青島芯笙微納電子科技有限公司
2021.12.08
1. 流量計概述
流量是現代工業測量過程中的一個重要參數，也是計量領域尤為重要的計量參量之一。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代人對各種工業過程流量的計量，都充分體現了人類智慧的無窮。21世紀以來，隨著能源計量、環境保護、交通運輸等領域日益增加的流量測量需求，流量計得到廣泛應用。尤其是微電子技術的迅速發展，為流量計的制造提供了新技術和新型的元器件，推動了流量計從機械式向智能化、模塊化發展。新技術、新器件、新材料、新工藝及新軟件的開發應用，使得流量計的測量精度越來越高，流量的測量范圍越來越廣，同時流量計對測量介質的要求越來降低，適用范圍也越來越寬。總而言之，隨著社會的發展和技術的進步，流量計的智能化程度及可靠性不斷提高。
2. 流量計的分類及原理
根據關鍵元件工作原理的不同，流量計可大致分為差壓式流量計、浮子流量計、容積式流量計、渦輪流量計、電磁流量計、 渦街流量計、超聲流量計、科里奧利流量計、熱式流量計等，下面對這些傳感器的工作原理和結構特點作簡單介紹。
2.1 壓差式流量計
壓差式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的壓差、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。差壓式流量計由一次裝置（檢測件）和二次裝置（差壓轉換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類，如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器及流量顯示儀表。
壓差式流量計的優點是：結構簡單，機構牢固，性能穩定可靠，使用壽命長，應用范圍廣泛；缺點是：測量精度普遍偏低，量程比小（測量范圍窄），現場安裝條件要求高等。
差壓式流量計是一類應用廣泛的流量計，在各類流量儀表中其使用量占據地位。近年來，由于各種新型流量計的問世，它的使用量百分數逐漸下降（各工業部門的用量約占流量計全部用量的1/4-1/3），但目前仍是重要的一類流量計。
圖1 差壓式流量計基本原理
2.2 浮子流量計
浮子流量計又可叫轉子流量計，是變面積式流量計的一種，在一根由下向上擴大的垂直錐管中，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自由地上升或下降。
浮子流量計的優點是：玻璃錐管浮子流量計結構簡單，使用方便；缺點是：耐壓低，玻璃管較易碎等。
浮子流量計適用于小管徑、低流速、低精度流體測量。
圖2 浮子流量計基本原理
2.3 容積式流量計
容積式流量計，又稱定排量流量計，簡稱PD流量計，在流量儀表中是精度高的一類。它利用機械測量元件把流體不斷地分割成當已知的體積部分，根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體地次數來測量流體體積總量。
容積式流量計按其測量元件，可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、原判流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。
容積式流量計的優點是：計量精度高，安裝管道條件對計量精度沒有影響，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總量；缺點是：結構復雜、體積龐大，被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大，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 容積式流量計基本原理
2.4 渦輪流量計
渦輪流量計是速度式流量計中的一種，它采用多葉片的渦輪轉子感受流體平均速度，推導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。
渦輪流量計優點式：精度較高，重復性好，無零點漂移，抗干擾能力強，范圍度寬，結構緊湊；缺點是：不能長期保持校準特性，流體物性對流量特性有較大影響。
渦輪流量計在石油、有機液體、無機液體、液化氣、天然氣和低溫流通的測量上獲得廣泛應用。
圖4 渦輪流量計基本原理
2.5 電磁流量計
電磁流量計以法拉第電磁感應定律測量流速，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。電磁流量計具有一系列優良特性，可以解決其它流量計不易解決的問題，如臟污流、腐蝕流的測量。上世紀七八十年代電磁流量計在技術上取得了重大突破，使它成為應用廣泛的一類流量計，使用率不斷上升。
電磁流量計的優點是：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；不產生流量檢測所造成的壓力損失，節能效果好；所測得體積流量實際上不受流體密度、黏度、溫度、壓力和電導率變化的明顯影響；流量范圍大，口徑范圍寬；可應用于腐蝕性流體；缺點是：不能測量電導率很低的液體，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。
電磁流量計應用領域廣泛，大口徑儀表較多應用于給排水工程；中小口徑儀表常用于高要求或難測場合，如鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制，造紙工業測量紙漿液和黑液，化學工業的強腐蝕液，有色冶金工業的礦漿；小口徑和微小口徑儀表常用于醫藥工業、食品工業、生物化學等有衛生要求的場所。
圖5 電磁流量計基本原理
2.6 渦街流量計
渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發生體，流體在發生體兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的游渦的儀表。按頻率檢出方式可分為應力式、應變式、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，但發展迅速，目前已成為通用的一類流量計。
渦街流量計的優點是：結構簡單牢固，適用流體種類多，精度較高，范圍度寬，壓損小；缺點是：不適用于低雷諾數測量，需較長直管段，儀表系數較低（與渦輪流量計相比），儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應用經驗。
圖6 渦街流量計基本原理
2.7 超聲流量計
超聲流量計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。根據對信號檢測的原理，超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、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。超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬*流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，是近年來發展迅速的一類流量計。
超聲流量計的優點是：可做非接觸式測量，無流動阻撓測量，無壓力損失，可測量非導電性液體；缺點是：傳播時間法超聲流量計只能用于清潔液體和氣體，而多普勒法超聲流量計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測量精度不高。
2.8 科里奧利流量計
科里奧利流量計是一種直接而精密地測量流體質量流量的新穎儀表，以結構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，則兩側的直管會跟著振動，即它們會同時靠攏或同時張開，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，將流體導入管內，使之沿管內向前流動，則管子將強迫流體與之一起上下振動。
科里奧利流量計由于本身工作原理的特殊性，具有測量精度高，重復性好，測量范圍大，同時也可以測量各種性質的液體流量等優點，被廣泛應用于石油、化工、制藥等工業領域；但由于科里奧利流量計重量和體積較大、對外界的震動干擾較為敏感等缺點，應用領域有一定的限制。
圖7 科里奧利流量計基本原理
2.9 熱式流量計
熱式流量計最初是由科學家托馬斯提出來的，他提出的“氣體的吸熱量和放熱量與該氣體的質量流量成正比”的概念奠定了熱式流量計理論發展的基礎。最初的熱式流量計的工作原理是：通過外加熱源將傳感器的Heater加熱到高于環境溫度，當有氣流通過時，氣流的運動會帶走Heater上的熱量，使得Heater的溫度降低，通過測量Heater兩側熱分布的變化來推算出所求的氣體質量流量，即通過傳感器將氣流的變化轉換為溫度的變化。
熱式流量計具有精度高、重復性和再現性好、可靠性高等優點，特別適用于微小流量測量。現有的熱式流量計主要分為兩類，一類是毛細管熱式流量計，它在毛細管上纏繞兩個線圈，線圈通電流后溫度升高，當有氣流通過時，上下游線圈之間產生溫度差，其缺點是毛細管要求徑細、壁薄，且內壁需要拋光，制作復雜，加工難度*。另一類是MEMS熱式流量計，它基于MEMS技術，在同一晶圓上制造Heater及其兩側的熱敏電阻，當有氣流通過時，會導致Heater兩側溫度分布發生偏移，進而推出氣體流量。相比于毛細管熱式流量計，MEMS流量計由于芯片尺寸小，熱容小，信噪比高，且不存在毛細管堵塞情況，因此可實現更好的靈敏度、響應速度、量程比和抗污染能力；其缺點是不可全金屬密封。
圖8 毛細管熱式流量計基本原理
圖9 MEMS熱式流量計基本原理
由于不同流量計的測量原理不同，流量計的用途也不盡相同，至今還沒有一種流量計是通用的。每一種流量計總會由于其測量原理的局限，對測量介質種類、測量介質特性和流動變動特性的適應能力以及對環境條件的適應能力等方面原因，而在使用上受到限制。正因為如此，在新型流量計不斷出現的同時，一些應用歷史已經很長的傳統流量計依然得到廣泛的應用。
3. 國內流量計市場分析
智研咨詢發布的《2021-2027年中國測量氣體流量的儀器及裝置行業市場全景分析及發展趨勢研究報告》顯示，隨著國內經濟的發展，工業產值的穩定增加，能源結構持續調整，國內氣體流量計市場需求總體穩定增長，產銷規模持續擴大。2020年我國流量計產量達到7191.53萬個，其中進口量為887.72萬個，出口量增長至612.66萬個，國內市場需求量約為7466.59萬個。
受國內市場需求與企業生產規模擴大、技術實力提升的影響，我國氣體流量計行業總體保持穩定發展態勢，行業銷售收入穩定擴大，出口金額穩定提升，在測量氣體流量的儀器行業的中低端市場中的競爭優勢更加顯著。2020年我國測量氣體流量的儀器及裝置市場規模達99.87億元，其中，石油化工領域64.55億元，占比64.63%，同比增長6.71%；城市燃氣領域9.76億元，占比9.77%，同比增長9.79%；其他領域25.56億元，占比25.59%，同比增長3.23%。
氣體流量儀行業屬于國家重點鼓勵發展的技術密集型行業，應用領域廣泛，產品品種繁多，從業企業眾多，每一大類產品都有包括大型專業跨國公司在內的眾多企業進行競爭，行業內缺乏主導地位的企業。國外品牌產品占據中市場，國內企業主要以中低端市場為主。近年來中國經濟快速發展，企業面臨良好的行業發展機遇，國內企業都加大技術更新和市場拓展力度，發展速度較快。
目前，國內氣體流量計行業主要企業有如北京七星華創流量計有限公司、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。部分國內企業已具備自主研發能力并掌握核心技術，雖然在產品的技術和產品質量上與國外品牌產品仍有較大差距，但國內外品牌的基本型產品的技術水平已比較接近，性能指標也大體相當。
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