流量傳感器用于在許多監(jiān)測和控制應(yīng)用中測量氣體和液體的流量。流動(dòng)可以有多種定義(例如，質(zhì)量、體積、層流、湍流)。物質(zhì)流動(dòng)的量(質(zhì)量流量)通常是感興趣的，如果流體的密度是恒定的，體積流量測量通常是非常容易執(zhí)行的。一些技術(shù)適用于氣體和液體流動(dòng);其他人則特定于他們正在測量的內(nèi)容。

　　流速通常通過首先測量管道、導(dǎo)管或其他結(jié)構(gòu)中的流體速度，然后乘以測量點(diǎn)處的已知橫截面積來獲得。本文將研究用于測量氣體和/或液體流量的九種非常常用的技術(shù)和設(shè)備。

　　1. 熱風(fēng)速計(jì)

　　熱(或“熱線”)風(fēng)速計(jì)的工作原理是，流動(dòng)流體從加熱的溫度傳感器中帶走的熱量與流體的速度有關(guān)。這些傳感器通常使用第二個(gè)未加熱的溫度傳感器來補(bǔ)償空氣溫度的變化。熱線傳感器可用作用于測試目的的單點(diǎn)儀器，或用于固定安裝的多點(diǎn)陣列。這些傳感器在低氣流測量方面優(yōu)于差壓類型，通常適用于 50 至 12,000 fpm 的空氣速度。

　　2. 差壓傳感器

　　差壓流量計(jì)是使用中非常常見的裝置類型，特別是對于液體。它們的操作基于這樣的概念，即儀表上的壓降與流量的平方成正比。通過測量壓差并取平方根來找到流速。

　　與大多數(shù)流量計(jì)一樣，這些設(shè)備具有兩個(gè)元件。主要元素導(dǎo)致動(dòng)能變化，從而在管道中產(chǎn)生壓差。該單位必須與管道尺寸、流動(dòng)條件和被測液體的特性正確匹配。此外，元件的測量精度必須在合理范圍內(nèi)保持良好。次級(jí)元件測量壓差并輸出轉(zhuǎn)換為實(shí)際流量值的信號(hào)。

　　對于氣流測量，常見的差壓流量裝置包括皮托管

　　皮托管由兩根管子組成，用于測量管道內(nèi)不同位置的壓力。一根管子測量靜壓，通常在管壁處;其他測量沖擊壓力(靜壓加速度壓頭)。流速越快，沖擊壓力越大。皮托管使用沖擊壓力和靜壓之間的差異來計(jì)算流量。皮托管成本低，但缺點(diǎn)是只能測量單點(diǎn)流量，必須安裝在非常大流量點(diǎn)。速度曲線的變化會(huì)導(dǎo)致重大錯(cuò)誤。它們也容易堵塞。平均皮托管有多個(gè)端口用于測量多個(gè)位置的流量，這使得可以考慮不斷變化的速度曲線(圖 2)。

　　一些基于差壓的流量測量系統(tǒng)包括能夠以電子方式提取測量壓力的平方根并提供相對于速度呈線性的信號(hào)的變送器。其他提供與測量壓力成比例的信號(hào)，并依賴控制系統(tǒng)來計(jì)算平方根。一旦獲得速度，就可以通過乘以管道的橫截面積來找到流量。壓力變送器的量程和分辨率限制了速度范圍。大多數(shù)差壓裝置的非常小速度限制在 400–600 fpm 范圍內(nèi)。非常大速度僅受傳感器耐用性的限制。

　　為了測量液體流量，差壓流量裝置通常測量速度壓力(插入管類型)，或通過已知限制的壓降。孔板、流量噴嘴、文丘里管和皮托管是常用的限制類型。

　　插入管傳感器通常由一根管子組成，該管子在流動(dòng)流的寬度上具有多個(gè)開口，給出了穿過管子的平均速度差，以及一個(gè)位于上游和下游開口之間的內(nèi)部擋板，用于獲得壓差。這些儀表具有較低的yongjiu壓力損失，可以滿足許多常見應(yīng)用。

　　同心孔板(圖 3 )是非常簡單且成本非常低的差壓裝置?？装逑拗屏黧w的流動(dòng)并在孔板上產(chǎn)生壓差，從而導(dǎo)致上游的高壓和下游的低壓與流速的平方成正比?？装逋ǔ１绕渌髁吭a(chǎn)生更大的總壓力損失。

　　文丘里管(圖 4)是非常大和非常昂貴的差壓裝置。它們通過逐漸縮小管道直徑并測量由此產(chǎn)生的壓降來工作。然后膨脹部分將流量返回到其原始?jí)毫Ω浇?。與孔板一樣，差壓測量值被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流量。文丘里管通常用于需要低壓降和高精度讀數(shù)的大直徑管道應(yīng)用。

　　流量噴嘴 實(shí)際上是文丘里管的變體，噴嘴開口是流量中的橢圓形限制，但沒有用于壓力恢復(fù)的出口區(qū)域。測壓口位于下游約二分之一管徑和上游一管徑處。

　　流量噴嘴是一種高速流量計(jì)，用于高湍流(雷諾數(shù)高于 50,000)的地方，如蒸汽流量應(yīng)用。流量噴嘴的壓降介于文丘里管和孔板之間(30%–95%)。

　　差壓儀表的優(yōu)點(diǎn)包括成本低、操作和安裝簡單以及經(jīng)過驗(yàn)證的性能。這是一個(gè)很好理解的技術(shù)。缺點(diǎn)可能是yongjiu性壓力損失、污垢積聚和堵塞、某些裝置的大尺寸和笨重，以及它們不適合與某些類型的流體一起使用。

　　3. 渦流傳感器

　　這些傳感器根據(jù) von Kármán 原理運(yùn)行：當(dāng)流體在障礙物(鈍物)周圍流動(dòng)時(shí)，渦流或渦流會(huì)在物體下游交替流出。渦旋脫落的頻率與流體的速度成正比。單個(gè)傳感器用于小型管道，傳感器陣列應(yīng)用于較大的管道​​，與其他類型的氣流測量儀器一樣。它們通常用于 350–6000 fpm 范圍內(nèi)的風(fēng)速，同樣適用于流速或總流量測量。不建議與漿料或高粘度流體一起使用。

　　4. 容積式流量傳感器

　　這些流量測量設(shè)備用于需要在高量程比(設(shè)備的全范圍與非常小可測量流量的比率)下的高精度并且一些yongjiu壓力損失不會(huì)導(dǎo)致過多能量消耗的情況。它們通過將液體分成測量的部分然后繼續(xù)移動(dòng)來操作。然后連接寄存器對每個(gè)段進(jìn)行計(jì)數(shù)。它們適用于粘性液體流動(dòng)或需要單個(gè)機(jī)械儀表的地方。容積式流量計(jì)的常見類型包括葉片式和齒輪式、章動(dòng)盤式、旋轉(zhuǎn)葉片式和擺動(dòng)活塞式流量計(jì)。儀表通常由黃銅、青銅和鑄鐵等金屬制成，但也可以由工程塑料制成，具體取決于應(yīng)用。

　　由于這些傳感器要求其運(yùn)動(dòng)部件之間具有緊密的公差，因此流動(dòng)中的懸浮固體會(huì)導(dǎo)致機(jī)械問題。這些儀表配有流量指示器和可手動(dòng)讀取的累加器。這些設(shè)備相對昂貴。

　　5. 基于渦輪的流量傳感器

　　渦輪式和螺旋槳式儀表使用的原理是，流經(jīng)渦輪或螺旋槳的液體將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子以與流量直接相關(guān)的速度旋轉(zhuǎn)?？梢詫﹄娒}沖進(jìn)行計(jì)數(shù)和總計(jì)。這些設(shè)備有全通徑、管道安裝版本和插入類型，其中只有一部分被測量的流量通過旋轉(zhuǎn)元件。渦輪流量計(jì)在正確指定和安裝后可提供良好的精度，尤其是對于低粘度流體。插入類型用于不太重要的應(yīng)用程序。它們通常更容易維護(hù)和檢查，因?yàn)樗鼈兛梢栽诓桓蓴_主管道的情況下移除。

　　6. 質(zhì)量流量計(jì)

　　需要更精確的流量測量的與質(zhì)量相關(guān)的過程(例如化學(xué)反應(yīng)和傳熱)導(dǎo)致了質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展。有多種設(shè)計(jì)可供選擇，但非常常見的是科里奧利儀表，它基于一種稱為科里奧利力的現(xiàn)象。科里奧利儀表是真正的質(zhì)量儀表，可直接測量質(zhì)量流量，而不是測量體積流量。由于質(zhì)量不變，儀表是線性的，無需針對液體特性的變化進(jìn)行調(diào)整。此外，這些設(shè)備不需要對不斷變化的溫度和壓力條件進(jìn)行補(bǔ)償。這些儀表特別適用于測量在給定溫度和壓力下粘度隨速度變化的液體。

　　科里奧利儀表有多種設(shè)計(jì)可供選擇。一種流行的設(shè)備包括一個(gè) U 形流量管，該流量管封裝在與電子單元相連的傳感器外殼中。傳感單元可以直接安裝到任何過程中，電子單元可以位于距離傳感器 500 英尺的地方。在外殼內(nèi)部，管子通過管子彎曲處的磁性裝置以其固有頻率振動(dòng)。這類似于音叉的振動(dòng)，覆蓋 <0.1 英寸并完成約 80 次/秒的完整周期。當(dāng)流體流過管子時(shí)，它被迫承擔(dān)管子的垂直運(yùn)動(dòng)。這反過來又導(dǎo)致流體對管施加力，使其扭曲。扭轉(zhuǎn)量與流過管子的液體的質(zhì)量流量成正比。流量管兩側(cè)的磁性傳感器測量內(nèi)部速度，內(nèi)部速度會(huì)隨著管子的扭曲而變化。傳感器將信息饋送到電子單元，電子單元對其進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)換為與質(zhì)量流量成比例的電壓。該流量計(jì)具有廣泛的應(yīng)用范圍，從粘合劑和涂料到液氮。

　　7. 電磁流量傳感器

　　這些傳感器的操作(圖 5)基于法拉第電磁感應(yīng)定律，即當(dāng)導(dǎo)體穿過磁場時(shí)會(huì)感應(yīng)出電壓。液體是導(dǎo)體，磁場由流量管外的通電線圈產(chǎn)生。產(chǎn)生的電壓與流量成正比。安裝在管壁上的電極感應(yīng)感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓由次級(jí)元件測量。

　　電磁流量計(jì)用于測量需要高質(zhì)量、低維護(hù)系統(tǒng)的導(dǎo)電液體(包括水)的流量。與其他類型相比，電磁流量計(jì)的成本較高，但它們的重要用途包括測量困難和腐蝕性液體和漿液，以及逆流測量。

　　8. 超聲波流量傳感器

　　超聲波流量傳感器可分為多普勒傳感器和傳輸(或行程時(shí)間)傳感器。多普勒傳感器測量由液體流動(dòng)引起的頻移。兩個(gè)傳感器安裝在連接到管道一側(cè)的外殼中，一個(gè)已知頻率的信號(hào)被傳送到要測量的液體。液體中的氣泡、固體或任何其他不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致脈沖向接收器元件反射。因?yàn)橐鸱瓷涞囊后w在移動(dòng)，所以返回脈沖的頻率與液體的速度成比例地變化。

　　對于運(yùn)輸儀表，傳感器安裝在管道的任一側(cè)，以便在設(shè)備之間傳播的聲波與流動(dòng)方向成 45° 角。在傳感器之間移動(dòng)的信號(hào)的速度隨著傳輸方向和被測液體的速度而增加或減少。通過在兩個(gè)方向交替?zhèn)鬏斝盘?hào)，可以獲得與流量成比例的時(shí)間-微分關(guān)系。這種類型的傳感器的一個(gè)限制是，被測量的液體必須相對不含固體或夾帶的氣體，以非常大限度地減少信號(hào)散射和吸收。

　　超聲波流量計(jì)是非侵入式的，成本適中。許多型號(hào)設(shè)計(jì)用于夾在現(xiàn)有管道上。

　　9. 激光多普勒風(fēng)速計(jì)

　　激光多普勒風(fēng)速計(jì) (LDA) 是一種廣泛使用且成熟的技術(shù)，用于液體和氣體中的流體動(dòng)力學(xué)測量。LDA 的方向靈敏度和非侵入性使其可用于具有反向流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)或高溫介質(zhì)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)械的應(yīng)用，其中物理傳感器可能難以或不可能使用。然而，這種技術(shù)確實(shí)需要流動(dòng)中的示蹤粒子。

　　LDA 為流量測量提供的主要優(yōu)勢包括：

　　1.非接觸式

　　2.無需校準(zhǔn)

　　3.測量距離范圍從厘米到米

　　4.速度范圍從零到超音速

　　5. 測量逆流

　　6. 高時(shí)空分辨率

　　LDA 的基本配置(圖 6)包括：

　　1. 連續(xù)波激光器

　　2. 透射光學(xué)器件，包括分束器和聚焦透鏡

　　3. 接收光學(xué)器件，由聚焦透鏡、干涉濾光片和光電探測器組成

　　4.信號(hào)調(diào)節(jié)器和信號(hào)處理器

　　通常，LDA 向目標(biāo)發(fā)射單色激光束并收集反射的輻射。根據(jù)多普勒效應(yīng)，反射輻射波長的變化是目標(biāo)物體相對速度的函數(shù)。因此，可以通過測量反射激光波長的變化來找到速度。這是通過疊加原始信號(hào)和反射信號(hào)形成干涉條紋圖案(明暗條紋圖案)來實(shí)現(xiàn)的。

　　布拉格單元通常用作分束器。這是附有振動(dòng)壓電晶體的玻璃晶體。振動(dòng)產(chǎn)生聲波，其作用類似于光學(xué)網(wǎng)格。兩束強(qiáng)度相等的光束從布拉格單元射出，頻率為 f0 和 fSHIFT，它們被聚焦到光纖中，將它們帶到探頭。在探頭中，來自光纖的平行出射光束由透鏡聚焦，在稱為測量體積的區(qū)域相交。由于激光束之間的干涉會(huì)調(diào)制光強(qiáng)度，從而產(chǎn)生稱為條紋的高光強(qiáng)度平行平面。條紋距離 df 由激光的波長和光束之間的角度定義：

　　流速信息來自流體中攜帶的微小“種子”粒子在通過測量體積時(shí)散射的光。散射光包含多普勒頻移，即多普勒頻率 fD，它與垂直于兩個(gè)激光束等分線的速度分量成正比，對應(yīng)于測量體積的 X 軸。

　　接收器透鏡收集散射光并將其聚焦在光電探測器上。安裝在光電探測器前面的干涉濾光片僅通過所需的波長，從而消除環(huán)境光和其他波長的噪聲。光電探測器將波動(dòng)的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即多普勒脈沖。多普勒脈沖在信號(hào)處理器中被過濾和放大，通常通過使用快速傅里葉變換算法的頻率分析來確定每個(gè)粒子的 fD。

　　條紋間距 df 提供有關(guān)粒子行進(jìn)距離的信息。多普勒頻率 fD 提供有關(guān)時(shí)間的信息： t = 1/fD 。由于速度等于距離除以時(shí)間，因此速度的表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

　　在粒子播種中，液體通常含有足夠的自然播種，但通常必須播種氣體。理想情況下，粒子應(yīng)該足夠小以跟隨流動(dòng)，但足夠大以散射足夠的光以在光電探測器輸出處獲得良好的信噪比。顆粒的尺寸范圍通常為 1-10 μm。顆粒材料可以是固體(粉末)或液體(液滴)。