第三章 流量传感器 3.1 流量传感器的认识

主要内容 3.1 流量传感器的认识 2学时 单元内容 一、知识讲解 1、节流式流量传感器 2、毕托管电容式流量传感器 3、靶式流量传感器 4、浮子流量传感器 5、容积式流量传感器 6、电磁流量传感器 7、超声波流量传感器 8、涡轮流量传感器 9、涡街流量传感器 10、质量流量传感器 11、空气流量传感器 二、归纳总结 三、作业

3.1 认识机械位移传感器 主要内容 教学目标 (1)掌握常用流量传感器(如电磁式、超声波式、差压式、热式质量、涡轮式、容积式、浮子式、涡街式)流量检测原理； (2)各种流量检测的方法。 (3) 能识别不同种类的流量传感器； (4)能区分常见流量位移传感器的检测方法、应用场合、优缺点等。 教学重点难点 重 点 难 点 (1) 常用流量传感器检测位置的方法； (2)不同类型流量传感器的认识。 常见流量传感器工作原理，仪表信号采集与测量。

3.1 流量传感器的认识 主要内容 随着电子技术、信息技术的发展，膜式燃气表也由最先的纯机械式计量仪表逐渐进行扩展，加装了带辅助功能的电子装置，实现了智能化控制，如预付费装置、远传直读控制装置等等，其应用也越来越普及。 预付费（IC卡）膜式燃气表

主要内容 3.1 流量传感器的认识 随着对发动机汽车尾气排放要求的提高，越来越多的发动机采用精密的空气计量传感器计量进入发动机的空气量。 发动机是要根据这个进气量的数据来计算喷油量的，以满足发动机各种工况空燃比，进而保证发动机各种工况对混合气的要求。

主要内容 3.1 流量传感器的认识 根据测量原理，流量计可以这样分类 差压式流量计：节流式流量计、毕托管流量计、靶式流量计、浮子（转子）流量计等； 容积式流量计：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计等； 速度式流量计：电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计、空气流量计等； 质量流量计：直接式和间接式。

3.1 流量传感器的认识 一、节流式流量传感器 原理：基于流体流动的节流原理。 使用节流元件测量流量时，流体流过节流装置前后产生压力差Δp(Δp=p1-p2)，且流过的流量越大，节流装置前后的压差也越大，流量与压差之间存在一定关系。利用流体流经节流装置时产生的压力差而实现流量测量。

3.1 流量传感器的认识 显示仪表 ＋ Q 差压变送器 节流装置 一、节流式流量传感器 节流现象：流体在流过节流装置时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。 ＋ 显示仪表 Q 差压变送器 节流装置 P2 P1

3.1 流量传感器的认识 一、节流式流量传感器 标准节流元件

3.1 流量传感器的认识 差压计 导压管 节流装置 一、节流式流量传感器 标准节流装置使用条件 1、流体应当清洁，充满圆管并连续稳定地流动。 2、流体的雷诺数在104～105以上，不发生相变。 3、管道必须是直的圆形截面，直径大于50mm。 4、为保证流体在节流装置前后为稳定的流动状态，在节流装置的上、下游必须配置一定长度的直管段。

3.1 流量传感器的认识 一、节流式流量传感器 安装要求 介质为液体时： 差压变送器应装在节流装置下面，取压点应在工艺管道的中心线以下引出（下倾45°左右），导压管最好垂直安装，否则也应有一定斜度。当差压变送器放在节流装置之上时，要装置贮气罐。

介质为气体时： 介质为蒸汽时： 3.1 流量传感器的认识 一、节流式流量传感器 差压变送器应装在节流装置的上面, 防止导压管内积聚液滴，取压点应在工艺管道的上半部引出。 介质为蒸汽时： 应使导压管内充满冷凝液，因此在取压点的出口处要装设凝液罐，其它安装同液体。

3.1 流量传感器的认识 一、节流式流量传感器 节流式流量计现场安装

3.1 流量传感器的认识 二、毕托管流量传感器 毕托管流量传感器属差压式流量传感器的一种。 常用毕托管测量管道风速、炉窑烟道内的 气流速度，经过换算来确定流量，也可测量 管道内的水流速度。 毕托管特点：构造简单、使用方便、坚实 可靠、价格低廉。

3.1 流量传感器的认识 二、毕托管流量传感器 利用流体流速转换为压力差而实现流量测量。 △h V P0 P 利用流体流速转换为压力差而实现流量测量。 用毕托管量测水流流速时，必须首先将毕托管及橡皮管内的空气完全排出，然后将毕托管的下端放入水流中，并使总压管的进口正对测点处的流速方向。此时压差计的玻璃管中水面即出现高差Δh。如果所测点的流速较小，Δh的值也较小。为了提高量测精度，可将压差计的玻璃管倾斜放置。 毕托管构成原理图

3.1 流量传感器的认识 1.液体测速范围：0.2~5m/s 2.气体测速范围：2~70m/s 3.托柄长度：0.1~3m 二、毕托管流量传感器 主要参数 1.液体测速范围：0.2~5m/s 2.气体测速范围：2~70m/s 3.托柄长度：0.1~3m 4.感应头直径：4mm~12mm

在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力矩（力）与流量的平方近似成正比。 3.1 流量传感器的认识 三、靶式流量传感器 在流体通过的管道中，垂直于流动方向插上一块圆盘形的靶。流体通过时对靶片产生推力，经杠杆系统产生力矩。力矩（力）与流量的平方近似成正比。 q

3.1 流量传感器的认识 三、靶式流量传感器 靶式流量计适用于测量粘稠性 及含少量悬浮固体的液体。 可用于较小的雷诺数状态， 特别是于高粘度的流体， 如重油、沥青等的流量测量。 精度为2～3%。

3.1 流量传感器的认识 四、转子流量传感器 在工业生产中经常遇到小流量的测量，因流体的流速低，要求测量仪表有较高的灵敏度，才能保证一定的精度。 转子流量计特别适宜于测量管径50mm以下管道的流量，测量的流量可小到每小时几升。

利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作。 3.1 流量传感器的认识 四、转子流量传感器 测量原理： 采用的是恒压降、变节流面积的流量测量方法。 利用在下窄上宽的锥形管中的浮子所受的力平衡原理工作。 在一垂直的锥形管中，放置一阻力件——浮子（也称转子）。 流体自下而上流经锥形管。

3.1 流量传感器的认识 测量原理 h 浮力＋压差力>重力 q 四、转子流量传感器 *当体积流量qv＝常数时，转子处于平衡状态受力情况： 重力＝浮力＋压差力 ∵ 重力＝常数， 浮力＝常数 ∴ 压差力＝常数 *当qv =(P1-P2) 转子上浮 环形流通面积S0 ＝原值，转子在新的高度平衡。 根据转子浮起的高度h 就可以得出被测介质的流量大小。 浮力＋压差力>重力

3.1 流量传感器的认识 四、转子流量传感器 玻璃转子流量计 四、转子流量传感器 玻璃转子流量计 玻璃转子流量计，其锥形管是由玻璃制成，并在管壁上标有流量刻度，因此可以直接根据转子的高度进行读数

3.1 流量传感器的认识 四、转子流量传感器 电远传转子流量计 在转子上方安装一导磁棒，使差动变压器输出随转子位置变化。

3.1 流量传感器的认识 四、转子流量传感器 电磁铁转子流量计 在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。 四、转子流量传感器 电磁铁转子流量计 在转子内安装磁铁，锥形管外安装磁环随转子上下移动，触发显示。 在转子内安装磁铁，锥形管外安装双霍尔磁场传感器，测出磁场的水平分量和垂直分量，可确定转子位置。

3.1 流量传感器的认识 五、容积式流量传感器 容积式流量计，又称定排量流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。 按测量元件可分为：椭圆齿轮流量计、腰轮容积流量计、刮板式容积流量计等。 椭圆齿轮流量计 腰轮流量计 凸轮式刮板流量计

q=4Vn 3.1 流量传感器的认识 五、容积式流量传感器 椭圆齿轮流量传感器 工作原理 五、容积式流量传感器 椭圆齿轮流量传感器 工作原理 被测流体由左向右流动，椭圆齿轮在差压ΔP =P1－P2作用下，齿轮交替地（或同时）受力矩作用，保持椭圆齿轮不断地旋转。 转子每旋转一周，就排出四个由椭圆齿轮与外壳围成的半月形空腔的流体体积(4V)。 在V一定情况下，只要测出流量计的转速n就可以计算出被测流体的流量： q=4Vn

3.1 流量传感器的认识 五、容积式流量传感器 腰轮流量传感器 五、容积式流量传感器 腰轮流量传感器 这种流量计的工作原理和工作过程与椭圆齿轮型基本相同。所不同的是在腰轮上没有齿，它们不是直接相互啮合转动，而是通过壳体外的传动齿轮组进行传动。 可用于各种气液流量的测量，尤其是用于油流量的准确测量。在高压力、大流量的气体流量测量中，这类流量计也有应用。 由于椭圆齿轮容积流量计直接依靠测量轮啮合，因此对介质的清洁要求较高，不允许有固体颗粒杂质通过流量计。

3.1 流量传感器的认识 五、容积式流量传感器 刮板式容积流量传感器 五、容积式流量传感器 刮板式容积流量传感器 在这种流量计的转子上装有两对可以径向内外滑动的刮板，转子在流量计进、出口差压作用下转动，每转动一周排出四份“计量空间”的流体体积。 与前两次类流量计相同，只要测出转动次数，就可以计算出排出流体的体积量。

3.1 流量传感器的认识 五、容积式流量传感器 使用特点 五、容积式流量传感器 使用特点 1、测量精度较高，积算精度可达±0.2％～±0.5％，有的甚至能达到±0.1％；量程比一般为 10:1；测量口径在 10～150mm左右。 2、适宜测量较高粘度的液体流量，在正常的工作范围内，温度和压力对测量结果的影响很小。 3、安装方便，对仪表前、后直管段长度没有严格要求。 对仪表制造、装配的精度要求高，传动机构也比较复杂。 4、要求在流量计前安装过滤器。被测介质中不能含有固体颗粒，更不能夹杂机械物。 5、不适宜测量较大的流量。

可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量。 六、电磁流量传感器 可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液，腐蚀性液体以及含有固体颗粒的的液体测量。 工作原理:流体在磁场中切割磁力线产生感应电势： E=BVD B---磁场磁通密度； D---导管内径； E---感应电势 V--- 流速 体积流量QV与流速V的关系为QV= SV=1/4 πD 2V 得出E =4*B/ πD *QV=K*QV 式中K就是一个常数，这时感应电势则与体积流量具有线性关系。 当B、D一定时， E∝v∝qv ＋ －

六、电磁流量传感器 结构 由测量管和转换器两部分组成。 测量管两侧分别绕有马鞍形的励磁线圈。 为了避免直流磁场产生的直流感应电势 使电极周围导电液体电解，导致电极表面 极化而减小感应电势，一般采用交流励磁。

六、电磁流量传感器 应用特点 压力损失极小（管道中无节流件）； 只能测导电的流体，不能测量气体、蒸汽及石油制品等的流量； 输出电流与体积流量成线性关系，并且不受液体的温度、压力、密度、粘度等参数的影响（非接触测量）； 量程比一般为10:1，精度较高的可达100:1； 测量口径范围大，可以从1mm到2m以上； 测量精度一般优于0.5％； 反应迅速，可以测量脉动流量； 由于感应电势数值很小，后级采用高放大倍数的放大器，很容易受外界电磁场干扰的影响。

六、电磁流量传感器 实物

T1、T2 --- 发送器 R1、R2 --- 接收器 七、超声波流量传感器 超声波流量测量属于非接触式测量。 组成：在管道壁上反向安装两对超声波换能器。 T1、T2 --- 发送器 R1、R2 --- 接收器

qv∝v∝ C------声波在静止流体中的传播速度 七、超声波流量传感器 原理 测量基理：声波在不同流速的流体中传播的速度不同。 七、超声波流量传感器 原理 测量基理：声波在不同流速的流体中传播的速度不同。 测量方式：传播时间法、旋涡法、多普勒效应法等。 工作过程：超声波流量计通过发射超声波，穿过流动的流体，被接收后，经过信号处理反映出流体的流速。根据流速便能算出流量。 qv∝v∝ C------声波在静止流体中的传播速度

七、超声波流量传感器 实物

七、超声波流量传感器 应用特点 超声波流量计属非接触式测量，不会影响被测流体的流动状况。测量液体流量精度可达0.2级，测量气体流量精度可达0.5级。量程范围可达20︰1。 要求流体清洁，以避免对超声波束的干扰。测量管前后要有足够长的直管段，以保证流速均匀。 流速沿管道的分布情况会影响测量结果，超声波流量计所测得的流速与实际平均流速之间存在一定差异，而且与雷诺数有关，需要进行修正。

流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲。 八、涡轮流量传感器 检测原理 导流器用以稳定流体的流向 外壳由非导磁的不锈钢制成 流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的旋转速度随流量的变化而变化，通过涡轮外的磁电转换装置可将涡轮的旋转转换成电脉冲。 涡轮上的螺旋形叶片用高导磁系数的不锈钢材料制成。

------ 线性关系 N S 八、涡轮波流量传感器 输出脉冲频率 f 与被测流量 qv 之间的关系： ω=2π f ∝ Nqv

八、涡轮流量传感器 应用特点 涡轮转速不用轴输出，没有齿轮传动误差和密封问题，因而涡轮流量计测量精度高（可达0.2级），耐高压（静压可达50MPa）。 输出信号为频率信号，不易受干扰，便于远传。 反应迅速，可测脉动流量。 流量与涡轮转速之间成线性关系，量程比一般为10:1，主要用于中小口径的流量检测。 仅适用洁净的被测介质，通常在涡轮前要安装过滤装置。 流量计前后需有一定的直管段长度，一般上游侧和下游侧 的直管段长度要求在10D和5D以上。

利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量。 旋涡式流量计有两类：旋进型旋涡流量计和卡门型旋涡流量计（常称涡街流量计）。 九、涡街流量传感器 利用流体遇到阻碍物后产生的旋涡来测量流量。 旋涡式流量计有两类：旋进型旋涡流量计和卡门型旋涡流量计（常称涡街流量计）。 流体振动检测器 仪器组成 卡门漩涡 漩涡发生体 流体振动检测器 漩涡发生体 压电元件

九、涡街流量传感器 卡门涡街原理——把一个旋涡发生体（如圆柱体、三角柱体等）垂直插在管道中，当流体绕过旋涡发生体时会在其左右两侧后方交替产生旋涡，形成涡列，且左右两侧旋涡的旋转方向相反。

qv = A1v = A1 St f d qv=f/K=K’f f∝v 九、涡街流量传感器 当两列旋涡的间距h和同列相邻两个旋涡之间的距离l 之比能满足h／l＝0.218时，所产生的涡街是稳定的。满足如下关系： f — 单侧旋涡发生频率 St — 斯特劳哈尔系数 v — 流体平均流速 d — 圆柱体直径 A1 —管道中旋涡发生体处 流通截面积。 式中： qv = A1v = A1 St f d 当Re（雷诺数） =2×104～7×106时， st =常数，则有： qv=f/K=K’f f∝v

九、涡街流量传感器 应用特点 管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失较小。 测量精度较高（约为±0.5～1％），量程比可达100:1。 在一定的雷诺数范围内，几乎不受流体的温度、压力、 密度、粘度等变化的影响，故用水或空气标定的漩涡 流量计可用于其他液体和气体的流量测量而不需标定， 尤其适用于大口径管道的流量测量。 安装时要求有足够的直管段长度，上游和下游的直管段 分别要求不少于20D和5D，漩涡发生体的轴线应与管路 轴线垂直。

十、质量流量传感器 检测方法主要有三大类： 直接式：直接检测流体的质量流量； 间接式（推导式）：通过体积流量计和密度计的组合来测量质量流量。 补偿式：同时检测出体积流量和流体的温度、压力，应用有关公式求出流体的密度或将被测流体的体积流量自动地换算成标准状态下的体积流量，从而间接地确定质量流量。

十、质量流量传感器 直接式 直接式质量流量检测方法： ♣ 由孔板和定量泵组合实现的差压式方法； ♣ 由两个用弹簧连接的涡轮构成的涡轮转矩式方法； ♣ 应用麦纳斯效应的检测方法； ♣ 基于科里奥利力的检测方法。 基于科氏力的质量流量检测方法最为成熟，根据此原理构成的科氏力质量流量计应用已十分广泛。

十、质量流量传感器 科里奥利力检测质量流量 科里奥利力质量流量检测的原理是利用两管的摆动相位差来反映流经该U形管的质量流量。 科里奥利力质量流量计有直管、弯管、单管、双管等多种形式。目前应用最多的要算是双弯管型。

十、质量流量传感器 科里奥利力检测质量流量 测量原理：利用流体在直线运动的同时，处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力。 当密度为ρ的流体以恒定速度v在管道内流动时，任何一段长度为Δx的管道都受到一个大小为ΔFc的切向科里奥利力，即 ΔFc=2ωvρAΔx 式中, A为管道的流通内截面积。∵质量流量qm=ρvA ΔFc=2ωqmΔx ∴

②当qm≠0时，加热器线圈均匀地加热气流，上游测温元件的温度↓，下游测温元件的温度↑，使得两热敏电阻阻值不等，测量桥路有不平衡电压信号输出。 十、质量流量传感器 热量式质量流量计 测量基理：基于流体中热传递和 热转移与流体质量流量的关系。 组成：主要由两部分即主管路和 旁路管测量传感器系统组成 工作原理： ①当qm＝0时，两热敏电阻阻值相 等，测量桥路平衡，无信号输出。 ②当qm≠0时，加热器线圈均匀地加热气流，上游测温元件的温度↓，下游测温元件的温度↑，使得两热敏电阻阻值不等，测量桥路有不平衡电压信号输出。 qm＝K*△T/CP 或 △T＝CP*qm/K 加热器线圈均匀地加热气流 加热器线圈均匀地加热气流 加热器线圈均匀地加热气流 △T---两热敏电阻的温差 CP---气体的定压比热容 K---常数

十一、空气流量传感器 作用 发动机电子控制系统中很重要一项控制内容就是最佳空燃比控制。为达到这样的目的，必须对发动机进气空气流量进行精确测量。 直接或间接检测进入发动机气缸空气量大小，并将检测结果换成电信号送至ECU，ECU根据空气流量信号是来确定基本喷油量。

十一、空气流量传感器 分 类: 翼片式空气流量计（体积） 卡门涡旋式空气流量计（体积） 热线式空气流量计（质量） 热膜式空气流量计（质量）

十一、空气流量传感器 翼片式空气流量计

由超声波信号发生器，超声波发射探头、涡流稳定板、涡流发生器、整流器、超声波接收探头和转换电路等组成。 十一、空气流量传感器 超声波式卡尔曼涡流式空气流量传感器 由超声波信号发生器，超声波发射探头、涡流稳定板、涡流发生器、整流器、超声波接收探头和转换电路等组成。 在卡门涡流发生器下游管路两侧相对安装超声波发射探头和接收探头。

十一、空气流量传感器 超声波式卡尔曼涡流式空气流量传感器

十一、空气流量传感器 热线式 当发动机的负荷增加时，空气流量增加，由于冷却效应导致热线电阻减小，当(TA-TB)<100°C时，电桥失去平衡，此时，控制电路会自动增加供给热线的电流，使热线恢复原来的温度和阻值，直至电桥重新恢复平衡为止。随着电流I的增加，传感器输出电压也相应增加，由此可测量进气管进气量。

十一、空气流量传感器 热膜式

1 主要内容 归纳总结 作业 流量传感器是工程中应用较为广泛的一种传感器。 主要讲述了差压式、容积式、速度式、质量共四大类11种流量计。 要求掌握以下几点：结构、原理、特点、适用范围等。 作业 以表格的形式，总结各种流量传感器的工作原理、性能特点、应用场合。