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水流开关也称为流量开关或流量传感器，英文名为Flowswitch或Watersensor。在水工业供排水系统中，水流开关有着重要的应用价值，随着科技的进步，自动化逐渐普及的今天，水流开关会在这一领域发挥着及其重要的作用。主要是利用水流动时产生冲击力产生信号实现控制。
关键字：水流开关，流量传感器，流量开关
一水流开关应用领域
在电气行业的供排水系统中，水流开关有着重要的工程应用价值，水流开关是这一领域的关键部件，采用磁感应设计是因为以其实现水电隔离，可直接负载小型功率的设备，可广泛地应用于供水系统、排水系统及供排自动化控制等领域。为了满足实际工程的需要，水流开关正逐步受到重视，但是目前关于水流开关应用的文献中，对此方面论述少之又少。本文就水流开关的工作原理、设计、及其应用和检测方法进行了论述。
二水流开关的分类
水流开关品种很多，原理各异，使用方式繁多，因此分类甚繁，至今尚无统一规定或相关国家标准，人们通常站在不同角度，以其突出的某一侧面来分类，以其工作原理划分，将物理，化学等学科的原理、规律、效应作为分类依据，按水流开关的工作原理不同，归纳起来大致有如下几种：
（一）按输出电信号分类
这种分类方法是，按输出电信号可分为：开关式水流开关和脉冲式两种。
1、开关式水流开关开关式水流开关的可以直接负载小型功率普通电压的电器，不用附加电路，属于简单实用型。开关式水流开关按触点又可以分为：常开型，常闭型，常开常闭；这类水流开关如：转子式水流开关、活塞式水流开关、翻板式水流开关、靶式水流开关、差压式水流开关。2、脉冲式水流开关脉冲式水流开关输出的是脉冲信号，通过采集变送成电流信号，实现控制，虽然能用于高精度场所，但是成本过高，使用不方便。叶轮式水流开关就属于这类。
（二）按安装应用方式分类
按安装方式分类又可以分为直立安装、水平安装和任意方式安装！
1、直立安装的水流开关只能从底部往顶部流动才能工作，如转子式水流开关。
2、水平安装的水流开关只能水平安装才能工作，如翻板式水流开关。
3、任意方式安装的水流开关种类较多：叶轮式水流开关、差压式水流开关、靶式水流开关、活塞式水流开关。
（三）按水流开关的内部结构分类
按水流开关的内部结构可分为：活塞式，翻板式、靶式、转子式、差压式、叶轮式。
三水流开关的工作原理
（一）水流开关常用的感应元件
1、水流开关的感应元件-磁簧开关的特点
多数水流开关是应用磁簧开关作为感应元件，磁簧开关是1936年由美国贝尔研究所的WBELLWOOD所发明。磁簧开关1938年首次作为同轴运输装置的切换开关使用。其后，随着自动化技术的发达，磁簧开关也有了巨大的发展。磁簧开关具有回答速度迅速、持有密封触点、小型和机械寿命较长等优点，它对自动化技术的发展作出了巨大的贡献。
由于在提高触点的性能、小型化、制造方式和降低生产成本上进行了各种的改良。现在磁簧开关已经在汽车电装、磁簧继电器、各种测量仪器等各种领域上，作为传感器和控制用部件而得到广泛使用。所以水流开关也不例外的应用了磁簧开关。
磁簧开关具有下述的特点。
（1）触点与惰性气体一起密封在玻璃管内，不会受到外部气氛的影响。
（2）动作部件的质量极小，因此回答速度迅速。
（3）驱动系统和电路在同轴上构成，适宜用于高频传输的应用产品。
（4）小型，重量轻。
（5）触点具有优良的耐蚀性和耐磨损性，使用寿命长，可获得稳定的开关动作。（6）与永久磁铁组合，就能经济轻易地制成接近开关。
2、水流开关的感应元件-微动开关的特点
微动开关是一种施压促动的快速开关，又叫灵敏开关，也称触点开关。
其工作原理是：外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力作用于动作簧片上，并将能量积聚到临界点后，产生瞬时动作，使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。当传动元件上的作用力移去后，动作簧片产生反向动作力，当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后，瞬时完成反向动作。微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。其动触点的动作速度与传动元件动作速度无关。微动开关以按销式为基本型，可派生按钮短行程式、按钮大行程式、按钮特大行程式、滚轮按钮式、簧片滚轮式、杠杆滚轮式、短动臂式、长动臂式等等。微动开关在电子设备及其他设备中用于需频繁换接电路的自动控制及安全保护等装置中。微动开关分为大型、中型、小型，按不同的需要分有可以有防水型（放在液体环境中使用）和普通型，开关连接两个线路，为电器、机器等提供通断电控制，广泛应用在工业、机械、家用电器等地方，开关虽小，但起着不可替代的作用。
3、水流开关的感应元件-霍尔元件的特点
霍尔效应[1]是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。
霍尔效应的原理：导体中的电荷在电场作用下沿电流方向运动，由于存在垂直于电流方向的磁场，电荷受到洛伦兹力，产生偏转，偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向，而且正电荷和负电荷偏转的方向相反，这样就产生了电势差。
（二）开关式水流开关的基本原理
1、转子式水流开关的工作原理
转子式水流开关又称为浮子流量计，能检测封闭水管中的水流流量。
转子式水流开关由锥形管，磁性转子，止档，磁性开关组成。
根据需要检测水流的大小可选择磁性转子和锥形管的不同形状。当有水流从通过管道时，磁性转子被水流的冲击力抬起，当水流达到检测流量时，磁性转子被推到磁性开关的感应范围，开关便输出信号。当水流小于检测信号时，磁性浮子由于重力的作用便往下沉，离开磁性开关的感应范围，开关便停止工作。由于要做到小流量启动，大流量通过，我们的管通道会做成锥形。
2、活塞式水流开关的工作原理
活塞式水流开关由壳体、磁性活塞、磁性开关、弹簧组成。
当管道中水静止时，活塞在弹簧的推力作用下，沉在底部，当水流通过时，磁性活塞被水流的推力向弹簧端推进，达到流量时，磁性活塞被推到磁性开关感应范围，磁性开关便输出信号，当水流小于检测信号时，磁性活塞被弹簧推力推动，离开磁性开关，开关便停止工作。
3、翻板式水流开关的工作原理
翻板式水流开关壳体、翻板、接近开关组成。
当管道中水流通过翻板式水流开关时，水流的冲力把开关中的翻板抬起，翻板靠近接近开关，开关便输出信号，开始工作。
4、靶式水流开关的工作原理。
靶式水流开关是一种适用于检测水质较差，杂质较多的的水流开关。
靶式水流开关由测量管、靶片、波纹密封膜片、杠杆、弹簧、微动开关组成。
当水流通过管道，水流对靶片产生一个冲击力，受这个力的作用，杠杆角度倾斜，离开常态下压紧的微动开关，开关便输出信号，当水流冲击力小于弹簧力时，杠杆被弹簧推回微动开关，便停止工作。
5、差压式水流开关的工作原理。
差压式水流开关由差压盘、分隔膜片、推杆、文丘里管、复位弹簧组成。
其动作原理是水流从差压盘的高压腔中流入，经文丘里管流出，在文丘里管的喉口切面开一取压孔并与差压盘低压腔相通。低压腔便是文丘里管的喉口切面的压力。同于文丘里管喉口切面处面积最小。水流加速，压力显著下降，加之沿程阻力损失，使得差压盘高压腔的压力明显高于其低压腔的压力，当水流达到一定值时，高压腔与低压腔的差压产生的推力增大并超过复位弹簧力，分隔膜片顶着推杆向低压腔移动，顶开微动开关，系统便开始工作。
水流一旦停止。高压腔与低压腔的压力平衡，复位弹簧将分隔膜片推回高压腔侧，微动开关复位。系统停止工作。
（三）脉冲式水流开关的工作原理-叶轮式水流开关。
叶轮式水流开关的由壳体、磁性叶轮、导流管、霍尔元件组成。
当有水流过时，水流通过导流管冲击叶轮转动，每片叶轮上有一小磁块，当磁块靠近霍尔元件时霍尔元件导通，离开霍尔元件时，霍尔元件断开，由此测量出叶轮的转速（水流速度），根据实测的水流量-叶轮转速-输入信号曲线。将所产生的信号提供给单片机，便可实现控制。
四水流开关的结构
水流开关的设计都和水流的速度和压力关系，所以可根据伯努利方程式计算：
Ｐρ＋Ｖ２２＋ｇｈ＝C
此处p为压强，ρ为流体密度，V为流速，ｇ为重力加速度，ｈ为高度.C为常量。
（一）转子式水流开关的设计
转子式水流开关是垂直安装的，当水由下而上的流动时，水流对转子产生一个冲击力，转子受到一个向上的作用力，当这个力大于浸在水中转子的重量，则把转子上抬，转子靠近磁簧开关时触发开关输出工作信号，当水流变小，向上的作用力小于转子重力时，转子便会离开磁簧开关，沉到档环位置，磁簧开关便停止输入工作信号。
设转子的密度、体积、截面积、锥形管母线与轴线的夹角分别为、Vf、Af、g，当转子上长升到磁簧开关感应位置H时且处于平衡状态时，用下面的公式：
式中：
K——启动流量
ρ——水的密度
（二）活塞式水流开关设计：
活塞式水流开关是靠水流的推力加压力把活塞推到磁簧开关位置，由活塞内的磁芯产生的磁力把磁簧开关打开，传出工作信号。水流的推力加压力大于活塞和弹簧力时，活塞移动，水流开关进入工作状态。所以设计时，要考虑管道压力和弹簧弹力，计算启动水流量：
Q=（P-T）/（SL）
式中：
P——活塞截面压力
T-——弹簧弹力
S——管道内转子截面的比阻
L——活塞滑动长度
（三）翻板式水流开关的设计：
翻板式水流开关是靠水流的速度把翻板推开，当固定在翻板上的磁铁连同翻板一起扬到一定程度达到磁簧开关感应的范围时，磁簧开关传出工作信号，设计时，要考虑水流的流速和翻板的重量，所以，先计算翻板受到的冲击力，用公式：
式中：
Rx——冲击力
Pw——密度
v1——流速（v1=1m/s）
A1——翻板的截面积
流量公式：
Q=P/（SL）
式中：
S——管道内翻板截面的比阻
L——水流开关水流通道长度
P——进出水的压力差。
（四）靶式水流开关设计:
靶式水流开关是水流从靶的周围圆形环形间隙流过时，靶受到流体的冲击力，其大小与流体的动能和靶的圆形面积成正比，流量与靶受到的力F的对应关系为：
式中：
K——启动水流量
F——靶片受到的力
P——水的密度
（五）差压式水流开关的设计：
差压式水流开关靠水流流入差压盘的高压腔中，经文丘里管流出，文丘里管的喉口切面的取压孔并和差压盘低压腔是连通的。文丘里管的喉口取压孔的压力便是低压腔的压力。整个通道中，文丘里管喉口切面处管径最小。水流经过时便会加速，由于沿程阻力损失，压力便下降，使得差压盘高压腔的压力明显高于其低压腔的压力，当水流量达到一定值时，高压腔和低压腔的形成的压力差使分离隔膜向低压腔移动，推杆被分隔膜片顶着向低压腔端移动，顶开微动开关，传出工作信号。
设进入高压腔的的水压为P1，流经文丘管口时，由于沿途阻力，压力减小，所以到文丘里管口的压力为P2，经过文丘里管后，流通切面缩小，流动加速、静压减小，在喉口切面最处流道最小，流速最高，压力最小，取压孔的压力为P3，即为低压腔内的压力。文丘里管内的压力变化（P2-P3）满足流动方程（入口切面的全压与喉口切面的全压相等）：
式中：
P——水密度
V——流量
f2--文丘里管入口切面积
f3——文丘里管喉口切面积
u2,u3——文丘里管入口、喉口切面处的流速
g——重力加速度
由此计算出作用在压差盘分隔膜片上的推力F为：
式中:
Dk——分隔膜片受力区域直径
启动的条件便是：
F>f
式中
F——作用在压差盘分隔膜线上的推力
f——复位弹簧力
水流低到一定值时，低压腔内的弹簧力大于高压腔的水流产生压力，复位弹簧将分隔膜片推回高压腔侧，满足条件：F>f。微动开关复位。停止传出工作信号。
（六）叶轮式水流开关的设计:
叶轮式水流开关是当有水流过时，水流通过导流管冲击叶轮转动，磁块靠近霍尔元件时霍尔元件导通，离开霍尔元件时，霍尔元件断开，每旋转一圈，霍尔元件所发出的脉冲数和叶片的数量相同，叶轮的转速和流体的平均速度成正比，脉冲数与流量的关系为:
式中：
U——水流的平均流速
Z——叶轮叶片数目
F——脉冲频率
ξ——流量系数，指单位体积水流通过叶轮转动所产生的脉冲数量，表示为：脉冲数/m3
θ——叶片与水流流速之间的夹角.
五、水流开关的应用
（一）重力式水流开关的应用
重力式水流开关只能垂直安装，工作时不能移动。优点是启动流量很小，压力只要两米高水柱就能打开开关，所以适合用在小家电当中的超低水压压启动的家用燃气热水器，电热水器，饮水机等上面控制进水自动开机和关水自动关机。
（二）活塞式水流开关的应用
活塞式水流开关是整个行业具有代表性的产品，它的启动流量大小可调，用途较广，可以用在各种大型机械上面的水冷系统，用来控制供水泵或排水的的自动启停。
（三）翻板式水流开关的应用
翻板式水流开关最具优点的就是全径通水，反方向还可以当止回阀用，对水压力和水质要无特别要求，主要应用在热泵空调、煤矿排水、污水处理等方面。
（四）靶式水流开关的应用
靶式水流开关是一种于机械式水流开关，能负责较大的工作电流，可以直接负载普通功率的电动设备。其缺点是相要求启动水量低时，由于靶片过大，对管道通水流量有很大影响，如果要求流量较大，只有减小靶片面积，这样的启动流量就会变高，所以只能用在一些无要求的供排水设备上面。
（五）压差式水流开关的应用
这款水流开关可在内部增加较少部件变成带稳压的水流开关，其工作性能相当稳定，现主要应用在要求水量恒定的即热式饮水机和电热水器上面。
（六）叶轮式水流开关的应用
叶轮式水流开关是现目前应用最广泛的一款水流开关，因为它能自动计算出通过水的流量，它可以应用在水机、咖啡机、蒸汽设备、校园卡售水系统、水处理设备、冷却系统、机械设备、仪器仪表、制药（制济）设备等。
六、水流开关的选型安装注意事项
水流开关安装都有特殊要求，磁簧感应类和霍尔类的水流开关安装时，由于是靠磁力的作用，所以安装这类水流开关时，外界不能有磁场干扰，所以要远离永久磁铁类产品或变压器，电感器，电磁阀，继电器等会产生磁场的电气元件，如果设计要求实在无法更改时，作屏闭处理，将磁场隔开，或者选用微动开关式的水流开关。水平和垂直安装的水流开关测出的流量比较精准，但是安装不当会影响水流开关的精度，所以安装这类水流开关时，倾斜角度不能超过5度。如果达不到要求时，尽量选择任意角度安装的水流开关。
每种水流开关的通水量都有一定范围，选择水流开关时，应该先测算设备所需的水流量，再找对应口径和流量的水流开关匹配。
结语
水流开关具有广泛的实用性，本文采取了图文并茂的方法介绍了水流开关的安装要求和使用方法，有助于水流开关使用者对水流开关作一基本了解，作到正确安全的使用水流开关。通过这段时间以来对水流开关对机电控制重要性的的研发总结，总结出水流开关原理及其应用，对水流开关有个基本的了解。可在对水工业测量及自动化控制选用产品时作参考。
干簧式的水流开关开关功率较小，通用型的只能做到70W功率。如果负载较大功率电器可选用微动开式控制的水流开关，也可以用干簧需要增装中间继电器。
霍尔式的水流开关输出的信号精准，但是需要配套复杂的电路实现控制，需要今后在此方面不断的努力，改进和完善水流开关的功能。
