CKD喜开理卡曼涡街式流量传感器WFK2系列的工作原理

更新时间：2025-12-29

点击次数：21

WFK2系列核心依托“卡曼涡街流体力学效应"实现流量测量，通过精准捕捉流体绕流产生的漩涡信号，经信号处理与补偿算法转化为精准流量数据，同时集成温度测量与多场景适配设计，适配清水、工业用水及氟类液体（如Fluorinert™、Galden®等）的流量检测，覆盖0.4~250L/min宽量程范围。其完整工作流程可分为“漩涡产生—漩涡检测—信号转换—数据处理—输出与补偿"五大核心环节，各环节结合产品结构特性实现高精度测量。

一、核心基础：卡曼涡街效应的产生机制

WFK2系列传感器内部流道中固定有特定形状的“漩涡发生体"（钝体，材质为SUS304或SCS13不锈钢，适配腐蚀性较低的水及氟类液体），这是产生卡曼涡街的关键部件。当被测流体（水或氟类液体）以一定速度流经流道时，会在漩涡发生体的两侧交替分离出一系列有规律的漩涡，形成对称排列的漩涡列，即“卡曼涡街"。

漩涡的产生频率与流体流速存在严格的线性对应关系，核心遵循公式：f = St×v/d（其中f为漩涡频率，St为斯特劳哈尔数——WFK2系列通过结构优化将St校准为固定常数，v为流体平均流速，d为漩涡发生体的特征尺寸）。由于传感器流道截面积固定，流速v可进一步转化为体积流量Q（Q=v×A，A为流道有效截面积），因此通过测量漩涡频率f即可间接计算出流体的体积流量，这是WFK2系列测量的核心逻辑。

特别说明：WFK2系列针对不同流量范围（0.4~5L/min至20~250L/min）设计了不同尺寸的漩涡发生体与流道，小本体型（WFK2-005/020/050）与大本体型（WFK2-100/250）的发生体尺寸、流道截面积均经过精准匹配，确保在各自量程内漩涡频率与流量的线性关系稳定，同时将压力损失控制在0.03~0.07MPa（满量程时），减少对管路系统的影响。

二、关键环节：漩涡的精准检测与信号采集

WFK2系列采用“热敏式检测"方案（适配液体介质的稳定检测需求），在漩涡发生体下游对称安装高精度热敏电阻（或铂电阻）传感器，并与加热元件组成平衡电桥电路，实现对漩涡信号的高灵敏度捕捉。其检测原理如下：

初始状态下，加热元件对热敏电阻进行恒温加热，两个对称布置的热敏电阻处于相同温度环境，电桥电路保持平衡，输出稳定的基准电压信号；
当漩涡从发生体一侧分离并流经对应侧的热敏电阻时，会带走热敏电阻表面的热量，导致该侧电阻阻值发生变化（温度降低→电阻增大）；
由于漩涡交替从发生体两侧分离，两侧热敏电阻会交替出现温度变化与阻值波动，破坏电桥电路的平衡状态，从而输出与漩涡频率同步的交替变化电压信号（即“交变信号"）；
该交变信号的频率与漩涡产生频率一致，因此通过采集此信号频率即可反向推导流体流速与流量。

补充设计：针对氟类液体（如FC-40、Novec7300等）的适配需求（SF选项机型），WFK2系列优化了热敏元件的封装材质与表面处理工艺，采用耐氟腐蚀的FKM氟橡胶密封件（对应氟类液体时更换为EPDM乙丙烯橡胶），避免流体与元件直接接触导致损坏，同时确保检测灵敏度不受影响。

三、信号处理：从原始信号到精准流量数据的转化

热敏检测模块输出的原始交变信号强度较弱（mV级），且可能包含管路振动、流体扰动等干扰信号，需经过信号处理模块的多步优化处理，具体流程如下：

信号放大：通过高精度运算放大器将原始微弱信号放大至可识别的V级信号，为后续处理奠定基础；
滤波降噪：采用低通滤波电路过滤高频干扰信号（如管路振动产生的高频噪声），同时保留与漩涡频率对应的有效信号，确保信号纯度；
波形整形：将放大、滤波后的正弦波信号转化为标准的方波信号（数字信号），便于微处理器精准捕捉信号频率；
频率计数与流量换算：微处理器通过计时单元统计单位时间内的方波脉冲数（即漩涡频率f），结合预设的传感器参数（斯特劳哈尔数St、流道截面积A、管道内径等），代入流量计算公式Q = St×f×A×d（优化后简化公式），直接计算出实时体积流量；
累计流量计算：通过对实时流量进行时间积分，得到累计流量值（范围0~99999L或0~99999m³），电源切断时累计数据复位，符合工业流量统计需求。

关键优化：WFK2系列设置了“低流量切除"功能（默认切除满量程的5%以下流量信号），避免低流量工况下漩涡产生不稳定导致的测量误差；同时采用10秒内平均值计算机制（注2明确精度为10秒内平均值），进一步提升数据稳定性。

四、温度补偿与多场景适配：保障复杂工况下的测量精度

流体温度变化会导致其密度、粘度改变，进而影响漩涡产生频率与流量的线性关系，WFK2系列通过“内置温度传感器+实时补偿算法"解决这一问题，同时适配不同流体与工况：

温度采集：传感器内置高精度温度传感器（与流体接触，液体接触部件材质为不锈钢），实时采集被测流体温度（测量范围0~100℃），并将温度数据传输至微处理器；
温度补偿：微处理器根据采集到的流体温度，调用预设的补偿算法（注3明确温度特性为±5%F.S.，25℃为基准），修正流量计算结果——例如，当流体温度升高导致粘度降低时，算法会适当调整流量系数，确保测量精度符合±2.5%F.S.（模拟输出精度）、±2.5%F.S.±1digit（显示精度）的标准；
流体适配优化：针对水与氟类液体的物理特性差异（如密度、粘度不同），SF选项机型（氟类液体适配）会在出厂时预设对应的补偿参数，结合压力损失与比重的换算公式（Δp₁/G₁=Δp₂/G₂，Δp为压力损失，G为比重），进一步修正流量数据，确保不同流体下的测量精度。

五、信号输出与功能拓展：适配工业自动化需求

处理后的精准流量数据（实时流量、累计流量）与温度数据，通过多种输出方式供工业控制系统使用，同时支持功能拓展：

模拟输出：标准输出为DC0~5V/1~5V，可选DC4~20mA或DC0~10V/1~10V，直接对应实时流量或温度信号，适配PLC等模拟量输入设备；
开关输出：支持NPN或PNP晶体管集电极开路输出（负荷电流50mA），可设定流量阈值，实现流量异常（超上限/下限）报警；
数字通信（IO-Link型）：IO-Link对应机型（符合IEC61131-9标准）可通过数字通信传输流量、温度、累计流量等数据，还能远程设定参数、复制配置，实现设备物联网化；
显示与操作：双画面LCD显示屏可同时显示实时流量、流体温度、累计流量等数据，支持画面旋转（90°步进），便于不同安装方向下的读数；通过快捷键可快速调整输出阈值等常用参数，提升操作便捷性。

六、核心总结：WFK2系列工作原理的关键优势

WFK2系列通过“卡曼涡街核心原理+热敏精准检测+温度实时补偿+多输出适配"的组合设计，实现了宽量程、高精度的液体流量测量。其核心优势在于：一是通过优化漩涡发生体与检测元件的结构匹配，确保0.4~250L/min量程内的线性稳定性；二是内置温度补偿与流体适配算法，适配水、氟类液体等多种介质及1~95℃（氟类液体可至-10~95℃）的宽温度范围；三是通过信号滤波、平均值计算等设计，提升复杂工业环境下的抗干扰能力与数据可靠性，最终满足半导体制造、淬火设备、点焊机等场景的冷却液流量管理需求。

CKD喜开理卡曼涡街式流量传感器WFK2系列的工作原理

上一个：CKD喜开理小型流量控制器FCM系列的应用案例

下一个：CKD喜开理小型流量传感器FSM3系列的技术特点

返回列表