流量传感器种类及应用介绍

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：速度流量传感器是根据探测到的流体速度改变多少来测量流速。本节将介绍桨轮式流量传感器、涡轮流量传感器、涡流流量传感器、电磁流量传感器和超声波流量传感器。一些电磁流量传感器中装有微处理器，不仅可以提供探测功能，还可以进行诊断，如线圈驱动测试和全空或半空管道探测。超声波流量传感器可以作为故障检修器件来探测不正常的流量，也可以作为一个已安装流量传感器的备份或用来检查多个已经存在的流量计。

速度流量传感器是根据探测到的流体速度改变多少来测量流速。本节将介绍桨轮式流量传感器、涡轮流量传感器、涡流流量传感器、电磁流量传感器和超声波流量传感器。

1.桨轮式流量传感器

这种传感器安装在管道中，流动的液体使传感器的桨轮不停地转动。图4-30所示为桨轮式流量传感器的安装图。传感器安装在管道上方，因此只有桨轮的一部分浸在流体中。桨轮式流量传感器安装在内部为层流的直管中。流体引起桨轮不断转动，它的旋转将转变为输出的电信号。通常在桨片上附着一块磁铁，因此在桨轮旋转时，一个磁性传感器可以将转动转换为一个电脉冲。传感器的输出通常是一个方波信号，其频率和液体流量存在函数关系，或者是一个可变电压。但一些传感器上安装着电池供电的电子显示器，可用来方便地读取数据。图4-31示出了一个典型的桨轮式流量传感器。该传感器的封帽通常为红色或蓝色，以便在安装时可以起到醒目的警示作用。红色封帽表示该传感器模型的输出电缆最长为200ft，而蓝帽则表示该传感器输出电缆可以延伸至1000ft。桨轮式流量传感器是一种低功率传感器，应用在一些对精确度要求不高的设备中。消防设备就是这样一个例子，这种传感器必须非常坚固，以便承受10 000gpm的流量。

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图4-30　桨轮式流量传感器安装图

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图4-31　乔治·费歇尔桨轮流量传感器

2.涡轮流量传感器

涡轮流量传感器有很多不同的设计方式，总体说来，它们都基于同样的设计原理。当流体在管道中流动，并冲击涡轮的轮叶时，涡轮开始旋转。图4-32示出了一个涡轮流量传感器。它的工作原理与桨轮类似，根据旋转速度来测量流体的流量。高质量宝石轴承和镍钨合金弹簧涡轮轴的使用寿命长，摩擦系数低。法兰盘管用于确保涡轮安装在合适的深度。轴的转动通常用一个霍尔效应传感器进行检测，然后转换为一个方波脉冲，它的传送距离为2000ft。脉冲和流体的速度成正比，精确度大约为±0.1%，比桨轮式流量传感器精确度要高。图4-33示出了一个具有全密封电子模块的涡轮流量传感器。该模块可以单独拆卸，因此进行模块的修理或更换时不需要对传感器进行拆装。

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图4-32　涡轮流量传感器

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图4-33　乔治·费歇尔3-2100型涡轮流量传感器

对涡轮流量传感器来说，电子脉冲的数量与流体通过传感器的速度有关，相关公式如下：

式中，V是流体的体积；K是涡轮常数，单位是cm3；N是脉冲的数量。

流量Q的表达式如下：

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式中，T是脉冲计数的时间间隔。

3.涡流流量传感器

涡流流量传感器是在流体中安装一个非流线型物体（一个非流线型旋涡发生体），以便顺流产生旋涡（涡流或涡旋）。当流体冲击非流线型旋涡发生体时，将产生一系列旋涡。图4-34示出了流体中非流线型旋涡发生体周围产生的涡流。当顺流中形成交变低压区域时将产生旋涡脱落的现象。在旋涡发生体产生旋涡的一侧流体的速度比较快，压力则较低。当旋涡顺流而下时，它的力量和尺寸都在不停地增长，最终产生脱落。随后在旋涡发生体的另一端将继续产生旋涡，这些旋涡之间的距离相等。旋涡发生体在图中为梯形，但只要它的宽度达到一定标准，使管道中所有流体产生的旋涡最终都可以发散，则旋涡发生体也可以为其他形状。

涡流流量传感器中的大多数电子元器件都是压电或电容器件，可以探测到旋涡发生器周围的压力振荡。这些器件可以将压力的振荡转换为低压输出信号，同时输出信号的频率和振荡频率相等。但是智能涡流流量传感器提供的数字输出信号不仅代表流量，还包含了流体的其他信息。传感器中的微处理器可以对管道不直、正常管道和接合部分管道直径不同、旋涡发生器的热膨胀等问题进行自动纠正。这些传感器都是标准组件，价格低廉，更换方便，并且可以工作在很宽的温度范围内，即从低温流体到过热蒸汽都能测量。旋涡脱落的频率和管道中流体的速度成正比，因此可以用来测定流量。除了流体必须是湍流以便产生旋涡脱落外，脱落频率和流体的其他性质，如密度、黏性和导电性无关。图4-35所示为一个注模塑料制成的涡流流量传感器的结构，它拥有一个积分电子单元，用来提供一个线性电压或周期输出信号。

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图4-34　涡流流量传感器

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图4-35　乔治·费歇尔7000/7001型涡流流量传感器

4.电磁流量传感器

电磁流量传感器用来测定流体中的电荷量，它和流体的速度成正比。它的工作原理基于法拉第电磁感应定律，一个在磁场中移动的导电体上产生的电压和该导体移动的速度成正比。

图4-36所示为电磁流量传感器。这种流量传感器要插入的深度很浅（大约只有5mm），并且不会产生压降。通过一个线圈产生磁场，当流体通过磁场时，它类似一个导电体，并产生电荷。一个电极探测器用来探测电荷大小，把电荷转换为速度，就可以测量出流量。一些电磁流量传感器中装有微处理器，不仅可以提供探测功能，还可以进行诊断，如线圈驱动测试和全空或半空管道探测。

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图4-36　电磁流量传感器

电磁流量传感器在废水系统和不需要插入传感器的工业应用中使用非常广泛。它可以测量化学物质、大量淤泥、纸浆和浆料、泥浆和液态酸的流量。图4-37中示出了两个电磁流量传感器，一个是流量探测器，另一个中有报警继电器输出信号的流量探测器。

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图4-37　乔治·费歇尔2550/2560型电磁流量传感器

5.超声波流量传感器

超声波流量传感器的工作基于多普勒效应。多普勒效应是指反射信号的频率与流体流动的速度和方向有关。当流体接近传感器时，反射信号的频率不断增加，而流体远离传感器时，反射信号的频率不断减小。反射频率减去原始频率就是所得的频率差，它通常用来计算流体流量。

图4-38所示的超声波流量传感器夹紧在管道上方，其中包括一个发射元件和一个接收元件。流体中的泡沫或悬浮固体可以将传感器发出的信号反射给接收器——一个多普勒计。多普勒计负责探测发射频率和接收频率之间的频率差。测量精确度通常约为流量的1%，反应速度为1s。

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图4-38　超声波流量传感器

这种类型的传感器不用嵌入到管道系统中，因此携带或移动都非常方便。超声波流量传感器可以作为故障检修器件来探测不正常的流量，也可以作为一个已安装流量传感器的备份或用来检查多个已经存在的流量计。此传感器还可以使用一个装有微处理器的手持转换器，该转换器可以提供多种附加功能，如本地图形显示、用来呼叫数值菜单的键盘、趋势显示和位置参数的设定。转换器同样可以通过一个RS-232串行通信接口和PC机建立连接。

流量传感器种类及应用介绍

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