流量测量及流量传感器的现状

传感器技术 2019-03-17 07:00

文 | 传感器技术


测量流体流量的仪表统称为流量计或流量表.流量计是工业测量中重要的仪表之一.随着工业生 产的发展,对流量测量的准确度和范围的要求越来越高,流量测量技术日新月异.为了适应各种用途, 各种类型的流量计相继问世。目前已投入使用的流量计已超过 100 种。


流量测量的意义


流体流量的测量在工业生产和过程控制中占有重要地位。由于流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性,造成了如今流量测量仪表的多样性、专用性和价格差异的悬殊性。作为其核心部分的流量传感器种类繁多而且发展较快。


流量参数可谓工业生产过程、科学实验计量和进行各种经济核算所必须的重要参数,是能源计量的重要组成部分。特别是在热电厂、石油、矿山、冶金、航空、机械等领域, 通过流体流量的测量,人们可以了解掌握流动过程、进行生产工艺的自动控制、实行能源管理。从而可以保证产品质量,提高生产效率,节约能源,尤其是在能源危机、工业自动化程度越来越高的当今时代,流量传感器在国民经济中的作用越来越明显。


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,因此大力研究生产高质量的流量传感器是十分必要的。


流量传感器的种类及特点


流量传感器品种繁多,传统原理的仪表和新型的仪表,在微电子技术、计算机技术和通信网络技术的融入下,不断推陈出新。新测量原理的研究开发方兴未艾,有些尚处于萌芽状态,有些接近实用阶段。


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[8]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。


流量仪表的发展趋势


 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,andMaintenance System)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。所以国内在研究开发流量传感器时应该有意识地设计符合这一要求的流量传感器。

   

 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,有数字通信口能与微机连接,可以充分利用单片机的数据处理功能,减少随机和系统误差。具有自动校准功能;具有自检报警功能,检查各部件状态是否正常,以保证测量的正确性;量程可自动调节。

   

 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。

    

 4)高性能化,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。

  

  5)专用化,特殊流量传感器的研究如大流量、小流量、高黏度、高温流体、多相流体、高低压气流等。流量传感器的研究应与经济性紧密相连。发展热式流量传感器,利用光纤技术和光学理论发展光学式传感器,正是大势所趋。


根据流体的特性来选择流量传感器


选择流量传感器不仅需要根据自己的工况参数进行选择,还要参考自己所测流体的特性。流体的特性也是影响流量传感器选择的一个重要因素。


1、对于具有腐蚀、结垢、脏污类的流体


如果要测量这类流体需要选用有转动件及有检测件的传感器,如果选择超声波和电磁类的流量传感器都会因腐蚀管道而带来测量误差。


2、粘性液体粘性相差较大的流体


这种情况您需要选择容积式流量传感器,,而不宜选用涡轮、浮子、涡街等流量传感器。


3、对于特殊流体参数的流量传感器


特殊的流体参数比如,压缩性系数影响差压式,电导率影响电磁等。


4、与许多物理参数(如压力、温度、物位、成分)不同的是,流量必须以流体流动为前提,没有流动就不存在流量。


不同的流体特性和环境工况,所对应的流量传感器是不同的,为了节约汽车等交通运输设备的发动机能源消耗,选用旋转活塞式流量传感器可以做到精准计量。


U-How®康汇燃油流量计


U-How®康汇流量计是上海康汇实业发展有限公司,根据旋转活塞式工作原理自主研发生产的,具有测量流速低、量程宽、精度高、结构简单、工作安全可靠等特点的高精度流量传感器。


工作原理


旋转活塞式流量计,是属于容积式流量计,它基于活塞与计量室一直保持的相切密封状态。并有一个固定的偏心距计量元件活塞,在压差的作用下,对活塞产生转动力矩,使活塞做偏心旋转运动,活塞的转数正比于流体的流量,通过记数机构记录出活塞转数,即可测得流体总流量。


旋转活塞式流量计进出口由隔板隔开。当被测流体从进口进入计量室,这时进出口形成压差,迫使活塞逆时针旋转如图a所示。流体连续流入,迫使活塞转动如图b所示,形成二个半月牙腔体,在压差作用下迫使活塞转动如图c,V2流体从出口排出,使活塞转动如图d所示,在压差作用下转动,活塞每转一周迸出的流体等于V1+V2的和。


工作原理图

 



流量计爆炸图:




产品参数


1、机械部分:


型号

PDFM

4D

PDFM

8D

PDFM

8Db

液压连接器

M14

x1.5

M14

x1.5

M16/22

x1.5

最大工作压力 

(MPa)

2.5

2.5

2.5

测量范围    

(l/h)

1~

80

20~

200

80~

320

精度   (﹪)

±1

±1

±1

重复率 (﹪)

±0.2

±0.2

±0.2

测量室体积   

(ml)

5

12.44

12.44

内置滤网尺寸

(mm)

0.125

0.15

0.15

工作温度

(℃)

﹣20

~80

﹣20

~80

﹣20

~80

存储温度

(℃)

﹣40

~100

﹣40

~100

﹣40

~100


2、电子部分:


型号尺寸

KHDQ

工作电压     (V)

9~40

输出接口

RS485/RS232

数据线

2×0.75

工作温度    (℃)

﹣20~80

存储温度    (℃)

﹣40~100

 

测量介质:


可测量轻质和中质油料,如:汽油、柴油、煤油、石脑油、润滑油



产品资质


1. 发明专利:ZL201020504169.8流量传感器


2. 国家汽车质量监督检验中心车辆检测报告


3. 交通部委托北京计量院精度检测报告



油耗监控解决方案


应用对象


1.发动机:


火车、汽车、工程车、拖拉机、发电机组及内河或近海航行的船舶中测量各类动力机器的燃油消耗量,及各种较重液体的装卸计量和管道过液计量。


2.燃烧器:


车载锅炉、移动锅炉等设备的燃油消耗计量。


数据采集方式


通过采集流量计脉冲数据的方式,以RS485/RS232对接设备单位的系统集成


解决方案








实施案例


某大型石油集团:

吊管机、移动电站、多功能车、弯管机、空压机等


某大型采油厂:

锅炉车、清蜡车、超导车、水泥车、吊车等;


港口:

龙门吊、堆高机、正面吊、装载机等


其它:

轮胎胎压油耗测试;驾驶员驾驶技术比武;发动机性能标定


空压机



锅炉车





U-How®康汇燃油流量计

联系人           汪先生

电话:18964834582



传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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