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青島芯笙微納:流量計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

閱讀:2420      發(fā)布時(shí)間:2022-1-18
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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)測量過程中的一個(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。人類對流體的測量具有悠久的歷史,從古羅馬人測量居民用水流量、古埃及人測量河水流量到現(xiàn)代人對各種工業(yè)過程流量的計(jì)量,都充分體現(xiàn)了人類智慧的無窮。21世紀(jì)以來,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)的測量精度越來越高,流量的測量范圍越來越廣,同時(shí)流量計(jì)對測量介質(zhì)的要求越來降低,適用范圍也越來越寬??偠灾?,隨著社會的發(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,下面對這些傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作簡單介紹。

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件產(chǎn)生的壓差、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計(jì)算流量的儀表。差壓式流量計(jì)由一次裝置(檢測件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計(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)簡單,機(jī)構(gòu)牢固,性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長,應(yīng)用范圍廣泛;缺點(diǎn)是:測量精度普遍偏低,量程比?。y量范圍窄),現(xiàn)場安裝條件要求高等。

差壓式流量計(jì)是一類應(yīng)用廣泛的流量計(jì),在各類流量儀表中其使用量占據(jù)地位。近年來,由于各種新型流量計(jì)的問世,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),簡稱PD流量計(jì),在流量儀表中是精度高的一類。它利用機(jī)械測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)來測量流體體積總量。

容積式流量計(jì)按其測量元件,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,安裝管道條件對計(jì)量精度沒有影響,可用于高黏度液體的測量,范圍度寬,直讀式儀表無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、低溫場合,大部分儀表只適用于潔凈單相流體,振動噪聲較大。

 

 

 

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:不能長期保持校準(zhǔn)特性,流體物性對流量特性有較大影響。

渦輪流量計(jì)在石油、有機(jī)液體、無機(jī)液體、液化氣、天然氣和低溫流通的測量上獲得廣泛應(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)定律測量流速,再利用某種方法測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)不易解決的問題,如臟污流、腐蝕流的測量。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:測量通道是段光滑直管,不會阻塞,適用于測量含固體顆粒的液固二相流體,如紙漿、泥漿、污水等;不產(chǎn)生流量檢測所造成的壓力損失,節(jié)能效果好;所測得體積流量實(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:不能測量電導(dǎo)率很低的液體,如石油制品;不能測量氣體、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場合,如鋼鐵工業(yè)高爐風(fēng)口冷卻水控制,造紙工業(yè)測量紙漿液和黑液,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)測量,需較長直管段,儀表系數(shù)較低(與渦輪流量計(jì)相比),儀表在脈動流、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)通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用來測量流量。根據(jù)對信號檢測的原理,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),是適于解決流量測量困難問題的一類流量計(jì),特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn),是近年來發(fā)展迅速的一類流量計(jì)。

超聲流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:可做非接觸式測量,無流動阻撓測量,無壓力損失,可測量非導(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起來,則兩側(cè)的直管會跟著振動,即它們會同時(shí)靠攏或同時(shí)張開,即兩根管的振動是同步的,對稱的。如果在管子同步振動的同時(shí),將流體導(dǎo)入管內(nèi),使之沿管內(nèi)向前流動,則管子將強(qiáng)迫流體與之一起上下振動。

科里奧利流量計(jì)由于本身工作原理的特殊性,具有測量精度高,重復(fù)性好,測量范圍大,同時(shí)也可以測量各種性質(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、對外界的震動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)有氣流通過時(shí),氣流的運(yùn)動會帶走Heater上的熱量,使得Heater的溫度降低,通過測量Heater兩側(cè)熱分布的變化來推算出所求的氣體質(zhì)量流量,即通過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量。現(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)有氣流通過時(shí),會導(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)總會由于其測量原理的局限,對測量介質(zhì)種類、測量介質(zhì)特性和流動變動特性的適應(yīng)能力以及對環(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)很長的傳統(tǒng)流量計(jì)依然得到廣泛的應(yīng)用。

3. 國內(nèi)流量計(jì)市場分析

智研咨詢發(fā)布的《2021-2027年中國測量氣體流量的儀器及裝置行業(yè)市場全景分析及發(fā)展趨勢研究報(bào)告》顯示,隨著國內(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,國內(nèi)氣體流量計(jì)市場需求總體穩(wěn)定增長,產(chǎn)銷規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。2020年我國流量計(jì)產(chǎn)量達(dá)到7191.53萬個(gè),其中進(jìn)口量為887.72萬個(gè),出口量增長至612.66萬個(gè),國內(nèi)市場需求量約為7466.59萬個(gè)。

受國內(nèi)市場需求與企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)實(shí)力提升的影響,我國氣體流量計(jì)行業(yè)總體保持穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢,行業(yè)銷售收入穩(wěn)定擴(kuò)大,出口金額穩(wěn)定提升,在測量氣體流量的儀器行業(yè)的中低端市場中的競爭優(yōu)勢更加顯著。2020年我國測量氣體流量的儀器及裝置市場規(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6.71%;城市燃?xì)忸I(lǐng)域9.76億元,占比9.77%,同比增長9.79%;其他領(lǐng)域25.56億元,占比25.59%,同比增長3.23%。

氣體流量儀行業(yè)屬于國家重點(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)跨國公司在內(nèi)的眾多企業(yè)進(jìn)行競爭,行業(yè)內(nèi)缺乏主導(dǎo)地位的企業(yè)。國外品牌產(chǎn)品占據(jù)中市場,國內(nèi)企業(yè)主要以中低端市場為主。近年來中國經(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,國內(nèi)企業(yè)都加大技術(shù)更新和市場拓展力度,發(fā)展速度較快。

目前,國內(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)量上與國外品牌產(chǎn)品仍有較大差距,但國內(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)。

 

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