液位、密度、浊度与流量传感器应用于物联网与传感器技术

1.投入式、插入式、法兰式液位传感器

投入式、插入式、法兰式液位传感器主要是根据安装方式区分的传感器。这些传感器是利用流体静力学原理，采用先进的微机械加工的压阻力敏元件制造的。这些类别的传感器已经形成系列化。这类液位传感器有用于水文水利测量的高准确度高稳定性投入式液位传感器；用于自来水管网测控，具有强抗冲击能力的投入式液位传感器；用于水处理及污水池测量的投入式液位传感器；用于油介质或其他特殊液体介质的投入式传感器；用于电站及化工厂强酸、碱水处理池液位测量的投入式传感器；用于食品工业及类似用途的插入式液位传感器；用于食品、化工等用途的法兰安装插入式传感器；用于地热井或其他中高温液体介质的插入或投入式液位传感器等。它们都具有高准确度、高稳定性，以及较长的使用寿命、介质兼容能力强的特点。

2.浮球连续式（开关式）液位传感器

浮球连续式（开关式）液位传感器是利用浮球内磁铁随液位变化的原理制成的。这种传感器利用浮球内磁铁随液位变化，改变连杆内的电阻与磁簧开关所组成的分压电路，分压信号可经过转换器变成4～20mA或其他不同的标准信号。磁簧开关的间隙愈小，准确度愈高，它是一种原理简单、可靠性极佳的液位传感器。

浮球连续式液位传感器适用于开口、密闭容器或地下池槽里的介质液位进行测量和显示、控制及报警，被测介质可为水、油、酸、碱、工业污水等，广泛用于炼油、化工、电力、造纸、食品及污水处理等行业。

3.超声物位传感器

超声物位传感器是利用超声波检测技术将感受的物位变换为可用信号（如时间信号）的传感器。它可以用于气体、液体和固体中，具有频率高、波长短等特点，故分辨力较高。超声物位传感器的波长取决于传声介质的声速和声波频率，声呐的波长为1～100mm；金属探伤等的波长为0.5～15mm；气体中的波长为5～35mm。超声物位传感器的发射换能器和接收换能器可用同一个换能器。利用空中检测水平时，超声波换能器装在容器上部，可检测液面和粉面。利用液面检测水平时，换能器设置在容器上部，通过脉冲超声波由检测面反射回来所需时间检测水平。

导波雷达液位计采用时域反射技术。高频脉冲沿探头而下，当脉冲到达液面时，因液体的介电常数要远大于液面上的空气或蒸汽的介电常数，于是脉冲沿探头另一极反射回去。超高速的计时电路准确地测量返回时间，并输出相对应的准确液位。

超声物位计是用于测量和监测敞开或封闭储罐（容器）内物位的低成本物位计，体积小，结构紧密，可将传感器和信号转换器合为一体，具有温度补偿功能，在工作温度下能自动校正物位测量值。超声物位计的换能器向介质表面发射一系列短的、可以控制的超声波脉冲，它到达介质表面后被反射，反射信号经智能化处理，去除各种噪声，计算返回到传感器表面的声波的时间，并将其转换成距离值，通过电流信号的形式输出。还可以用来测量城市废水，以及与化学、塑料、制浆造纸、电力、采矿和食品工业有关的废水，还可用于未经处理的废水、活性污泥、冷却水、煤浆、石灰石和粉尘所形成的淤泥，以及制浆造纸浆料、煤-油混合物、食用油脂、渣滓、沉淀器废料和其他各种各样的物质液位、货物位的测量。

4.在线密度传感器

对于不同的介质，不同的使用要求，需选用不同的密度、浓度传感器和不同的安装形式。利用密度、浓度传感器将溶液的密度信号连同溶液的温度信号一同送往单片机组成的二次仪表，进行数据处理和温度补偿，最后以数字形式显示出被测溶液的密度、浓度和温度值。这种智能密度、浓度传感器适合于对酸、碱、盐溶液和精细化溶液的密度、浓度进行在线测量，是实现智能自动在线检测的最佳选择。

密度传感器一般利用振动直接检测液体的密度。它是在液体中设置振动体，或将液体装在振动体内部，利用振动体固有振动频率随液体密度变化而检测密度的。该装置利用振动体等效质量随液体密度而变化的性质，由外部电磁驱动振动体，从而检测出这种振动并放大，构成用固有频率振荡的电路。这种传感器以频率输出，分辨力高。此外，还有利用差压法检测密度的电容式差压密度传感器以及其他类型的在线传感器，如智能传感器是对外界信息具有一定的检测、自诊断、数据处理以及自适应能力的传感器。所谓智能密度、浓度传感器是利用微机技术对密度和浓度进行综合测量的装置。

密度传感器可对各种液体或液态混合物进行在线密度测量，故在石化行业中可广泛应用于石油、炼油、调油、油水界面检测；在食品工业中用于葡萄汁、番茄汁、果糖浆、植物油及软饮料加工等生产现场；可用于奶制品业、造纸业；可用于黑浆、绿浆、白浆、碱溶液的测试；可检测酿酒酒精度及测试化工类的尿素、清洁剂、乙二醇、酸碱及聚合物密度，还可应用于采矿盐水、钾碱、天然气、润滑油、生物制药等行业。

5.悬浮颗粒浓度传感器

悬浮颗粒浓度传感器是一种无阻碍管道式传感器，主要用于水中淤泥、工业淤泥、核工业废水、加工处理过程中的淤泥、金属喷漆悬浮物等的处理。这类传感器能对悬浮物的浓度和厚度进行控制和报警，进行沉淀池淤泥和悬浮物的全自动排放。在泥液中的悬浮颗粒物的百分比含量与超声波在泥液中的衰减成正比。使用该技术直接测出悬浮颗粒物的浓度，并给出数字显示，同时提供一个模拟输出信号。安装在沉淀池中的传感器，可检测传感器所在位置的悬浮颗粒浓度，然后给出模拟输出，可用来监视浓度从0.2%～60%的悬浮物固体。

6.浊度传感器

表面散射浊度传感器是用散射法感受液体浊度并转换成可用信号输出的传感器，能定量检测分散在水中的微粒子状态。光线在水中会被分散粒子反射或散射，将透过水中的光与透过标准液的光进行比较，即可确定浊度。标准液是在水中含有精制高岭土1mg时的浊度为1度来确定的。高岭土是一种黏土，是以SiO₂和Al₂O₃为主要成分的白色天然物。采用透光法并通过电子电路进行非线性补偿，则可用于高浊度检测。用试料水着色法也可检测浊度，但在某些场合，光吸收会产生误差。散射法也适于检测低浊度。着色法的误差与透光法相同。

浊度传感器用于城市水处理过程，能测定原水及处理后水，并估计沉淀、凝絮及过滤效率，同时能为工业用户测定锅炉补充水、蒸汽冷凝水、食品及饮料制作过程中的水质。

7.流量传感器

流量是指流体在单位时间内流经管道某一截面的体积或质量数，前者称为体积流量，后者称为质量流量。这种单位时间内的流量叫做瞬时流量，任意时间内的累计体积或累计质量的总和称为累计流量，也叫做总流量。

根据流量的定义，流体的质量流量Q_m可由下式表示：

式中，ρ为流体的质量密度；v为管道截面上流体流速的平均值；A为管道截面积。

流体的体积流量可表示为

流量的常用单位有：m³/s、m³/h、L/s、kg/s等。

测量流量的传感器有速度式、容积式、质量流量式等多种传感器。以测量对象而论，所涉及的有液体、气体以及双相、多相流体；有低黏度流体，也有高黏度流体。流量范围有微流量和大流量；有高温到极低温；有低压、中压、高压甚至于超高压。而运动状态有层流、紊流、脉动流等。所以，流量测量工作极其复杂多样，用一种流量测量方法根本不可能完成所有流量的测量。为此，必须根据测量目的、被测量流体的种类和流动状态、测量场所等测量条件，研究相应的测量方法。

8.气体质量流量传感器

气体质量流量传感器是一种准确测量气体流量的传感器。目前所用各种形式的气体流量传感器，绝大部分是计量气体的体积流量。由于气体的体积随温度与压力的不同而变动，所以常发生较大的计量误差。

气体质量流量传感器的主要特点是不受温度与压力变动的影响，其显示读数直接指示气体的质量流量。气体质量流量传感器具有一系列优点，如可在常压、高压或负压的条件下工作，可在常温、100℃甚至更高的温度下正常运行，具有适用的量程范围宽、抗介质腐蚀的能力强及计量准确度高等优点。

这种气体质量流量传感器的基本原理是在一个很小直径（4mm）的薄壁金属管（常用不锈钢、纯镍或蒙乃尔合金等耐蚀合金）的外壁，对称绕上4组电阻丝，相互连接组成惠斯顿电桥，电流通过线圈而致升温，沿金属导管轴向形成一个对称分布的温度场。当气体流经导管时，因气体吸热而使上游管壁温度下降，通过下游时气体放热，管壁温度上升，导致了温度场的变异，即温度最高点位置向右偏移。电阻丝采用电阻温度系数较大的材料能灵敏地反映温度的变化而使电桥失去平衡。最后，将电桥的不平衡电压信号放大或者转换成电流信号。从理论上来说，输出信号的大小正比于气体的质量流量与气体比热的乘积，可简单地表达为

式中，E为输出信号；k为比例常数；c_p为气体比热容（定压）；M为气体的质量流量；A为气体质量流量传感器各线圈与周围环境间的总传热系数。就理想气体而言，气体的比热是不随压力而变化的常值，所以输出信号仅与气体的质量流量成正比。一般的真实气体其比热受压力影响的变动幅度很小，故仍可用输出信号直接代表质量流量，与压力的大小无关。在实用中，因难以用气体的质量来标定，故常换算成标准状态下（760mmHg^[1]、0℃或760mmHg、20℃）的气体体积（用“标升”或“标立方米”）来标定。

气体质量流量传感器作为环境控制系统中的重要测量控制装置，在武器装备及航天、航空、舰船系统中有着非常广泛的应用。武器装备发动机系统，需要由气体质量流量传感器来测量进气支管内被吸入发动机气缸内的空气流量，以控制喷油时间和点火时间，气体质量流量传感器是决定发动机系统电控准确度的重要部件之一。在武器系统内部的环境控制系统，如飞机飞行员驾驶舱内进气流量及驾驶舱内温度测量和控制、飞船中对宇航员生活舱送气系统的气体流量的测量和控制、潜艇内部环控系统的进气量及温度控制、现代战车防化系统启动后战车内部环境控制等方面都需要由气体质量流量、温度传感器来完成相应的测量和控制功能。雷达冷却系统需要由气体质量流量传感器来控制空气的流量，以保证雷达系统的正常工作。在现代化武器装备和武器系统中，气体质量流量传感器已日益成为比较关键的测量和控制部件。

在先进的汽车上测定进气量和燃油流量以控制空燃比，主要有气体质量流量传感器和燃料流量传感器。气体质量流量传感器检测进入发动机的空气量，从而控制喷油器的喷油量，以得到较准确的空燃比，实际应用的有卡门旋涡式、叶片式、热线式。卡门式无可动部件、反应灵敏、准确度较高；热线式易受吸入气体脉动的影响，且易断丝；燃料流量传感器用于判定燃油消耗量，主要有水车式、球循环式。

9.热线式质量流量传感器(www.xing528.com)

热线式质量流量传感器的热敏元件是利用热平衡原理来测量流体速度的。用电流加热热线，它的温度高于周围介质温度。当周围介质流动时，就会有热量的传递。在稳定状态下，电流对热线的加热热量等于周围介质的散热量。

由一个热线式敏感元件（加上一个辅助的补偿热线元件）安放在空气入口的旁路中，可监测发动机空气质量流量。这种类型的传感器测量真实的质量，不能测量空气流量的回流波动。在有些情况下，容易产生空气流量的回流。在这种情况下，采用另外一种空气质量流量传感器。这种传感器应用一个热源和用微机械加工方法制作在低热质量膜片上的上下两个热流检测元件。

10.浮子式与涡街式流量传感器

浮子式流量传感器是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量传感器。国外常称为变面积流量传感器或面积流量传感器。浮子式流量传感器的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。当被测流体从下向上，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中的高度和通过的流量有对应关系。

涡街式流量传感器具有量程宽、无可动部件、运行可靠、维护简单、压力损失小、有一定的计量准确度等优点。特别是在很宽的范围内，它的测量与介质的密度、黏度等物理参数无关，因而受到普遍欢迎，适用于各种液体、气体和蒸汽的流量计量。涡街式流量传感器是根据“卡门涡街”（在流体中插入一个柱状物体旋涡发生体时，流体通过柱状物两侧就交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡列被称为卡门涡街）原理研制的一种流体振荡式传感器。通过测量卡门旋涡分离频率便可算出流体的瞬时流量。

卡门涡街的释放频率与流体的流动速度及柱状物的宽度有关，可用下式表示：

f=Srv/d （6-8）

式中，f为卡门涡街的释放频率；Sr为斯特劳哈尔数；v为流速；d为柱状物的宽度。

涡街式流量传感器是属于最近产生的一类流量传感器，但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量传感器。LUGB型涡街流量传感器适用测量过热蒸汽、饱和蒸汽、压缩空气和一般气体、水以及液体的质量流量和体积流量。

11.涡轮式流量传感器

涡轮式流量传感器也是一种速度式流量传感器。它是通过测量安装在管道中的涡轮转速而间接测量流体流速，进而测得流量。涡轮将流量Q转换成涡轮的转速n，经磁电转换器又转换成电脉冲，再经放大后传送给显示仪表进行计数和显示，由单位时间脉冲数和累计脉冲数指示出瞬时流量和累计流量。图6-30所示为涡轮式流量传感器的原理框图。

图6-30 涡轮式流量传感器的原理框图

根据叶轮的构造可将涡轮式流量传感器分为切向流旋叶式和轴向流螺叶式两种。前者通常称为水表，其叶轮的旋转轴与流体流动方向成直角，流体垂直冲向叶片，使其以与流速成比例的速度旋转。轴向流螺叶式叶轮的旋转轴与流体流动方向相同。

涡轮式流量传感器在以下一些测量对象获得广泛应用：石油、有机液体、无机液体、液化气、天然气和低温流体系统。在欧洲和美国，涡轮式流量传感器在用量上是仅次于孔板流量传感器的天然计量仪表，仅荷兰在天然气管线上就采用了2600多台各种尺寸、压力为0.8～6.5MPa的气体涡轮流量传感器，它们已成为优良的天然气计量传感器。

12.差压式流量传感器

差压式流量传感器是利用流体流经节流装置产生压力差，将感受的流量转换成可用输出信号的传感器。

差压式流量传感器是利用马格努斯效应原理研制的。它采用节流装置（孔板、喷嘴、文丘里管等）进行流量测量，一般的计算公式为

式中，q_m为质量流量；k为比例因子；C为流量系数；ε为膨胀系数；β为孔径比（d/D）；d为节流件的开孔直径；ΔP为节流差压；ρ为流体密度。

根据差压式流量传感器制作的多参数变送器可以进行动态测量，并进行温压补偿，参加动态补偿计算的参数有流体密度ρ、流量系数C、膨胀系数ε等。

差压式流量传感器是一类应用最广泛的流量传感器，在各类流量仪表中使用量占居首位。近年来，由于各种新型流量传感器的问世，它的使用量百分数逐渐下降，但目前仍是最重要的一类流量传感器。

13.超声流量传感器

超声流量传感器是利用超声波检测技术，将感测的流量转换成可用信号的传感器。超声流量传感器一般分为两类：一是利用超声波在液体中传播时间随流速变化的时间差法、相位差法和频率差法。超声波在流体中发射时，若与流动方向相同，传播速度加快；若与流动方向相反，则传播速度减慢。二是利用声速随流体流动而偏移的声速偏移法。超声波垂直于流动方向传播，由于流体流动影响而使声速发生偏移，根据偏移的程度确定流速。

脉冲超声波在上游侧和下游侧的两个超声换能器之间传播，若设由上游侧往下游侧的传播时间为t₁，由下游侧往上游侧的传播时间为t₂，则两者之差（t₂-t₁）与流速成比例，将测出的时间差变换成流速，该流速乘以管的截面积，则可得到流量。

还有一种称为多普勒（Doppler）超声流量计的超声流量传感器。它是根据Doppler原理制成的，由安装在管道外面的双液镜变送器将超声波频率信号输入液体。流体中所夹带的少量颗粒体或泡沫将以一种稍微不同的频率将信号重新反射至变送器。这种“频率转移”现象得到了监测，并通过电路加以处理，从而发出与料量成比例的输出信号。

超声流量传感器可用来测量城市废水以及与化学、塑料、制浆造纸、电力、采矿和食品工业有关的废水。这种超声流量传感器还可用于未经处理的废水、活性污泥、冷却水、煤浆、石灰石以及粉尘所形成的淤泥、制浆造纸浆料、煤-油混合物、食用油脂、渣滓、沉淀器废料以及其他各种各样的物质。

14.旋转活塞式流量传感器

旋转活塞式流量传感器属于容积式传感器的一种，基于活塞与计量室一直保持密封状态，并由一个固定的偏心距计量元件的活塞，在压差的作用下，对活塞产生转动力矩，使活塞作偏心旋转运动，活塞的转速正比于液体的流量，由此可测得流体的总流量。图6-31所示为旋转活塞式流量传感器工作原理图。

旋转活塞式流量传感器主要用于原油、重油、柴油及食品等液体介质流经管道的测量。

15.电磁流量传感器

电磁流量传感器是一种速度式传感器。这种传感器的工作原理是电磁感应，适于测量非磁性的液体流量。这种传感器在管内壁上设置相对的两个电极，沿垂直于连接两电极的直线和液流方向加上磁场，则在两电极间产生与管内径、磁感应强度和液体流速成比例的电压。该微弱电压经放大后以电流形式输出。采用同步低频矩形磁场可得到稳定的特性。

图6-31 旋转活塞式流量传感器工作原理图