流量傳感器（flow sensor）又名流量計（智能流量儀表）是一種用于測量流體（如液體或氣體）流量的裝置。最早可以追溯到19世紀，從最初的基于機械式流體測量原理設計而成，發展到今天的多種多樣智能化流量傳感器，這種傳感器可以在流體管道中安裝，并通過不同的傳感技術（如電磁、靜電容抗、位移、超聲波等）來實時監測流體流動的速度和流量。
流量傳感器廣泛應用于自動控制和微處理技術、流量監測和控制、科學儀器和實驗室儀器、環保監測儀器等領域。常見的運用場景包括：液化天然氣的儲存和運輸、發動機系統、水處理、食品和化妝品生產、化工生產、石油和天然氣生產等行業。
發展歷史
流量傳感器的歷史可以追溯到19世紀中期，當時，普遍采用的是機械式結構原理的測量方法，后來醫生和生物學家根據溫差可以產生電動勢的原理，開始用熱電偶來測量血液流動速度，這就是最早的熱式流量傳感器的雛形。
早期機械式流量傳感器
在19世紀中期至20世紀初期，機械式流量計器開始被廣泛應用，如渦輪流量計、伯努利管、懸臂型流量計等。這些機械式流量計器通過測量流體在特定條件下的動態壓力變化來計算流量。
根據其工作原理和結構特點，可以將機械式流量計分類為以下幾類：
葉輪流量計
這種流量儀表使用旋轉的葉片來感應流體的流動，并使用計數器來計算一定的體積流量。通常用于水、油和氣體的測量。
渦街流量計
這種流量儀表也是利用旋轉體感應流體流動。渦街流量計使用一個渦輪或渦輪流量計小齒輪來激起渦街，通過計算激起渦街的頻率或每單位時間旋轉的圈數來計算流量，廣泛應用于水、空氣和燃氣的測量等領域。
止回閥流量計
這種流量儀表使用一個或多個閥門，通過閥門的開啟和關閉來控制流量。通常用于測量自來水。
機械式流量計的基本設計考慮到流體的性質、測量范圍、可靠性和精度等因素。它們簡單、耐用，并且可以在不同的環境溫度下進行測量。19世紀的這些機械式流量計被廣泛應用于煤氣、石油和其他行業，例如制造、水泵和船舶。
電子式流量傳感器
20世紀60年代，電子技術開始應用于流量測量，電子式流量計的出現推動了流量測量技術的革新。利用電子技術，流量傳感器的精度、穩定性和可靠性得到了大幅提升。
根據其工作原理和結構特點，當時的電子式流量計主要可以分兩類
電磁感應式流量計
這種流量表利用磁場測量液體或氣體的流量，通過磁場強度變化計算流量。磁感應式流量計，當時主要應用于石油和化學工業。
壓電式流量計
這種流量表利用壓電效應測量液體或氣體中的流速和壓力差。壓電式流量計由于當時的航空航天業和汽車行業的發展，被廣泛應用于在這兩大行業身上。
電子式流量傳感器的基本設計是通過芯片、傳感器和控制電路來實現計算和輸出。這些傳感器通常具有高精度和穩定性，并可適應高溫、高壓和腐蝕環境，不足之處是容易受到電磁干擾和對供電系統要求較高。
智能化流量傳感器
21世紀初期以來，智能化流量傳感器開始普及，利用先進的傳感技術、信號處理技術和網絡通訊技術，實現了遠程監控、自適應控制和數據采集等功能，極大地提升了流量測量的效率和精度。
光學傳感器
基于光學原理實現流量測量，通過測量流體中散射光的強度、頻率等參數來實現流量測量。
納米材料傳感器
利用納米顆粒的磁性、電性、導熱性等特性來實現流量的測量。
基本原理
流量傳感器的基本原理是利用流體在管道中流動時，對管道內產生的壓力、回聲、磁通量等的變化進行測量，它將得到的流量信號轉換成電信號送至電控單元(ECU)，從而得出流體的流量。流量傳感器的基本測試原理主要有以下四種：
差壓測量法
差壓測量法是流量傳感器最常見的測量方法之一。它的基本原理是在管道的兩個不同位置上安裝電容式壓力變送器，分別測量管道內的靜態壓力和動態壓力，然后通過壓差傳感器將兩個壓力值進行差值計算，從而得出流體的流量。流量計算公式：Q=k√ΔP，市面上銷售的水流量計，大部分采用這種方法的制成。
回聲測量法
回聲測量法是一種利用聲波測量流體流量的技術。其基本原理是在管道中發射一個特定頻率的聲波，并測量聲波回蕩的時間，從而計算出流體的流速和流量。
聲波發射器將周期性聲波發射到管道中，當聲波沿著管道傳播時，會與流體相互作用并發生多次反射，最終反射回聲波發射器，這被稱為回蕩。通過測定回蕩時間，可以計算出回蕩距離。
通過測定回蕩時間、距離和經過的時間計算出流體的流速。使用公式：V = 2L / t就可以計算出回蕩距離。
最后，通過計算流速和管道的橫截面積，可以計算出流體的流量。使用公式Q = AV得出。
電磁測量法
電磁測量法是利用布置在管道內的電磁傳感器來測量流體流量。當流體通過管道時，會在電極中產生電動勢，通過測量電動勢大小，即可計算出流體的流量。
電磁式傳感器的感應式是液體的速度，所以需要先計算出液體的平均流速V = Q / A
產生的電動勢可以通過電磁式傳感器輸出信號E = KBVD來測量
通過測量出電動勢的大小，就可以計算出流體的流量Q = E / (KBX)
電磁測量法對管道的材料和液體的密度、溫度等因素比較敏感，所以需要關注這些參數對其測量結果的影響。
旋轉式測量法
旋轉式測量法是一種通過測量旋轉儀器內部流體的沿著旋轉軸的轉速來測量流量的技術。其基本原理是測量流體在旋轉式流量計旋轉部件上所產生的轉速，通過這個轉速和流量表的幾何參數計算出流量大小。通過測量旋轉速度，可以計算出流量Q = KVC
采用旋轉式流量法制成的流量儀表具有響應速度快、測量準確度高的優點。
分類
流量傳感器根據其結構和工作原理，主要分為以下幾種
差壓式流量傳感器
差壓式流量傳感器是最常見的流量傳感器之一。其基本原理是利用流體在通過管道時，對管道內產生的壓力差進行測量，從而得出流體的流量。差壓式流量傳感器內部包含兩個傳感器，一個用于測量管道的靜態壓力，另一個用于測量管道中流體的動態壓力。然后通過計算這兩個壓力的差值，可以得到流體的流量。
電磁式流量傳感器
電磁式流量傳感器是通過測量流體通過電極之間的電磁感應作用力來測量流量的。它主要由電極、感應電感線圈、流體傳感器和顯示器等組成。
當流體通過電磁流量計中的傳感器時，電極產生電場，感應線圈產生磁場。在傳感器內部流體的運動產生交變磁流時，它會在感應線圈內引起感應電動勢，并產生電磁感應作用力。這個力與流體的速度、磁場強度和電導率有關。
根據法拉第電磁感應定律，當磁場的強度和導電體的速度增大時，電磁感應作用力也會增大。因此，流體的流速越快，電磁感應作用力就越大，從而產生的感應信號就越強。電磁感應作用力和流量呈線性關系，因此可以得到精確的流量測量。通過傳感器內部的感應線圈，測量出流體的速度，再結合管道的面積，即可計算出流體的體積或質量流量。將流量值傳輸到顯示器上，就能夠實時顯示流量值。
超聲波流量傳感器
超聲波流量傳感器是一種采用超聲波探測技術進行流量測量的儀器。它是根據多普勒效應和基于音速不受流體密度變化的特性來工作的。
超聲波流量傳感器由兩個傳感器組成，一個設置為發送器一個設置為接收器并被安裝在管道的相對位置。發送器發出由固定頻率和波形的聲波，通過管道中的液體，反射回傳感器。同時，接收器接收到來自發送器的超聲波，并測量其頻率和變化。
當液體在管道內流動時，會對超聲波的頻率產生多普勒效應，即波長的壓縮或拉伸，這取決于液體流動的方向和速度。傳感器測量頻率變化并計算液體的速度。同時，超聲波流量計測量在不同位置上兩個傳感器間的時間差來計算流量。
容積式流量傳感器
容積式流量傳感器通常由兩個相互連接的容積室組成，其中一個容積室用于進料，另一個容積室用于排放。當流體從進料容積室進入排放容積室時，容積室的液位發生變化，這種變化可以被傳感器測量并記錄，進而推算出流體的容積流量。容積式流量傳感器常被用于化工、醫藥、食品、汽車等領域的流量測量。
變面積式流量傳感器
變面積式流量傳感器是一種利用流體通過一個流道時產生的差壓來測量流量的傳感器。其結構基本上由一個進口和一個出口組成，流體從進口進入流道，流道內通常設置有一個錐形的狹窄部分（也稱為喇叭口）和一個測量壓力的裝置。當流體通過喇叭口時，流道的截面積隨流體流過的位置而發生變化，這就導致了流體速度和壓力的變化。通過測量進口和喇叭口處的壓差，可以推算出流體的流量，右圖就是最簡單的變面積式流量計，也稱浮子流量計或者是轉子流量計。
變面積式流量傳感器的優點在于結構簡單、可靠性高、液體不易堵塞等，常用于需要長時間穩定工作的測量場合，例如化工、石油、發電等領域。
渦街流量傳感器
通過利用流體通過渦街造成的渦流和震蕩（馮卡曼效應）來檢測流量的傳感器，其原理是檢測液體中流動部分必然存在著旋轉的旋渦。
渦街流量計的主要構造部件是渦輪和傳感器。渦輪是一種擁有多個葉片的旋轉件，它被放置在管道中，隨著流體的流動，渦輪受到流體的沖擊和摩擦力而開始旋轉。渦輪旋轉的速度與流體的流速成正比。
傳感器通常采用霍爾效應等技術，用于測量渦輪旋轉的頻率。當渦輪旋轉時，每個葉片都會在磁場中產生磁信號，由傳感器檢測并計算旋轉的速度，進而計算出流量。
由于流體通過渦街時會產生渦旋，使得渦輪產生旋轉，所以渦街流量計的原理是利用這種渦旋運動，轉換成葉片的旋轉來測量流量。
熱式流量傳感器
通過探測流體中的溫度變化來監測流量的傳感器，根據流體的熱傳導能力與它的流動情況成正比的原理。
熱式流量傳感器主要由兩個傳感器組成，分別為加熱器和溫度傳感器。當流體通過加熱器時，加熱器會將流體加熱，使其溫度升高，而溫度傳感器則用來測量流體溫度。由于加熱器上游傳感器所測得的溫度比下游傳感器要高，導致流體在加熱器和傳感器之間形成一個溫度梯度。根據恒溫差原理，流量量和溫度梯度成正比，流量與加熱器所消耗的電功率成正比。
因此，測得加熱器上游和下游傳感器之間的溫差，從而可以計算出流體的流量。具體計算方法是，通過探測溫度傳感器之間的溫度差，根據熱傳導定律，利用一個方程式計算出流量。整個過程由一個微處理器控制，能夠對流體的溫度、壓力、密度等因素進行實時修正，從而提高測量的精確度。
圓盤流量傳感器
圓盤流量計是一種機械流量儀表，通過測量圓盤旋轉的圓周長度，來確定流量大小，它是應用頻率較高的工業流量計。
圓盤流量計主要由圓盤和計數機構組成，其中圓盤安裝在管道內部，隨著流體的流動旋轉，計數機構用于測量圓盤旋轉的圓周長度，再通過一系列的計算，計算出流體的流量大小。
圓盤的外形為扇形，其軸徑與管徑相等，轉軸與流體方向垂直，轉動時，流體從圓盤中心進入，流過扇形邊緣后再從圓盤中心向外出口。在工作中由于受到流體的推力，轉輪不停地轉動，當一個定時器中的固定時間過去后，計數機構便能夠根據轉輪旋轉的圓周長度，較為準確地計算出流量。
圓盤流量計的特點是結構簡單，精度高，使用方便，測量穩定，對流體的壓力和溫度的變化的影響比較小，可測量多種介質等。因此，它被廣泛應用于石油、化工、農業、生物技術、醫藥等領域的流量測量中。不過，圓盤流量計沒有顯示屏，不能直觀的觀測流量值，需要借助外部儀表來顯示或記錄流量值。
玻（珀）耳帖式流量傳感器
玻耳帖式流量傳感器是一種基于玻耳帖效應的流量傳感器。它主要由一個安裝在管道內部的玻耳帖式傳感器和一個測量電路組成。當流體通過玻耳帖式傳感器時，流體中的質子產生旋轉，從而在傳感器內產生一個磁場。玻耳帖式傳感器在該磁場的作用下會產生一個電壓信號，該信號與流體的流速成正比。玻耳帖式流量傳感器的特點是響應速度快、無動態壓損失和適用于低流速范圍的測量。
應用場景
發動機控制系統
流量儀表在發動機中的應用主要是用于測量和控制燃油、空氣等介質的流量和質量，并將測量到的數據傳輸給發動機控制系統。發動機中廣泛應用的流量表包括：
燃油控制系統
燃油流量計通常被安裝在燃油系統進氣道、噴油嘴等位置，用于精確測量噴射到燃燒室中的燃油量。通過燃油流量計檢測燃油流量與所需的燃油流量之間的差異，由發動機控制系統實時調整燃油噴射量，以保證燃油供應的精度、穩定性和燃油經濟性。
發動機進氣系統
空氣流量計通常被安放在發動機進氣道中，用于測量進入發動機中的空氣流量及空氣溫度等參數。通過測量空氣流量并將其送到發動機控制系統中，以更好地控制燃油噴射量和發動機的輸出功率，提高發動機的性能和燃油經濟性。
渦輪流量系統
渦輪流量計被用于測量在排氣系統中進出氣流量。發動機排氣系統中的燃油流量計通常用于空氣流量傳感器，通過測量進出流量差別計算出流速實現流量測量。
石油化工產業
石油化工產業中的流量儀表主要用于加工冶煉過程中液體或氣體流量監控。石油化工行業中常用的流量儀表包括以下幾類：
流量壓力變送器
流量壓力變送器通過測量流體在管道中通過的壓力差，計算出流體的流量。它可適用于測量液體或氣體，在石油化工生產中主要用于原油、天然氣、乙烯、丙烯等介質的流量計量。
測量液體或氣體流量
主要通過超聲波來測量流體的流速和流量，它可適用于測量液體或氣體，常用于石油化工生產中的水、廢水、天然氣、氫氣、氮氣等介質。
廢棄物排放流量監控
一般使用電磁式的電磁流量儀表應用于石油化工生產中的酸、堿、溶液、廢水等介質。通過各個環節精確的流量測量，可以減少石化生產過程中的損失、提高生產效率和質量，確保生產過程的穩定性和安全性。
家用電器
流量表在家用電器中也有廣泛的應用場景：
洗衣機
洗衣機使用流量表來控制水的流量，以確保在不同洗滌程序中使用恰當的水量。流量表通過向洗衣機控制板發送信號來控制水閥的開關，確保洗衣機在漂洗和脫水循環中使用適當的水流量，從而提高洗滌效率和節約水資源。
空氣凈化器
空氣凈化器使用流量儀表來監測空氣進出的流量，以調節凈化器的工作效率和降低噪音。當空氣流量過低時，凈化器會自動調整過濾器的清潔程度來提高凈化效率。
水處理設備
例如飲水機、井水過濾器等都需要使用流量表來控制進出水的流量，確保水的質量符合標準且節約用水。
熱水器
熱水器使用流量表來監測進水和出水的流量，以確保熱水器工作效率和穩定性。流量表可以幫助熱水器根據水流量來控制加熱器的電源，從而節省能源和延長使用壽命。
冰箱
流量表可用于測量冰箱中冷凝器的入口和出口水流量，以確保冷卻系統正常運作，延長制冷系統的使用壽命。
燃氣表
燃氣表使用流量表來測量燃氣的流量，計算出燃氣的用量，以實現精確的結算功能。
發展趨勢
流量傳感器今后的發展將會更加小型化、數字化、智能化、多功能化、低功耗化、創新化和國際化。
參考資料 >
空氣流量傳感器智能測試系統的實際應用.中國知網.2023-04-27
渦街流量計氣體測量的影響因素分析與改進.中國知網.2023-04-27
熱質式流量計與孔板流量計的節能比較.中國知網.2023-04-27