流量传感器是测量气体（如空气或液体）通过管道或导管的流速的设备。流量测量对于许多工业过程的控制以及机械以最佳性能和效率水平运行非常重要。汽车使用流量传感器来测量发动机的进气口，并调整向喷油器的燃料输送，以实现发动机所需的燃料混合物。医用呼吸机使用流量传感器来确定向患者输送空气或氧气的正确速率，以协助呼吸。
本文总结了有关流量传感器的信息，包括不同类型的流量传感器、它们的工作原理以及它们的优点和局限性。
体积流量和质量流量
流量传感器，也称为流量计，根据体积或质量测量流量。如果横截面积 （A） 的管道包含以速度 （v） 移动的流体或气体，则体积流量 （Q） 可以表示为：
同样，质量流量 （M） 与体积流量的关系如下：
其中 （ρ） 是流体的密度。
流量传感器的类型
不同类型的流量传感器通常分为以下三类之一：
- 容积式流量传感器
- 质量流量传感器
- 速度流量传感器
容积式流量传感器
正位移流量传感器在流量传感器中是独一无二的，因为它们可以直接测量通过设备的流体体积。所有其他类型的流量传感器不直接测量流量，而是测量不同的参数（例如压力），然后使用该信息从所进行的测量中得出或推断流量。使用正排量流量传感器时，已知体积的流体被截留并通过传感器，使用旋转部件有效地按顺序通过已知体积的流体，然后允许更多流体进入设备。在某种程度上，这个过程可以被认为是装满一桶水，然后反复清空。当旋转部件完成一整圈时，已知体积的流体已通过传感器。计算每单位时间发生的旋转次数，然后确定每单位时间通过的流体体积。由于流体流动直接移动旋转部件，因此转速与流速成正比。
流体在流量传感器内的截留是通过使用机械密封来实现的，机械密封旨在防止任何流体在未经测量的情况下通过设备，这被称为旁路或滑动。对于具有最小间隙的高精度部件，正位移式流量传感器具有高精度，仅受滑移量的限制。它们还能够在各种粘度的流体中运行，维护要求低，并且可以提供机械或电子接口。应用包括油、汽油、液压油的测量以及家庭安装的水和天然气计量。
质量流量传感器
质量流量传感器，有时也称为质量空气流量传感器，常见于汽车应用中，用于测量进入内燃机进气系统的空气质量。传感器输出被馈送到电子发动机控制系统，在那里它被用作输入，以确定向发动机供应多少燃料，以获得适当的燃料-空气混合物进行点火。
质量流量传感器通过测量能量从加热表面到流动流体的传递来工作。有几种方法可以实现这一点——一种方法涉及引入已知量的热能并测量温度变化，另一种方法是将探头保持在恒定温度并测量这样做所需的能量。在一种称为热线质量流量传感器的设计中，电流被馈送到靠近温度传感器的电阻丝。随着通过传感器的空气流量增加，对流传热会导致导线中的温度下降，从而降低其电阻。随着电阻的下降，消耗的电流会增加，因此允许测量维持热线温度所需的电流作为气流质量流量的指标。其他设计使用测得的温差作为质量流量的间接测量。
另一种类型的质量流量传感器称为科里奥利流量计。这种类型的质量流量计利用了以下原理：流经振荡管的流体会表现出惯性，导致管子扭曲，并且其扭曲的程度与流体的质量流量成正比。工艺流体被分离并流经传感器中的两根管子，这两根管子由驱动线圈激发，导致它们在谐振频率下彼此相反地振荡。当管子振荡时，安装在管子中的电子传感器将管子的运动转换为正弦波。当没有流经管子的电流时，入口和出口正弦波同相，这意味着管子以同步运动的方式移动。当管道中有流体流动时，科里奥利效应会导致流动管道中发生彼此相反的扭曲运动。这种运动导致正弦波发生相移，反映出两个管子的异步运动。在两个正弦波之间观察到的时间差（称为 Δt）与管中流体的质量流量成正比。正弦波的频率可用于测量管中流体的密度。流体密度与频率的平方成反比。密度较高的流体将表现出较低的振荡频率。了解质量流量和流体密度可以很容易地推导出体积流量的计算。
速度流量传感器
速度流量传感器是传感器通过测量传感器中的流体速度来得出流量的传感器。这些类型的流量传感器有多种类型，其中包括：
- 机械（例如涡轮机、螺旋桨和桨轮）
- 电磁
- 超声
对于机械流量传感器，旋转机械装置（例如安装在轴承上的桨轮）从传感器伸出并直接位于流道中。当流体移动时，桨轮会旋转，其旋转由霍尔效应、磁线圈或红外传感器等传感器检测到。然后，流量传感器的电子元件将旋转转换为输出信号，例如矩形波脉冲，该信号可以编程为表示每单位时间的给定体积输出。
桨轮式流量传感器的工作原理简单，经济高效，结构紧凑，并且运行所需的能量非常小。另一个关键优势是，这些传感器可以处理各种类型的流体，因为其工作原理不依赖于导电的流体。限制在于传感器确实涉及运动部件，这些部件会受到不清洁液体的磨损和污染积聚，这会阻碍其运行并需要维护。此外，使用叶轮流量传感器需要最小流量才能运行，低于该流量，设备将无法运行。
电磁流量传感器，有时也称为 EMF 流量传感器或电磁流量传感器，根据法拉第感应定律工作。这些设备包含一个线圈，该线圈在被测流体中感应出磁场，然后使用一组电极测量导电流体流过磁场产生的感应电压。感应的电压将与管道中流体的速度成正比。知道速度和管道横截面的尺寸后，速度测量值可以转换为体积流量。
电磁流量传感器要求被测流体至少具有一定的最小电导率，并且具有不会在管道中引起压降的优点。虽然它们适用于具有一定程度污染的流体，但它们不适用于油、蒸汽或气体等非导电流体。电极可能会有涂层，因此应避免使用容易形成表面涂层的液体。电磁流量传感器也不太适合在真空条件下使用，流体可能具有磨蚀特性，以及可能存在铁磁颗粒的流体。
超声波流量传感器使用两种略有不同的方法工作。在第一种方法中，一对超声波换能器产生一个信号，该信号从两个位置直接进入流体流动。发射器产生的每个信号都使用一组镜子反射回另一个传感器的接收器。传感器和反射镜的方向是这样的，一个信号随流体流动传播其路径的一部分，而另一个信号则逆着流体流动传播。接收器电子设备测量每个信号的传输时间并计算两者之间的时间差。当流体不运动时，每个信号的传输时间相同——当流体移动时，随流移动的信号将具有较短的传输时间，因此两个信号传输时间之间的差异反映了流体的速度。这些类型的超声波流量传感器有时称为传播时间超声波流量传感器。
在设计的第二种变体中，超声波能量被传输到流体中，并被反射回接收器。在零流量条件下，超声波的频率保持不变。当流体运动时，多普勒效应会发生频移，该效应与流体速度呈线性关系。检测和报告超声波频率的变化可以计算流体的流速。
超声波流量传感器的优点是它们可以与导电和非导电流体一起使用，它们可以处理高温和高压，并且某些型号可以夹在外部，无需穿透管道。它们也可以是非润湿的，在许多情况下，不会导致压降或以其他方式干扰流动。传播时间型传感器可用于测量气体或蒸汽流量。这些流量传感器的主要限制是带有气泡的流体和其他流体（如浆状物）不能很好地通过超声波能量，将导致读数困难。此外，使用这种类型的流量传感器时，高振动安装可能会导致困难。当安装在外部时，探头需要小心地与管壁接触，以消除可能干扰读数的反射。
选型注意事项
为特定应用选择流量传感器将取决于与操作条件和被监测流体的性质相关的许多考虑因素。在与供应商进行潜在讨论时，采购专业人员应与供应商一起审查以下内容，以帮助制定流量传感器的具体建议：
- 被监测的介质类型（例如液体、气体、空气、浆料等）
- 所需的流量测量（体积、质量或速度）
- 介质操作条件（压力、温度、外部振动水平和其他条件）
- 介质的性质（酸度、腐蚀性、雷诺数、粘度、导电性、磁性等）
- 可容忍的压力损失量
- 流速范围（需要测量的最小值和最大值）
- 所需的测量精度
- 管道或导管的物理特性（例如管道直径、材料）
- 电源可用性
- 所需的显示器类型
- 输出信号要求和远程监控的任何需求
无线传感器
● 内置电池或外接5V电源供电
● 多种传感器和通讯接口：I2C、UART、RS485
● 支持WIFI、4G、Lora等多种无线通讯方式
● 支持串口固件升级
 |
| 【传感器 ● 单片机项目定制开发】 |
