微小流量测量现状
摘要：传统小流量测量技术节流差压（层流）法、浮子法和容积法等有了卓越的改进，新测量技术如超声法、热法、科里奥利法等也有成效地应用与液体和气体小流量测量。
一、前言
石油、钢铁等流程工业和供水、电力等公用事业的持续发展，流量测量需求不断增长，推动了各种测量原理流量仪表的研究开发。随着为提高效率推向大型化规模生产，流量仪表也经历了一轮向大口径扩展的变革，如电磁流量计口径最大已经达3m，超声流量计已经能用到5∽10m管道。
半导体制造业、生物工程、精细化工等的兴起，使流量测量向低端延伸，小流量计流量的要求在上世纪80∽90年代凸显起来。何谓小流量？业界尚无公认的定义和界限，小流量因应用领域而异是一个模糊的概念。管道小流量测量体现于管径小和流速低两个层次，就流程工业而言，习惯上DN10甚至DN15以下管径流量测量称之小流量测量，通常其流量值液体为1L/min或0.06m³/h以下，流量仪表满度流量时的流速低于0.1m/s。
传统小流量测量技术节流差压（层流）法、浮子法和容积法等有了卓越的改进，新测量技术如超声法、热法、科里奥利法等也有成效地应用与液体和气体小流量测量。
本文就此作扼要评述。
二、微小流量测量特征和仪表类型
小流量、微小流量测量很大程度是在半导体制造业需要的激发下获得发展的，从超净气体到纯水、药液的流量和控制。当代食品医药、精细化工及各行业试验工厂定量加液和混合配比，今后生物产业繁多其应用也促进小流量仪表的研发开发。微小流量与一般流量测量相比较，具有以下特点。
1.雷诺数低
流体是黏性的，流体在管内流动，管中心流速最高，管内壁流速为零。速度分布如图所示，流态分为层流流动和紊流流动。雷诺数Re是一个表征流体惯性力和黏性力比的无量纲参数，Re≤2300为层流。一般管道流动均为紊流流动，流量仪表也是针对紊流流动态设计的，而小流量仪表因管径小常处于层流流动（例如管内径6mm,流量0.05L/min，Re为1800或层流/紊流过渡区流态流动，小流量测量受使用中流体黏度变化影响颇大。）
2.要用实际使用流体校准
液体流量仪表一般用水校准，气体用空气校准。若知道实际测量流体与校准流体间某些物性不同对示值有规律变化时，中大管径流量仪表常以适当系数修正。但有些小流量仪表受黏度等流体物性影响大，须以实际使用流体校准。所幸流量小，用实际使用流体校准难度不大，但在作有害性流体校准时应注意安全和环境污染。
3.要求测量时防止污染流体
若测量洁净气体和纯水常不允许接触流体的仪表零件材料析出离子，例如半导体制备中仪表不能用金属和玻璃制成，只能用塑料。流体中也不允许混入活动件的磨蚀尘粒。流量仪表流通通道要尽可能简单，不应有潴留部位，防止潴留介质变质。
4.气泡和尘埃附着的影响
因管径小黏性增加，液体中微细气泡易在管系流动过程中积聚变大，使测量时指示不稳，精确度下降。流体中尘埃附着测量元件也要影响测量值，例如浮子流量计的浮子上沉积有肉眼觉察不出的附着层也会影响示值。
5.流量仪表品种使用上受到一定限制
在众多测量原理流量仪表中，因各种原因小流量应用受到一些限制，当前能应用于小流量的品种如表格所示。
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三、几种小流量测量仪表
1.差压式
管路中接入差压发生器（节流件），测量其前后产生与流速成比例的压差，以此求取流量。在紊流时差压与流速平方成正比，在层流时与流速成线性关系。小流量测量由层流元件（如瓦楞纸状节流板）组成差压发生器，以保证层流流动，这种差压式仪表也称层流流量计，最小可测流量5mL/min液体。差压变送器内藏喷嘴或孔板也常用作小流量测量，最小可测量15mL/min液体。
本类仪表缺点是测量受黏度影响，并易堵塞，有潴留介质部位，接触介质零部件不能全用塑料，应用局限较多。
2.浮子流量计
它利用浮子在垂直锥形管内随着流量大小上下浮动改变流通面积，以浮子高度测定测量。若锥形度小，浮子密度和被测液体密度接近，满度流量可小至10Ml/min;2mm直径球形浮子仪表最小可大0.16Ml/min。结构简单易制成全塑料仪表，应用于纯水、洁净气体，但只是通过透明锥形管读取流量值，无输出信号作配比等流量控制。
日本曾发表可发信的小流量浮子流量计，称做（Semiflow）流量计，如图所示，浮子延伸下端为永久磁铁7，由磁敏元件10检出其位置。位置与输出信号关系如图所示。接触液体部件均由氟塑料制成。最小规格的满度流量为30mL/min，范围度5:1，测量精度为±6%FS。3.容积式流量计
小流量容积式流量计常见的有圆柱齿轮式和椭圆齿轮式仪表，通过磁性或光电检出齿轮转数，常用于测量石油制品，如动力机耗油量计量、润滑油流量监测，以及各种添加剂注入量控制等。其优点是不受黏度、密度、流速分布影响，可测量高黏度液体；缺点是有活动部件会产生磨损微粒，压损相对较大。齿轮式仪表最小满度流量为4L/min,精确度为±0.5%；椭圆齿轮式仪表最小满度流量为0.1L/min，精确度为±2%，范围度低黏度液体为10:1，中等黏度液体为100:1，高黏度液体则更高。
4.热式流量计
它是在上世纪80年代初半导体制造业需求的推动下得到发展，现仍是其主要使用产业。热式流量计是当前气体小流量测量的主导品种，最小满度流量为5mL/min（标准状态），测量精确度±（1∽2）%FS。
近年市场上已有工业实用型液体热式流量计，如荷兰BronkHiTech公司、美国Brooks公司产品，最小满度流量为0.034g/min，测量精确度+1%FS，响应时间1∽3s。若使用场所不容许加热升温，则可采用帕耳帖效应（PeltierEffect）至冷型热式流量计，（美）Estech公司LF系列仪表满度流量在0.01∽100g/min范围内有9种规格，响应时间2s。
热式流量计测量质量流量，气体仪表通常用空气校准，空气、氮气等温度压力变化不大时（100℃，1Mpa以内），测量值所受影响极小，测量其他气体时用系数换算。若测量混合气体的组分比率变化则要影响量值。
热式流量计只能用于测量洁净流体，微小流量型仪表测量管内径小，仅0.5∽0.8mm甚至0.2mm易堵塞。
5.超声流量计
超声流量计利用声波在顺流方向传播速度增快，逆流方向减慢，同一传播距离就有不同传播时间，测量传播时间差以求取流量，称作传播时间法超声流量计。这种通用设计的仪表用于小管径遇到的问题有：(1)小口径仪表声程长度和所测时间过短，口径小于50mm检测有难度；（2）通常测量的是声程在直径位置上线平均流速，经转换系数K换算成面平均流速，K随雷诺系数而变，如图从层流区转向紊流区K变化甚大，小管径小流量仪表常落在层流转向紊流区的过度区内。小流量超声流量计需另辟途径，趋避这两不利因素。
（1）矩形测量通道
为改善圆形测量通道在直径上测线平均流速转换系数变化大的缺点，设计成矩形测量通道，超声换能器置于矩形短边，如图所示设计例，系数K变化大为缩小，约5%。SMP-10型气体超声流量计即以矩形测量通道，声道布置为对面内壁反射的V法（图所示为Z法），通用管径10、15mm，温度流量为300L/min，测量精确度为2%R。
（2）平面超声换能器发射与流向平行声波
传统超声流量计发射声波与流体流动方向有一夹角，为克服小管径时声程长度不足，传感器设计如图所示延展声程长度。同时平面型超声换能器测量全部流通面积的流速，也没有了转换系数K变化大的缺点，不存在斜声束发射声波折射角受温度引起流体声速变化造成声波传播距离改变的问题。
日本多电子公司微小超声流量计采用本设计，可测液体流量范围10∽200mL/min，精确度±1%FS。家用超声燃气表也是采用这类设计。
（3）环形超声换能器发射与流向平行声波
环形超声换能器的压电晶体直径方向振动发射声波，沿管轴方向传至接收换能器，毋需改变流动方向。本方法也是直接测量流通面积平局流速，几乎不存在层流紊流转变的影响。层流紊流的转变过程的差别仅在2%∽3%之间。
µLF-100型液体超声流量计定型产品管径3∽6mm，若用于1mm内径管，满量程流量为100mL/min，流速0.5∽10m/s范围内的测量精确度为±2%R，重复性±0.2%，流速分辨力为5mm/s。
超声流量计测量液体若含有气泡会使输出大幅跳动，但近年带微处理器的仪表做数学运算后，可防止输出突然偏移这一缺点。
6.科里奥利质量流量计
它的特点是测量值不受流体物性影响，但压力损失较大较多用于液体，也可以用于中高压气体。荷兰BronKhorstHigh-Tech公司Cori-Flow系列仪表有多种规格可测满量程流量范围为3.33g/min∽600kg/h，最小流量0.33g/min，精确度±0.2∽1%R
7.电磁流量计
它的优点是测量通道是无阻扰的直管，无潴留部位。与液体接触的仅是氟塑料内壁测量管和白金等电极，具有良好耐腐蚀性适宜于测各种药液，但不能测低电导率≤-10E6s/cm的纯水、酒精等。若仅从小流量这一视点作比较，电磁流量计不是强项，因为口径小比常用口径仪表小的多，流速不能用得过低，因此最小流量相对较大。小流量电磁流量计常用作注入药液流量控制，如水厂用于原水和凝聚剂间流量配比控制。
ADMAG型微小电磁流量计规范中最小口径，满度流量2.95L/min，此时平均流速10m/s，为管道常用经济流速的5倍，精度为±0.5%R。
