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水流量传感器的变革挑战

行业聚焦点中国仪表网2013年10月09日 11:49人气:15722

  流量传感器是流量仪表中最为关键的部件之一,它与信号处理部件、数据传输与通信部件一起共同构成了流量表计及装置。流量仪表在能源计量、工农业生产过程参数测量、环保工程检测及科学实验等方面发挥着非常重要的作用,也是过程自动化仪表与装置中的主要仪表之一。流量传感器包括了气体传感器、液体流量和多相流量传感器等三类。其中液体流量传感器又包括了水流量、油类流量和其它液体流量传感器等几种。
  
  水流量传感器是流量传感器中使用量最大、使用面最广的一种传感器。它主要用于封闭管道中的生活饮用水、原水、灌溉用水、污水、城镇供热用水、生活热水、以及工农过程用水等的计量表计、检测仪表和自动测控装置等,并以生活饮用水和供热热水的计量为主体。水流量传感器以产品门类丰富、品种规格众多、涉及技术面广、工作环境条件复杂等著称。
  
  水流量传感器按其测量原理不同可以将其分为容积式和速度式两类传感器。按传感器主要结构及信号获取方式不同,可将水流量传感器划分成有机械运动机构的传感器(如:活塞式、章动式、叶轮式水流量传感器)和无机械运动机构的传感器(如:电磁式、超声式、射流式水流量传感器)等几种。
  
  水流量传感器单独使用的情况很少,绝大多数都用在各类水表、热量表、水流量计等产品上,对封闭管道内的介质流量或流速起到感知与转换的作用。通过测量表计内信号处理部件对其输出信号进行处理与显示,可获得累积流量(即用水量)、瞬时流量、各时段流量以及热量等参数,如有必要还可以将所得结果对外进行传输与通信。
  
  一般情况下,用于工农业过程水流量测量与控制的流量计及仪表,其传感器通常工作在流量范围较窄区间,并以管道中水的瞬时流速或流量作为主要测控目标,而且工作环境条件通常较好;而水表、热量表中水流量传感器则于其明显不同,他们要求传感器有很宽的流量测量范围,以适应同一管道中不同水流量测量的要求。同时,由于工作环境恶劣,不能采用电网电源供电,因此智能电子水表、热量表等必须采用微功耗设计及电池供电,并且应具有在潮湿、淹水环境中可靠工作的特性。
  
  主流水流量传感器
  
  生活饮用水和供热用水的水流量传感器数量占到总数的80%以上,它们在很多方面能够代表水流量传感器的基本状况及特性。目前,我国用于各类水表(包括机械水表和智能电子水表)的水流量传感器数量特别大,年产量大约为6000多万台,约占全球产量的45%,其中出口量多达2200余万台;用于热量表的水流量传感器年产量也有300万台之多。
  
  上述水流量传感器中,大口径的通常以叶轮式水平螺翼式和垂直螺翼式结构为主体,小口径的则以叶轮式多流束旋翼式和单流束旋翼式结构为主体。这种带来运动机构的叶轮式传感器是目前供水、供热管道中最常用的主流水流量传感器。其它如容积式水流量传感器也占有少量份额,并以旋转活塞式结构为主,通常在水质条件较好,水中无杂质的场合使用。
  
  叶轮式水流量传感器由于采用与管道流速成比例的机械传动轴系叶轮及叶轮盒等旋转机构,因此机构简单,制造成本低,在水中杂质较少的工况下可以长期稳定工作。由于叶轮旋转不能直接以电信号方式输出,因此此类水流量传感器通常采用机械积算机构对用水量进行积算并示数。如要将叶轮、活塞等旋转量直接转化为电信号,则必须在传感器内设置机电转换部件,将非电量的旋转量转换成脉冲输出的增量编码电信号或位置量输出的绝对编码电信号,便于后续信号处理及数据传输与通信。
  
  脉冲编码信号输出需要用到多种敏感元件及检测方法,常用的有磁敏检测,电涡流检测及开关检测等几种;位置编码信号通常采用光电直读方式进行采集。
  
  叶轮式水流量传感器可在很宽的测量范围内工作,由于仪表常数不能保持良好的线性度,因此该类传感器的测量范围会受到非线性特性的制约。当前已有采用计算流体动力CFD方法对叶轮式水流量传感器的流场进行计算机仿真,并对流量特性作出优化处理。
  
  新型水流量传感器
  
  叶轮或活塞式水流量传感器由于有机械运动机构存在,因而工作时轴系容易磨损,测量重复性较差,管道压力损失偏大,而且需要通过机电转换部件才能输出电信号,从发展眼光看,带有机械运动机构的水流量传感器是会逐步退出历史舞台的。
  
  新型水流量传感器,如:电磁、超声、射流等水流量传感器由于传感器内无机械运动部件,因此使用寿命长、测量可靠、对水质条件要求不高,测量特性可以由内置的嵌入式计算机对其进行调整与矫正,是智能电子水表、热量表及测量表计今后首选的传感器。
  
  电磁水流量传感器采用电磁感应原理进行工作。传感器输出电信号与管道内被测水流体的平均流速正正比。电磁水流量传感器具有线性度和重复性好,与被测介质的物性参数值无关,压力损失小等特点,是一种性能十分优良的传感器。
  
  超声水流量传感器通常采用传播时间差测量法。管道内的流速或流量与超声波的传播时间及时间差成正比。超声水流量传感器也是一种性能优良的无机械运动机构的传感器,同样具有压力损失小、测量重复性好、测量范围宽、传感器结构简单等特点。
  
  射流水流量传感器是一种流体振荡型传感器,通常采用射流附壁效应及反馈控制原理进行工作。在一定流量范围内,管道汇总流体的流速与射流振荡频率成正比。射流水流量传感器的特性一致性好,使用可靠、工作寿命长,抗干扰能力强。但此传感器的测量上限受到压力损失增大的限制,测量下限受到流体粘性增加不易振荡的限制。因此与上述两种传感器相比,射流水流量传感器的测量范围和压力损失指标均占劣势。
  
  水流量传感器的发展趋势
  
  当前,封闭管道内用于贸易结算和用水量管理的水的计量与测量工作主要还靠各类水表实现的,其中水流量传感器则是以机械运动机构的叶轮式传感器为主导。随着淡水资源日益紧缺,节约用水和科学用水提到了非常重要的位置上,因此水流量仪表的作用也就更加凸显了。如何提高水流量的计量准确度,拓展流量测量范围,提升测量可靠性和使用寿命,增加水流量仪表的使用功能(如:数据传输与通信、智能阀控制、网络接入等功能),是眼前亟需面对的问题。
  
  从市场应用角度看,除了饮用水计量外,农业灌溉计量、污水计量、生活热水计量、供热热水计量、消防用水计量等的需求也在不断扩大。通常,这些被测介质的水质不好,常常带有杂志和污物,采用机械运动机构的水流量传感器不能满足可靠、持续测量的需求。因此需要用到无机械运动机构传感器组成的流量仪表,如电磁、超声、射流等水流量计量仪表。
  
  目前,已经有越来越多的无机械运动机构的智能电子水表进入市场应用。在先进发达国家,宽量程、高准确度、长使用寿命、带通信接口的小口径电磁水表和超声水表已经得到初步的推广与应用,大口径电磁水表和超声水表在生活饮用水、污水、灌溉用水计量,以及工农业过程测量等方面也已进入全面应用的阶段;在国内,很多企业已将水流量仪表研发重点转入无机械运动机构的智能电子水表等方面,并在大口径管网中得到了一定程度的应用。
  
  从水流量传感器新技术应用角度看,流量传感与信号处理技术、微功耗设计技术等得到了广泛的重视与应用,为流量传感器测量准确度的提升、测量范围的拓展、测量可靠性和使用寿命的保证作出了重要的贡献。为了能使原有比较“脆弱”的电子仪表工作在恶劣的环境中,因此密封技术,抗气候、电磁、机械环境变化技术,可靠性设计与试验等技术也得到了应有的重视和研究。由于智能电子水表内置嵌入式计算机系统,因此可以对传感器特性开展自动校正、自动置零、自动补偿等工作,使水流量传感器更能满足测量的需求。随着物联网和信息化技术的大量应用,也要求水流量传感器或仪表具有网络接入及可测可控等功能,以满足地下管网水流体参数的几种监测和管网自动调度等需求。
  
  从技术标准发展趋势看,由于需求提升,要求水流量传感器的测量准确度必须提高,测量范围必须加宽,测量重复性必须保证,抗干扰特性必须加强。ISO4064/R49国际水表新标准对封闭管道的饮用水水表的测量准确度从原来的2级(最大允许误差为±2%、±5%)提高为1级(最大允许误差为±1%、±3%)与2级两个级别;测量范围从原有的R=10~800提升至R=80~1000;提出了测量重复性要求(小于最大允许误差绝对值的1/3);加强了对电磁环境、气候环境、机械环境等的试验要求。
  
  水流量传感器的挑战变革
  
  水流量传感器是液体传感器的重要一员,用于贸易结算和用水管理的水计量工作又是水流量传感器的主要应用领域。由传统机械运动机构组成的水流量传感器以及由其组成的各类水表、热量表等计量表计,目前使用量十分庞大,处于主导应用地位。随着应用范围的不断拓展,对水流量传感器乃至仪表的适应性和使用特性的要求不断提升,新技术的大量涌现,用户需求的不断增加,都对传统水流量传感器提出了挑战与变革的新要求。新型水流量传感器因其优良的使用特性和可靠性,以及功能的多样性,是今后的研究重点和发展的重要方向,值得大家努力和期盼。
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