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青島芯笙微納電子科技有限公司

2021.12.08

1. 流量計(jì)概述

流量是現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，也是計(jì)量領(lǐng)域尤為重要的計(jì)量參量之一。人類對(duì)流體的測(cè)量具有悠久的歷史，從古羅馬人測(cè)量居民用水流量、古埃及人測(cè)量河水流量到現(xiàn)代人對(duì)各種工業(yè)過(guò)程流量的計(jì)量，都充分體現(xiàn)了人類智慧的無(wú)窮。21世紀(jì)以來(lái)，隨著能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域日益增加的流量測(cè)量需求，流量計(jì)得到廣泛應(yīng)用。尤其是微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，為流量計(jì)的制造提供了新技術(shù)和新型的元器件，推動(dòng)了流量計(jì)從機(jī)械式向智能化、模塊化發(fā)展。新技術(shù)、新器件、新材料、新工藝及新軟件的開發(fā)應(yīng)用，使得流量計(jì)的測(cè)量精度越來(lái)越高，流量的測(cè)量范圍越來(lái)越廣，同時(shí)流量計(jì)對(duì)測(cè)量介質(zhì)的要求越來(lái)降低，適用范圍也越來(lái)越寬?？偠灾S著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，流量計(jì)的智能化程度及可靠性不斷提高。

2. 流量計(jì)的分類及原理

根據(jù)關(guān)鍵元件工作原理的不同，流量計(jì)可大致分為差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、 渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)、科里奧利流量計(jì)、熱式流量計(jì)等，下面對(duì)這些傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作簡(jiǎn)單介紹。

2.1 壓差式流量計(jì)

壓差式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的壓差、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來(lái)計(jì)算流量的儀表。差壓式流量計(jì)由一次裝置（檢測(cè)件）和二次裝置（差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測(cè)件形式對(duì)差壓式流量計(jì)分類，如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器及流量顯示儀表。

壓差式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣泛；缺點(diǎn)是：測(cè)量精度普遍偏低，量程比?。y(cè)量范圍窄），現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求高等。

差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用廣泛的流量計(jì)，在各類流量?jī)x表中其使用量占據(jù)地位。近年來(lái)，由于各種新型流量計(jì)的問(wèn)世，它的使用量百分?jǐn)?shù)逐漸下降（各工業(yè)部門的用量約占流量計(jì)全部用量的1/4-1/3），但目前仍是重要的一類流量計(jì)。

圖1 差壓式流量計(jì)基本原理

2.2 浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)又可叫轉(zhuǎn)子流量計(jì)，是變面積式流量計(jì)的一種，在一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重量是由液體動(dòng)力承受的，從而使浮子可以在錐管內(nèi)自由地上升或下降。

浮子流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：玻璃錐管浮子流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；缺點(diǎn)是：耐壓低，玻璃管較易碎等。

浮子流量計(jì)適用于小管徑、低流速、低精度流體測(cè)量。

圖2 浮子流量計(jì)基本原理

2.3 容積式流量計(jì)

容積式流量計(jì)，又稱定排量流量計(jì)，簡(jiǎn)稱PD流量計(jì)，在流量?jī)x表中是精度高的一類。它利用機(jī)械測(cè)量元件把流體不斷地分割成當(dāng)已知的體積部分，根據(jù)測(cè)量室逐次重復(fù)地充滿和排放該體積部分流體地次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量。

容積式流量計(jì)按其測(cè)量元件，可分為橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、往復(fù)活塞流量計(jì)、原判流量計(jì)、液封轉(zhuǎn)筒式流量計(jì)、濕式氣量計(jì)及膜式氣量計(jì)等。

容積式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：計(jì)量精度高，安裝管道條件對(duì)計(jì)量精度沒有影響，可用于高黏度液體的測(cè)量，范圍度寬，直讀式儀表無(wú)須外部能源即可直接獲得累計(jì)總量；缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，被測(cè)介質(zhì)種類、口徑、介質(zhì)工作狀態(tài)局限性較大，不適用于高、低溫場(chǎng)合，大部分儀表只適用于潔凈單相流體，振動(dòng)噪聲較大。

圖3 容積式流量計(jì)基本原理

2.4 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)是速度式流量計(jì)中的一種，它采用多葉片的渦輪轉(zhuǎn)子感受流體平均速度，推導(dǎo)出流量或總量的儀表。它由傳感器和顯示儀兩部分組成，也可做成整體式。

渦輪流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)式：精度較高，重復(fù)性好，無(wú)零點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)，范圍度寬，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)是：不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性，流體物性對(duì)流量特性有較大影響。

渦輪流量計(jì)在石油、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液體、液化氣、天然氣和低溫流通的測(cè)量上獲得廣泛應(yīng)用。

圖4 渦輪流量計(jì)基本原理

2.5 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)以法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量流速，再利用某種方法測(cè)量流通截面液位高度，從而求得流通面積，兩者相乘獲得流量。電磁流量計(jì)具有一系列優(yōu)良特性，可以解決其它流量計(jì)不易解決的問(wèn)題，如臟污流、腐蝕流的測(cè)量。上世紀(jì)七八十年代電磁流量計(jì)在技術(shù)上取得了重大突破，使它成為應(yīng)用廣泛的一類流量計(jì)，使用率不斷上升。

電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量通道是段光滑直管，不會(huì)阻塞，適用于測(cè)量含固體顆粒的液固二相流體，如紙漿、泥漿、污水等；不產(chǎn)生流量檢測(cè)所造成的壓力損失，節(jié)能效果好；所測(cè)得體積流量實(shí)際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導(dǎo)率變化的明顯影響；流量范圍大，口徑范圍寬；可應(yīng)用于腐蝕性流體；缺點(diǎn)是：不能測(cè)量電導(dǎo)率很低的液體，如石油制品；不能測(cè)量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；不能用于較高溫度。

電磁流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，大口徑儀表較多應(yīng)用于給排水工程；中小口徑儀表常用于高要求或難測(cè)場(chǎng)合，如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制，造紙工業(yè)測(cè)量紙漿液和黑液，化學(xué)工業(yè)的強(qiáng)腐蝕液，有色冶金工業(yè)的礦漿；小口徑和微小口徑儀表常用于醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、生物化學(xué)等有衛(wèi)生要求的場(chǎng)所。

圖5 電磁流量計(jì)基本原理

2.6 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是在流體中安放一根非流線型游渦發(fā)生體，流體在發(fā)生體兩側(cè)交替地分離釋放出兩串規(guī)則地交錯(cuò)排列的游渦的儀表。按頻率檢出方式可分為應(yīng)力式、應(yīng)變式、電容式、熱敏式、振動(dòng)體式、光電式及超聲式等。它是年輕的一類流量計(jì)，但發(fā)展迅速，目前已成為通用的一類流量計(jì)。

渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，適用流體種類多，精度較高，范圍度寬，壓損??；缺點(diǎn)是：不適用于低雷諾數(shù)測(cè)量，需較長(zhǎng)直管段，儀表系數(shù)較低（與渦輪流量計(jì)相比），儀表在脈動(dòng)流、多相流中尚缺乏應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

圖6 渦街流量計(jì)基本原理

2.7 超聲流量計(jì)

超聲流量計(jì)通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用來(lái)測(cè)量流量。根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、空間濾法及噪聲法等。超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬*流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類流量計(jì)，特別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)發(fā)展迅速的一類流量計(jì)。

超聲流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：可做非接觸式測(cè)量，無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)壓力損失，可測(cè)量非導(dǎo)電性液體；缺點(diǎn)是：傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)只能用于清潔液體和氣體，而多普勒法超聲流量計(jì)只能用于測(cè)量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體，多普勒法超聲流量計(jì)測(cè)量精度不高。

2.8 科里奧利流量計(jì)

科里奧利流量計(jì)是一種直接而精密地測(cè)量流體質(zhì)量流量的新穎儀表，以結(jié)構(gòu)主體采用兩根并排的U形管，讓兩根管的回彎部分相向微微振動(dòng)起來(lái)，則兩側(cè)的直管會(huì)跟著振動(dòng)，即它們會(huì)同時(shí)靠攏或同時(shí)張開，即兩根管的振動(dòng)是同步的，對(duì)稱的。如果在管子同步振動(dòng)的同時(shí)，將流體導(dǎo)入管內(nèi)，使之沿管內(nèi)向前流動(dòng)，則管子將強(qiáng)迫流體與之一起上下振動(dòng)。

科里奧利流量計(jì)由于本身工作原理的特殊性，具有測(cè)量精度高，重復(fù)性好，測(cè)量范圍大，同時(shí)也可以測(cè)量各種性質(zhì)的液體流量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥等工業(yè)領(lǐng)域；但由于科里奧利流量計(jì)重量和體積較大、對(duì)外界的震動(dòng)干擾較為敏感等缺點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域有一定的限制。

圖7 科里奧利流量計(jì)基本原理

2.9 熱式流量計(jì)

熱式流量計(jì)最初是由科學(xué)家托馬斯提出來(lái)的，他提出的“氣體的吸熱量和放熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”的概念奠定了熱式流量計(jì)理論發(fā)展的基礎(chǔ)。最初的熱式流量計(jì)的工作原理是：通過(guò)外加熱源將傳感器的Heater加熱到高于環(huán)境溫度，當(dāng)有氣流通過(guò)時(shí)，氣流的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶走Heater上的熱量，使得Heater的溫度降低，通過(guò)測(cè)量Heater兩側(cè)熱分布的變化來(lái)推算出所求的氣體質(zhì)量流量，即通過(guò)傳感器將氣流的變化轉(zhuǎn)換為溫度的變化。

熱式流量計(jì)具有精度高、重復(fù)性和再現(xiàn)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微小流量測(cè)量?，F(xiàn)有的熱式流量計(jì)主要分為兩類，一類是毛細(xì)管熱式流量計(jì)，它在毛細(xì)管上纏繞兩個(gè)線圈，線圈通電流后溫度升高，當(dāng)有氣流通過(guò)時(shí)，上下游線圈之間產(chǎn)生溫度差，其缺點(diǎn)是毛細(xì)管要求徑細(xì)、壁薄，且內(nèi)壁需要拋光，制作復(fù)雜，加工難度*。另一類是MEMS熱式流量計(jì)，它基于MEMS技術(shù)，在同一晶圓上制造Heater及其兩側(cè)的熱敏電阻，當(dāng)有氣流通過(guò)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致Heater兩側(cè)溫度分布發(fā)生偏移，進(jìn)而推出氣體流量。相比于毛細(xì)管熱式流量計(jì)，MEMS流量計(jì)由于芯片尺寸小，熱容小，信噪比高，且不存在毛細(xì)管堵塞情況，因此可實(shí)現(xiàn)更好的靈敏度、響應(yīng)速度、量程比和抗污染能力；其缺點(diǎn)是不可全金屬密封。

圖8 毛細(xì)管熱式流量計(jì)基本原理

圖9 MEMS熱式流量計(jì)基本原理

由于不同流量計(jì)的測(cè)量原理不同，流量計(jì)的用途也不盡相同，至今還沒有一種流量計(jì)是通用的。每一種流量計(jì)總會(huì)由于其測(cè)量原理的局限，對(duì)測(cè)量介質(zhì)種類、測(cè)量介質(zhì)特性和流動(dòng)變動(dòng)特性的適應(yīng)能力以及對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)能力等方面原因，而在使用上受到限制。正因?yàn)槿绱耍谛滦土髁坑?jì)不斷出現(xiàn)的同時(shí)，一些應(yīng)用歷史已經(jīng)很長(zhǎng)的傳統(tǒng)流量計(jì)依然得到廣泛的應(yīng)用。

3. 國(guó)內(nèi)流量計(jì)市場(chǎng)分析

智研咨詢發(fā)布的《2021-2027年中國(guó)測(cè)量氣體流量的儀器及裝置行業(yè)市場(chǎng)全景分析及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告》顯示，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)產(chǎn)值的穩(wěn)定增加，能源結(jié)構(gòu)持續(xù)調(diào)整，國(guó)內(nèi)氣體流量計(jì)市場(chǎng)需求總體穩(wěn)定增長(zhǎng)，產(chǎn)銷規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。2020年我國(guó)流量計(jì)產(chǎn)量達(dá)到7191.53萬(wàn)個(gè)，其中進(jìn)口量為887.72萬(wàn)個(gè)，出口量增長(zhǎng)至612.66萬(wàn)個(gè)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量約為7466.59萬(wàn)個(gè)。

受國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求與企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)實(shí)力提升的影響，我國(guó)氣體流量計(jì)行業(yè)總體保持穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢(shì)，行業(yè)銷售收入穩(wěn)定擴(kuò)大，出口金額穩(wěn)定提升，在測(cè)量氣體流量的儀器行業(yè)的中低端市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更加顯著。2020年我國(guó)測(cè)量氣體流量的儀器及裝置市場(chǎng)規(guī)模達(dá)99.87億元，其中，石油化工領(lǐng)域64.55億元，占比64.63%，同比增長(zhǎng)6.71%；城市燃?xì)忸I(lǐng)域9.76億元，占比9.77%，同比增長(zhǎng)9.79%；其他領(lǐng)域25.56億元，占比25.59%，同比增長(zhǎng)3.23%。

氣體流量?jī)x行業(yè)屬于國(guó)家重點(diǎn)鼓勵(lì)發(fā)展的技術(shù)密集型行業(yè)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，產(chǎn)品品種繁多，從業(yè)企業(yè)眾多，每一大類產(chǎn)品都有包括大型專業(yè)跨國(guó)公司在內(nèi)的眾多企業(yè)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，行業(yè)內(nèi)缺乏主導(dǎo)地位的企業(yè)。國(guó)外品牌產(chǎn)品占據(jù)中市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)主要以中低端市場(chǎng)為主。近年來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，企業(yè)面臨良好的行業(yè)發(fā)展機(jī)遇，國(guó)內(nèi)企業(yè)都加大技術(shù)更新和市場(chǎng)拓展力度，發(fā)展速度較快。

目前，國(guó)內(nèi)氣體流量計(jì)行業(yè)主要企業(yè)有如北京七星華創(chuàng)流量計(jì)有限公司、北京精量科技有限公司、陜西易度智能科技有限公司、青島芯笙微納電子科技有限公司等。部分國(guó)內(nèi)企業(yè)已具備自主研發(fā)能力并掌握核心技術(shù)，雖然在產(chǎn)品的技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量上與國(guó)外品牌產(chǎn)品仍有較大差距，但國(guó)內(nèi)外品牌的基本型產(chǎn)品的技術(shù)水平已比較接近，性能指標(biāo)也大體相當(dāng)。