水流量傳感器的技術(shù)變革及發(fā)展趨勢(shì)

流量傳感器是流量?jī)x表中為關(guān)鍵的部件之一，它與信號(hào)處理部件、數(shù)據(jù)傳輸與通信部件一起共同構(gòu)成了流量表計(jì)及裝置。流量?jī)x表在能源計(jì)量、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)測(cè)量、環(huán)保工程檢測(cè)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面發(fā)揮著非常重要的作用，也是過程自動(dòng)化儀表與裝置中的主要儀表之一。流量傳感器包括了氣體傳感器、液體流量和多相流量傳感器等三類。其中液體流量傳感器又包括了水流量、油類流量和其它液體流量傳感器等幾種。

水流量傳感器是流量傳感器中使用量大、使用面廣的一種傳感器。它主要用于封閉管道中的生活飲用水、原水、灌溉用水、污水、城鎮(zhèn)供熱用水、生活熱水、以及工農(nóng)過程用水等的計(jì)量表計(jì)、檢測(cè)儀表和自動(dòng)測(cè)控裝置等，并以生活飲用水和供熱熱水的計(jì)量為主體。水流量傳感器以產(chǎn)品門類豐富、品種規(guī)格眾多、涉及技術(shù)面廣、工作環(huán)境條件復(fù)雜等著稱。

水流量傳感器按其測(cè)量原理不同可以將其分為容積式和速度式兩類傳感器。按傳感器主要結(jié)構(gòu)及信號(hào)獲取方式不同，可將水流量傳感器劃分成有機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳感器（如：活塞式、章動(dòng)式、葉輪式水流量傳感器）和無機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳感器（如：電磁式、聲式、射流式水流量傳感器）等幾種。

水流量傳感器單獨(dú)使用的情況很少，絕大多數(shù)都用在各類水表、熱量表、水流量計(jì)等產(chǎn)品上，對(duì)封閉管道內(nèi)的介質(zhì)流量或流速起到感知與轉(zhuǎn)換的作用。通過測(cè)量表計(jì)內(nèi)信號(hào)處理部件對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行處理與顯示，可獲得累積流量（即用水量）、瞬時(shí)流量、各時(shí)段流量以及熱量等參數(shù)，如有必要還可以將所得結(jié)果對(duì)外進(jìn)行傳輸與通信。

一般情況下，用于工農(nóng)業(yè)過程水流量測(cè)量與控制的流量計(jì)及儀表，其傳感器通常工作在流量范圍較窄區(qū)間，并以管道中水的瞬時(shí)流速或流量作為主要測(cè)控目標(biāo)，而且工作環(huán)境條件通常較好；而水表、熱量表中水流量傳感器則于其明顯不同，他們要求傳感器有很寬的流量測(cè)量范圍，以適應(yīng)同一管道中不同水流量測(cè)量的要求。同時(shí)，由于工作環(huán)境惡劣，不能采用電網(wǎng)電源供電，因此智能電子水表、熱量表等必須采用微功耗設(shè)計(jì)及電池供電，并且應(yīng)具有在潮濕、淹水環(huán)境中可靠工作的特性。

主流水流量傳感器

生活飲用水和供熱用水的水流量傳感器數(shù)量占到總數(shù)的80%以上，它們?cè)诤芏喾矫婺軌虼硭髁總鞲衅鞯幕緺顩r及特性。目前，我國(guó)用于各類水表（包括機(jī)械水表和智能電子水表）的水流量傳感器數(shù)量特別大，年產(chǎn)量大約為6000多萬臺(tái)，約占產(chǎn)量的45%，其中出口量多達(dá)2200余萬臺(tái)；用于熱量表的水流量傳感器年產(chǎn)量也有300萬臺(tái)之多。

上述水流量傳感器中，大口徑的通常以葉輪式水平螺翼式和垂直螺翼式結(jié)構(gòu)為主體，小口徑的則以葉輪式多流束旋翼式和單流束旋翼式結(jié)構(gòu)為主體。這種帶來運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的葉輪式傳感器是目前供水、供熱管道中常用的主流水流量傳感器。其它如容積式水流量傳感器也占有少量份額，并以旋轉(zhuǎn)活塞式結(jié)構(gòu)為主，通常在水質(zhì)條件較好，水中無雜質(zhì)的場(chǎng)合使用。

葉輪式水流量傳感器由于采用與管道流速成比例的機(jī)械傳動(dòng)軸系葉輪及葉輪盒等旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，在水中雜質(zhì)較少的工況下可以穩(wěn)定工作。由于葉輪旋轉(zhuǎn)不能直接以電信號(hào)方式輸出，因此此類水流量傳感器通常采用機(jī)械積算機(jī)構(gòu)對(duì)用水量進(jìn)行積算并示數(shù)。如要將葉輪、活塞等旋轉(zhuǎn)量直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，則必須在傳感器內(nèi)設(shè)置機(jī)電轉(zhuǎn)換部件，將非電量的旋轉(zhuǎn)量轉(zhuǎn)換成脈沖輸出的增量編碼電信號(hào)或位置量輸出的編碼電信號(hào)，便于后續(xù)信號(hào)處理及數(shù)據(jù)傳輸與通信。

脈沖編碼信號(hào)輸出需要用到多種敏感元件及檢測(cè)方法，常用的有磁敏檢測(cè)，電渦流檢測(cè)及開關(guān)檢測(cè)等幾種；位置編碼信號(hào)通常采用光電直讀方式進(jìn)行采集。

葉輪式水流量傳感器可在很寬的測(cè)量范圍內(nèi)工作，由于儀表常數(shù)不能保持良好的線性度，因此該類傳感器的測(cè)量范圍會(huì)受到非線性特性的制約。當(dāng)前已有采用計(jì)算流體動(dòng)力CFD方法對(duì)葉輪式水流量傳感器的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并對(duì)流量特性作出優(yōu)化處理。

新型水流量傳感器

葉輪或活塞式水流量傳感器由于有機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)存在，因而工作時(shí)軸系容易磨損，測(cè)量重復(fù)性較差，管道壓力損失偏大，而且需要通過機(jī)電轉(zhuǎn)換部件才能輸出電信號(hào)，從發(fā)展眼光看，帶有機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的水流量傳感器是會(huì)逐步退出歷史舞臺(tái)的。

新型水流量傳感器，如：電磁、聲、射流等水流量傳感器由于傳感器內(nèi)無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此使用壽命長(zhǎng)、測(cè)量可靠、對(duì)水質(zhì)條件要求不高，測(cè)量特性可以由內(nèi)置的嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整與矯正，是智能電子水表、熱量表及測(cè)量表計(jì)今后的傳感器。

電磁水流量傳感器采用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作。傳感器輸出電信號(hào)與管道內(nèi)被測(cè)水流體的平均流速正正比。電磁水流量傳感器具有線性度和重復(fù)性好，與被測(cè)介質(zhì)的物性參數(shù)值無關(guān)，壓力損失小等特點(diǎn)，是一種性能十分優(yōu)良的傳感器。

聲水流量傳感器通常采用傳播時(shí)間差測(cè)量法。管道內(nèi)的流速或流量與聲波的傳播時(shí)間及時(shí)間差成正比。聲水流量傳感器也是一種性能優(yōu)良的無機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳感器，同樣具有壓力損失小、測(cè)量重復(fù)性好、測(cè)量范圍寬、傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

射流水流量傳感器是一種流體振蕩型傳感器，通常采用射流附壁效應(yīng)及反饋控制原理進(jìn)行工作。在一定流量范圍內(nèi)，管道匯總流體的流速與射流振蕩頻率成正比。射流水流量傳感器的特性一致性好，使用可靠、工作壽命長(zhǎng)，抗干擾能力強(qiáng)。但此傳感器的測(cè)量上限受到壓力損失增大的限制，測(cè)量下限受到流體粘性增加不易振蕩的限制。因此與上述兩種傳感器相比，射流水流量傳感器的測(cè)量范圍和壓力損失指標(biāo)均占劣勢(shì)。

水流量傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前，封閉管道內(nèi)用于貿(mào)易結(jié)算和用水量管理的水的計(jì)量與測(cè)量工作主要還靠各類水表實(shí)現(xiàn)的，其中水流量傳感器則是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的葉輪式傳感器為主導(dǎo)。隨著淡水資源日益緊缺，節(jié)約用水和科學(xué)用水提到了非常重要的位置上，因此水流量?jī)x表的作用也就更加凸顯了。如何提高水流量的計(jì)量度，拓展流量測(cè)量范圍，提升測(cè)量可靠性和使用壽命，增加水流量?jī)x表的使用功能（如：數(shù)據(jù)傳輸與通信、智能閥控制、網(wǎng)絡(luò)接入等功能），是眼前亟需面對(duì)的問題。

從市場(chǎng)應(yīng)用角度看，除了飲用水計(jì)量外，農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)量、污水計(jì)量、生活熱水計(jì)量、供熱熱水計(jì)量、消防用水計(jì)量等的需求也在不斷擴(kuò)大。通常，這些被測(cè)介質(zhì)的水質(zhì)不好，常常帶有雜志和污物，采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的水流量傳感器不能滿足可靠、持續(xù)測(cè)量的需求。因此需要用到無機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳感器組成的流量?jī)x表，如電磁、聲、射流等水流量計(jì)量?jī)x表。

目前，已經(jīng)有越來越多的無機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的智能電子水表進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國(guó)家，寬量程、高度、長(zhǎng)使用壽命、帶通信接口的小口徑電磁水表和聲水表已經(jīng)得到初步的推廣與應(yīng)用，大口徑電磁水表和聲水表在生活飲用水、污水、灌溉用水計(jì)量，以及工農(nóng)業(yè)過程測(cè)量等方面也已進(jìn)入應(yīng)用的階段；在國(guó)內(nèi)，很多企業(yè)已將水流量?jī)x表研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)入無機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的智能電子水表等方面，并在大口徑管網(wǎng)中得到了一定程度的應(yīng)用。

從水流量傳感器新技術(shù)應(yīng)用角度看，流量傳感與信號(hào)處理技術(shù)、微功耗設(shè)計(jì)技術(shù)等得到了廣泛的重視與應(yīng)用，為流量傳感器測(cè)量度的提升、測(cè)量范圍的拓展、測(cè)量可靠性和使用壽命的作出了重要的貢獻(xiàn)。為了能使原有比較“脆弱”的電子儀表工作在惡劣的環(huán)境中，因此密封技術(shù)，抗氣候、電磁、機(jī)械環(huán)境變化技術(shù)，可靠性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)等技術(shù)也得到了應(yīng)有的重視和研究。由于智能電子水表內(nèi)置嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此可以對(duì)傳感器特性開展自動(dòng)校正、自動(dòng)置零、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙ぷ?，使水流量傳感器更能滿足測(cè)量的需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息化技術(shù)的應(yīng)用，也要求水流量傳感器或儀表具有網(wǎng)絡(luò)接入及可測(cè)可控等功能，以滿足地下管網(wǎng)水流體參數(shù)的幾種監(jiān)測(cè)和管網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度等需求。

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì)看，由于需求提升，要求水流量傳感器的測(cè)量度必須提高，測(cè)量范圍必須加寬，測(cè)量重復(fù)性必須，抗干擾特性必須加強(qiáng)。ISO4064/R49水表新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)封閉管道的飲用水水表的測(cè)量度從原來的2級(jí)（大允許誤差為±2%、±5%）提高為1級(jí)（大允許誤差為±1%、±3%）與2級(jí)兩個(gè)級(jí)別；測(cè)量范圍從原有的R=10~800提升至R=80~1000；提出了測(cè)量重復(fù)性要求（小于大允許誤差值的1/3）；加強(qiáng)了對(duì)電磁環(huán)境、氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境等的試驗(yàn)要求。

水流量傳感器的挑戰(zhàn)變革

水流量傳感器是液體傳感器的重要一員，用于貿(mào)易結(jié)算和用水管理的水計(jì)量工作又是水流量傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域。由傳統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的水流量傳感器以及由其組成的各類水表、熱量表等計(jì)量表計(jì)，目前使用量十分龐大，處于主導(dǎo)應(yīng)用地位。隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，對(duì)水流量傳感器乃至儀表的適應(yīng)性和使用特性的要求不斷提升，新技術(shù)的涌現(xiàn)，用戶需求的不斷增加，都對(duì)傳統(tǒng)水流量傳感器提出了挑戰(zhàn)與變革的新要求。新型水流量傳感器因其優(yōu)良的使用特性和可靠性，以及功能的多樣性，是今后的研究重點(diǎn)和發(fā)展的重要方向，值得大家努力和期盼。