、可靠性、寿命等影响。

 ✦ 5、精度等级和功能根据测量要求和使用场合选择仪表精 度等级，做到经济合算。比如用于贸易结算、产品交接和能源计量的场合。