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        水流量傳感器未來變革及發展趨勢簡析

        作者: 2013年10月21日 來源:全球閥門網 瀏覽量:
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        流量傳感器是流量儀表中最為關鍵的部件之一,它與信號處理部件、數據傳輸與通信部件一起共同構成了流量表計及裝置。流量儀表在能源計量、工農業生產過程參數測量、環保工程檢測及科學實驗等方面發揮著非常重要的作用
            流量傳感器是流量儀表中最為關鍵的部件之一,它與信號處理部件、數據傳輸與通信部件一起共同構成了流量表計及裝置。流量儀表在能源計量、工農業生產過程參數測量、環保工程檢測及科學實驗等方面發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最大、使用面最廣的一種傳感器。它主要用于封閉管道中的生活飲用水、原水、灌溉用水、污水、城鎮供熱用水、生活熱水、以及工農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。水流量傳感器以產品門類豐富、品種規格眾多、涉及技術面廣、工作環境條件復雜等著稱。
          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。按傳感器主要結構及信號獲取方式不同,可將水流量傳感器劃分成有機械運動機構的傳感器(如:活塞式、章動式、葉輪式水流量傳感器)和無機械運動機構的傳感器(如:電磁式、超聲式、射流式水流量傳感器)等幾種。
          水流量傳感器單獨使用的情況很少,絕大多數都用在各類水表、熱量表、水流量計等產品上,對封閉管道內的介質流量或流速起到感知與轉換的作用。通過測量表計內信號處理部件對其輸出信號進行處理與顯示,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,如有必要還可以將所得結果對外進行傳輸與通信。
          一般情況下,用于工農業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間,并以管道中水的瞬時流速或流量作為主要測控目標,而且工作環境條件通常較好;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,以適應同一管道中不同水流量測量的要求。同時,由于工作環境惡劣,不能采用電網電源供電,因此智能電子水表、熱量表等必須采用微功耗設計及電池供電,并且應具有在潮濕、淹水環境中可靠工作的特性?! ?BR>  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量占到總數的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(包括機械水表和智能電子水表)的水流量傳感器數量特別大,年產量大約為6000多萬臺,約占全球產量的45%,其中出口量多達2200余萬臺;用于熱量表的水流量傳感器年產量也有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構為主體,小口徑的則以葉輪式多流束旋翼式和單流束旋翼式結構為主體。這種帶來運動機構的葉輪式傳感器是目前供水、供熱管道中最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,并以旋轉活塞式結構為主,通常在水質條件較好,水中無雜質的場合使用。
          葉輪式水流量傳感器由于采用與管道流速成比例的機械傳動軸系葉輪及葉輪盒等旋轉機構,因此機構簡單,制造成本低,在水中雜質較少的工況下可以長期穩定工作。由于葉輪旋轉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械積算機構對用水量進行積算并示數。如要將葉輪、活塞等旋轉量直接轉化為電信號,則必須在傳感器內設置機電轉換部件,將非電量的旋轉量轉換成脈沖輸出的增量編碼電信號或位置量輸出的絕對編碼電信號,便于后續信號處理及數據傳輸與通信。
            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,電渦流檢測及開關檢測等幾種;位置編碼信號通常采用光電直讀方式進行采集。
            葉輪式水流量傳感器可在很寬的測量范圍內工作,由于儀表常數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行計算機仿真,并對流量特性作出優化處理?! ?
          新型水流量傳感器  
          葉輪或活塞式水流量傳感器由于有機械運動機構存在,因而工作時軸系容易磨損,測量重復性較差,管道壓力損失偏大,而且需要通過機電轉換部件才能輸出電信號,從發展眼光看,帶有機械運動機構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、超聲、射流等水流量傳感器由于傳感器內無機械運動部件,因此使用壽命長、測量可靠、對水質條件要求不高,測量特性可以由內置的嵌入式計算機對其進行調整與矯正,是智能電子水表、熱量表及測量表計今后首選的傳感器。
          電磁水流量傳感器采用電磁感應原理進行工作。傳感器輸出電信號與管道內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性好,與被測介質的物性參數值無關,壓力損失小等特點,是一種性能十分優良的傳感器。
          超聲水流量傳感器通常采用傳播時間差測量法。管道內的流速或流量與超聲波的傳播時間及時間差成正比。超聲水流量傳感器也是一種性能優良的無機械運動機構的傳感器,同樣具有壓力損失小、測量重復性好、測量范圍寬、傳感器結構簡單等特點。
            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及反饋控制原理進行工作。在一定流量范圍內,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。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均占劣勢?! ?
            水流量傳感器的發展趨勢  
          當前,封閉管道內用于貿易結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現的,其中水流量傳感器則是以機械運動機構的葉輪式傳感器為主導。隨著淡水資源日益緊缺,節約用水和科學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準確度,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:數據傳輸與通信、智能閥控制、網絡接入等功能),是眼前亟需面對的問題。
          從市場應用角度看,除了飲用水計量外,農業灌溉計量、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大。通常,這些被測介質的水質不好,常常帶有雜志和污物,采用機械運動機構的水流量傳感器不能滿足可靠、持續測量的需求。因此需要用到無機械運動機構傳感器組成的流量儀表,如電磁、超聲、射流等水流量計量儀表。
          目前,已經有越來越多的無機械運動機構的智能電子水表進入市場應用。在先進發達國家,寬量程、高準確度、長使用壽命、帶通信接口的小口徑電磁水表和超聲水表已經得到初步的推廣與應用,大口徑電磁水表和超聲水表在生活飲用水、污水、灌溉用水計量,以及工農業過程測量等方面也已進入全面應用的階段;在國內,很多企業已將水流量儀表研發重點轉入無機械運動機構的智能電子水表等方面,并在大口徑管網中得到了一定程度的應用。
          從水流量傳感器新技術應用角度看,流量傳感與信號處理技術、微功耗設計技術等得到了廣泛的重視與應用,為流量傳感器測量準確度的提升、測量范圍的拓展、測量可靠性和使用壽命的保證作出了重要的貢獻。為了能使原有比較“脆弱”的電子儀表工作在惡劣的環境中,因此密封技術,抗氣候、電磁、機械環境變化技術,可靠性設計與試驗等技術也得到了應有的重視和研究。由于智能電子水表內置嵌入式計算機系統,因此可以對傳感器特性開展自動校正、自動置零、自動補償等工作,使水流量傳感器更能滿足測量的需求。隨著物聯網和信息化技術的大量應用,也要求水流量傳感器或儀表具有網絡接入及可測可控等功能,以滿足地下管網水流體參數的幾種監測和管網自動調度等需求。
          從技術標準發展趨勢看,由于需求提升,要求水流量傳感器的測量準確度必須提高,測量范圍必須加寬,測量重復性必須保證,抗干擾特性必須加強。ISO4064/R49國際水表新標準對封閉管道的飲用水水表的測量準確度從原來的2級(最大允許誤差為±2%、±5%)提高為1級(最大允許誤差為±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;提出了測量重復性要求(小于最大允許誤差絕對值的1/3);加強了對電磁環境、氣候環境、機械環境等的試驗要求。
          水流量傳感器的挑戰變革  
          水流量傳感器是液體傳感器的重要一員,用于貿易結算和用水管理的水計量工作又是水流量傳感器的主要應用領域。由傳統機械運動機構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,處于主導應用地位。隨著應用范圍的不斷拓展,對水流量傳感器乃至儀表的適應性和使用特性的要求不斷提升,新技術的大量涌現,用戶需求的不斷增加,都對傳統水流量傳感器提出了挑戰與變革的新要求。新型水流量傳感器因其優良的使用特性和可靠性,以及功能的多樣性,是今后的研究重點和發展的重要方向,值得大家努力和期盼。
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