青岛芯笙微纳:流量计的应用现状及发展趋势

青岛芯笙微纳电子科技有限公司

2021.12.08

1. 流量计概述

流量是现代工业测量过程中的一个重要参数，也是计量领域尤为重要的计量参量之一。人类对流体的测量具有悠久的历史，从古罗马人测量居民用水流量、古埃及人测量河水流量到现代人对各种工业过程流量的计量，都充分体现了人类智慧的无穷。21世纪以来，随着能源计量、环境保护、交通运输等领域日益增加的流量测量需求，流量计得到广泛应用。尤其是微电子技术的迅速发展，为流量计的制造提供了新技术和新型的元器件，推动了流量计从机械式向智能化、模块化发展。新技术、新器件、新材料、新工艺及新软件的开发应用，使得流量计的测量精度越来越高，流量的测量范围越来越广，同时流量计对测量介质的要求越来降低，适用范围也越来越宽。总而言之，随着社会的发展和技术的进步，流量计的智能化程度及可靠性不断提高。

2. 流量计的分类及原理

根据关键元件工作原理的不同，流量计可大致分为差压式流量计、浮子流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、 涡街流量计、超声流量计、科里奥利流量计、热式流量计等，下面对这些传感器的工作原理和结构特点作简单介绍。

2.1 压差式流量计

压差式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的压差、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。通常以检测件形式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器及流量显示仪表。

压差式流量计的优点是：结构简单，机构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，应用范围广泛；缺点是：测量精度普遍偏低，量程比小（测量范围窄），现场安装条件要求高等。

差压式流量计是一类应用广泛的流量计，在各类流量仪表中其使用量占据地位。近年来，由于各种新型流量计的问世，它的使用量百分数逐渐下降（各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4-1/3），但目前仍是重要的一类流量计。

图1 差压式流量计基本原理

2.2 浮子流量计

浮子流量计又可叫转子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重量是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升或下降。

浮子流量计的优点是：玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便；缺点是：耐压低，玻璃管较易碎等。

浮子流量计适用于小管径、低流速、低精度流体测量。

图2 浮子流量计基本原理

2.3 容积式流量计

容积式流量计，又称定排量流量计，简称PD流量计，在流量仪表中是精度高的一类。它利用机械测量元件把流体不断地分割成当已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体地次数来测量流体体积总量。

容积式流量计按其测量元件，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、原判流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

容积式流量计的优点是：计量精度高，安装管道条件对计量精度没有影响，可用于高黏度液体的测量，范围度宽，直读式仪表无须外部能源即可直接获得累计总量；缺点是：结构复杂、体积庞大，被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大，不适用于高、低温场合，大部分仪表只适用于洁净单相流体，振动噪声较大。

图3 容积式流量计基本原理

2.4 涡轮流量计

涡轮流量计是速度式流量计中的一种，它采用多叶片的涡轮转子感受流体平均速度，推导出流量或总量的仪表。它由传感器和显示仪两部分组成，也可做成整体式。

涡轮流量计优点式：精度较高，重复性好，无零点漂移，抗干扰能力强，范围度宽，结构紧凑；缺点是：不能长期保持校准特性，流体物性对流量特性有较大影响。

涡轮流量计在石油、有机液体、无机液体、液化气、天然气和低温流通的测量上获得广泛应用。

图4 涡轮流量计基本原理

2.5 电磁流量计

电磁流量计以法拉第电磁感应定律测量流速，再利用某种方法测量流通截面液位高度，从而求得流通面积，两者相乘获得流量。电磁流量计具有一系列优良特性，可以解决其它流量计不易解决的问题，如脏污流、腐蚀流的测量。上世纪七八十年代电磁流量计在技术上取得了重大突破，使它成为应用广泛的一类流量计，使用率不断上升。

电磁流量计的优点是：测量通道是段光滑直管，不会阻塞，适用于测量含固体颗粒的液固二相流体，如纸浆、泥浆、污水等；不产生流量检测所造成的压力损失，节能效果好；所测得体积流量实际上不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率变化的明显影响；流量范围大，口径范围宽；可应用于腐蚀性流体；缺点是：不能测量电导率很低的液体，如石油制品；不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体；不能用于较高温度。

电磁流量计应用领域广泛，大口径仪表较多应用于给排水工程；中小口径仪表常用于高要求或难测场合，如钢铁工业高炉风口冷却水控制，造纸工业测量纸浆液和黑液，化学工业的强腐蚀液，有色冶金工业的矿浆；小口径和微小口径仪表常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

图5 电磁流量计基本原理

2.6 涡街流量计

涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体，流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。按频率检出方式可分为应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等。它是年轻的一类流量计，但发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。

涡街流量计的优点是：结构简单牢固，适用流体种类多，精度较高，范围度宽，压损小；缺点是：不适用于低雷诺数测量，需较长直管段，仪表系数较低（与涡轮流量计相比），仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

图6 涡街流量计基本原理

2.7 超声流量计

超声流量计通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用来测量流量。根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属*流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，是近年来发展迅速的一类流量计。

超声流量计的优点是：可做非接触式测量，无流动阻挠测量，无压力损失，可测量非导电性液体；缺点是：传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体，而多普勒法超声流量计只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体，多普勒法超声流量计测量精度不高。

2.8 科里奥利流量计

科里奥利流量计是一种直接而精密地测量流体质量流量的新颖仪表，以结构主体采用两根并排的U形管，让两根管的回弯部分相向微微振动起来，则两侧的直管会跟着振动，即它们会同时靠拢或同时张开，即两根管的振动是同步的，对称的。如果在管子同步振动的同时，将流体导入管内，使之沿管内向前流动，则管子将强迫流体与之一起上下振动。

科里奥利流量计由于本身工作原理的特殊性，具有测量精度高，重复性好，测量范围大，同时也可以测量各种性质的液体流量等优点，被广泛应用于石油、化工、制药等工业领域；但由于科里奥利流量计重量和体积较大、对外界的震动干扰较为敏感等缺点，应用领域有一定的限制。

图7 科里奥利流量计基本原理

2.9 热式流量计

热式流量计最初是由科学家托马斯提出来的，他提出的“气体的吸热量和放热量与该气体的质量流量成正比”的概念奠定了热式流量计理论发展的基础。最初的热式流量计的工作原理是：通过外加热源将传感器的Heater加热到高于环境温度，当有气流通过时，气流的运动会带走Heater上的热量，使得Heater的温度降低，通过测量Heater两侧热分布的变化来推算出所求的气体质量流量，即通过传感器将气流的变化转换为温度的变化。

热式流量计具有精度高、重复性和再现性好、可靠性高等优点，特别适用于微小流量测量。现有的热式流量计主要分为两类，一类是毛细管热式流量计，它在毛细管上缠绕两个线圈，线圈通电流后温度升高，当有气流通过时，上下游线圈之间产生温度差，其缺点是毛细管要求径细、壁薄，且内壁需要抛光，制作复杂，加工难度*。另一类是MEMS热式流量计，它基于MEMS技术，在同一晶圆上制造Heater及其两侧的热敏电阻，当有气流通过时，会导致Heater两侧温度分布发生偏移，进而推出气体流量。相比于毛细管热式流量计，MEMS流量计由于芯片尺寸小，热容小，信噪比高，且不存在毛细管堵塞情况，因此可实现更好的灵敏度、响应速度、量程比和抗污染能力；其缺点是不可全金属密封。

图8 毛细管热式流量计基本原理

图9 MEMS热式流量计基本原理

由于不同流量计的测量原理不同，流量计的用途也不尽相同，至今还没有一种流量计是通用的。每一种流量计总会由于其测量原理的局限，对测量介质种类、测量介质特性和流动变动特性的适应能力以及对环境条件的适应能力等方面原因，而在使用上受到限制。正因为如此，在新型流量计不断出现的同时，一些应用历史已经很长的传统流量计依然得到广泛的应用。

3. 国内流量计市场分析

智研咨询发布的《2021-2027年中国测量气体流量的仪器及装置行业市场全景分析及发展趋势研究报告》显示，随着国内经济的发展，工业产值的稳定增加，能源结构持续调整，国内气体流量计市场需求总体稳定增长，产销规模持续扩大。2020年我国流量计产量达到7191.53万个，其中进口量为887.72万个，出口量增长至612.66万个，国内市场需求量约为7466.59万个。

受国内市场需求与企业生产规模扩大、技术实力提升的影响，我国气体流量计行业总体保持稳定发展态势，行业销售收入稳定扩大，出口金额稳定提升，在测量气体流量的仪器行业的中低端市场中的竞争优势更加显著。2020年我国测量气体流量的仪器及装置市场规模达99.87亿元，其中，石油化工领域64.55亿元，占比64.63%，同比增长6.71%；城市燃气领域9.76亿元，占比9.77%，同比增长9.79%；其他领域25.56亿元，占比25.59%，同比增长3.23%。

气体流量仪行业属于国家重点鼓励发展的技术密集型行业，应用领域广泛，产品品种繁多，从业企业众多，每一大类产品都有包括大型专业跨国公司在内的众多企业进行竞争，行业内缺乏主导地位的企业。国外品牌产品占据中市场，国内企业主要以中低端市场为主。近年来中国经济快速发展，企业面临良好的行业发展机遇，国内企业都加大技术更新和市场拓展力度，发展速度较快。

目前，国内气体流量计行业主要企业有如北京七星华创流量计有限公司、北京精量科技有限公司、陕西易度智能科技有限公司、青岛芯笙微纳电子科技有限公司等。部分国内企业已具备自主研发能力并掌握核心技术，虽然在产品的技术和产品质量上与国外品牌产品仍有较大差距，但国内外品牌的基本型产品的技术水平已比较接近，性能指标也大体相当。