水流量傳感器的變革挑戰(zhàn)

流量傳感器是流量儀表中為關(guān)鍵的部件之一，它與信號處理部件、數(shù)據(jù)傳輸與通信部件一起共同構(gòu)成了流量表計及裝置。流量儀表在能源計量、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)測量、環(huán)保工程檢測及科學(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)過程用水等的計量表計、檢測儀表和自動測控裝置等，并以生活飲用水和供熱熱水的計量為主體。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)及信號獲取方式不同，可將水流量傳感器劃分成有機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)的傳感器（如：活塞式、章動式、葉輪式水流量傳感器）和無機(jī)械運(yùn)動機(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、水流量計等產(chǎn)品上，對封閉管道內(nèi)的介質(zhì)流量或流速起到感知與轉(zhuǎn)換的作用。通過測量表計內(nèi)信號處理部件對其輸出信號進(jìn)行處理與顯示，可獲得累積流量（即用水量）、瞬時流量、各時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)過程水流量測量與控制的流量計及儀表，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流速或流量作為主要測控目標(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量范圍，以適應(yīng)同一管道中不同水流量測量的要求。同時，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，它們在很多方面能夠代表水流量傳感器的基本狀況及特性。目前，我國用于各類水表（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，約占產(chǎn)量的45％，其中出口量多達(dá)2200余萬臺；用于熱量表的水流量傳感器年產(chǎn)量也有300萬臺之多。

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)械傳動軸系葉輪及葉輪盒等旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此機(jī)構(gòu)簡單，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，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或位置量輸出的編碼電信號，便于后續(xù)信號處理及數(shù)據(jù)傳輸與通信。

脈沖編碼信號輸出需要用到多種敏感元件及檢測方法，常用的有磁敏檢測，電渦流檢測及開關(guān)檢測等幾種；位置編碼信號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量范圍會受到非線性特性的制約。當(dāng)前已有采用計算流體動力CFD方法對葉輪式水流量傳感器的流場進(jìn)行計算機(jī)仿真，并對流量特性作出優(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)動機(jī)構(gòu)存在，因而工作時軸系容易磨損，測量重復(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，從發(fā)展眼光看，帶有機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)的水流量傳感器是會逐步退出歷史舞臺的。

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)動部件，因此使用壽命長、測量可靠、對水質(zhì)條件要求不高，測量特性可以由內(nèi)置的嵌入式計算機(jī)對其進(jìn)行調(diào)整與矯正，是智能電子水表、熱量表及測量表計今后的傳感器。

電磁水流量傳感器采用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作。傳感器輸出電信號與管道內(nèi)被測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間差測量法。管道內(nèi)的流速或流量與聲波的傳播時間及時間差成正比。聲水流量傳感器也是一種性能優(yōu)良的無機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)的傳感器，同樣具有壓力損失小、測量重復(fù)性好、測量范圍寬、傳感器結(jié)構(gòu)簡單等特點(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，抗干擾能力強(qiáng)。但此傳感器的測量上限受到壓力損失增大的限制，測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量范圍和壓力損失指標(biāo)均占劣勢。

水流量傳感器的發(fā)展趨勢

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量與測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，因此水流量儀表的作用也就更加凸顯了。如何提高水流量的計量度，拓展流量測量范圍，提升測量可靠性和使用壽命，增加水流量儀表的使用功能（如：數(shù)據(jù)傳輸與通信、智能閥控制、網(wǎng)絡(luò)接入等功能），是眼前亟需面對的問題。

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

目前，已經(jīng)有越來越多的無機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)的智能電子水表進(jìn)入市場應(yīng)用。在發(fā)達(dá)國家，寬量程、高度、長使用壽命、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、灌溉用水計量，以及工農(nóng)業(yè)過程測量等方面也已進(jìn)入應(yīng)用的階段；在國內(nèi)，很多企業(yè)已將水流量儀表研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)入無機(jī)械運(yùn)動機(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，流量傳感與信號處理技術(shù)、微功耗設(shè)計技術(shù)等得到了廣泛的重視與應(yīng)用，為流量傳感器測量度的提升、測量范圍的拓展、測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)置嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，因此可以對傳感器特性開展自動校正、自動置零、自動補(bǔ)償?shù)裙ぷ?，使水流量傳感器更能滿足測量的需求。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)測和管網(wǎng)自動調(diào)度等需求。

從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢看，由于需求提升，要求水流量傳感器的測量度必須提高，測量范圍必須加寬，測量重復(fù)性必須，抗干擾特性必須加強(qiáng)。ISO4064／R49水表新標(biāo)準(zhǔn)對封閉管道的飲用水水表的測量度從原來的2級（大允許誤差為±2％、±5％）提高為1級（大允許誤差為±1％、±3％）與2級兩個級別；測量范圍從原有的R＝10～800提升至R＝80～1000；提出了測量重復(fù)性要求（小于大允許誤差值的1／3）；加強(qiáng)了對電磁環(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、熱量表等計量表計，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。