层流原理与热式原理气体质量流量计/控制器性能及应用对比（四）

       层流流量计（LAMINAR FLOW METER，简称LFM），层流流量计是由层流元件和差压传感器组成的一种特殊的差压式流量计（如图1所示），是通过测量传感器两端的差压来测量流量的仪表。一般层流流量计用来测量微小流量。它的一大优点是流量计送出的差压信号△P与体积流量Qv，成正比，且结构简单。这一优点是由层流流量计内运动流体的流态，处于层流运动状态这种特殊流态所形成的。必须注意，层流流量计必须在层流运动状态下使用，才能达到预期的性能，这也是层流流量计设计制造的一项关键难点。

       如图1所示，层流流量计一般具有整流模块。整流模块的作用是将湍流、过渡流等不规则流动状态转化为层流运动状态。这样通过压差传感器测量层流元件两端的压差就能得到与体积流量成正比例的压差信号。也就是说，压差信号可以用来计算体积流量。

       更加专业的原理描述是层流气体的进、出口两端有两根引压管，引压管连通至两个压力测试孔，压力测试孔之间有一个压差传感器，能获得两个孔的压差。通过压差能获得层流状态下气体的流速，从而得出气体流量。压差和气体的流量趋近于线性相关（该现象遵守哈根泊肃叶定律）。

       说到什么是层流运动状态我们就不得不提到一个经典的实验，它叫做雷诺实验。雷诺实验的基本原理和结果如图3所示。雷诺（Osborne Reynolds 1842～1912）是英国力学家、物理学家、工程师。雷诺于1883年进行了这项著名的实验，并力求找到流体流动由层流状态过渡到湍流状态所需的条件。雷诺用滴管在流体内注入有色颜料，发现流速不大时，管内呈现一条条与管壁平行并清晰可见的有色细丝即脉线，管内流体分层流动，互不混淆，说明管内流体处于层流运动状态。         

       若保持管径不变，增大流速，则脉线变粗，开始出现波纹，随管内流速的增加，波纹的数目和振幅逐渐加大，当流速达到某数值时，脉线突然分裂成许多运动着的小涡旋，继而很快消失，使整个管内的流体带上了淡薄的颜色。这说明管内流体的不规则运动，使各部分颜料颗粒相互剧烈掺混，并混乱而均匀地分散到整个流体之中，导致脉线消失，此时流体处于湍流状态。

       流体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当流体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质点起控制作用，使各流层的流体质点互不混杂，流体呈层流运动。当流体流速逐渐增大，质点惯性力也逐渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱。当流速达到一定程度时，各流层的流体形成涡流并能脱离原流层，流体质点即互相混杂，流体呈湍流运动。这种从层流到湍流的运动状态，反应了流体内部结构从量变到质变的一个变化过程。

       流体运动的层流和湍流两种型态，首先由英国物理学家雷诺进行了定性与定量的实验，并根据研究结果，提出流体型态可用下列无量纲数来判断：

(公式1)

       公式1中就是代表这个无量纲数，我们把它叫做雷诺数。代表流体的流速,代表流体流过的管径，代表流体的粘性力。其中可以看作流体的惯性力，它使得流体的运动趋向于无序；而代表流体的粘性力，它使得流体的运动趋向于有序。那么雷诺数就是惯性力和粘性力，这两种力的比值。我们在管道流动中会有一些通过实验获得的经验数据，从而帮助我们判断流体的流动状态，如图4和如图5。

       流体型态开始变化时的雷诺数叫做临界雷诺数。在雷诺实验装置中，通过有色流体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流中，有色液体与水互不混掺，呈直线运动状态，在湍流中，有大小不等的涡流振荡于各流层之间，有色液体与水混掺。

       这些实验数据可以帮助研究人员设计层流元件，从而使得层流流量计的性能获得提升。在这里我们可以看到层流运动状态是一种非常有序的运动状态，在这样的流态下测量精度会获得显著的提高。同时由于没有湍流运动状态的“涡流”，测量值的稳定性、重复性获得了很大的改善。

       所以如果能够设计一种处于层流运动状态的压差式流量计，其性能相较于传统压差式流量计会获得显著的提升。近一百年来，科学家和工程师不断的研究这样的流量计，这就是我们今天讨论的层流流量计。

       雷诺实验还对不同流态下，压差（由粘性流动造成的压力损失，也可以简称为压损）与流速的关系进行了测量。实验结果表明层流运动状态的压损与流速的一次方成正比例关系。湍流运动状态的压损与流速的1.75~2次方成比例关系。此外中间还有一个过渡区域，叫做过渡流动状态，它的压损与流速的比例关系介于层流与湍流之间。

       可以看出，不管是湍流运动状态还是过渡流运动状态，压损（通过测量压差获得）与流速之间都为曲线关系（只要不是一次关系，必然在比例关系图中呈现曲线）。只有层流运动状态下，压损和流速存在一次正比例关系，即一条直线。

       这就说明了，为什么层流压差式流量计与传统压差式流量计有明显的不同。它们虽然都是压差式流量计，但它们工作的流体流态不同。流过传统压差式流量计的流体处于湍流运动状态，它的测量压差与流量的关系更加接近于二次曲线。而流过层流流量计的流体处于层流运动状态，测量压差与流量的关系趋近于正比例关系的直线。

       这种原理性的优势，使得层流流量计可以克服大多数传统压差式流量计的缺点，同时保留了大多数压差流量计共同的优点。

       下图归纳了传统压差式流量计与层流流量计的优缺点对比。

       通过上述对比分析，可以看出，在中、小、微流量测量领域，特别是气体测量领域，层流流量计具有极大的优势。它克服了传统压差式流量计（例如孔板和喷子流量计）精度不高，测量范围窄，不能测量小微流量，压损大，安装条件高等关键缺陷。实现了高精度，宽量程比，低压损，安装方便，特别适用于小微流量测量等突破性的进步。同时保留了传统压差流量计稳定可靠，使用寿命长，便于规模经济生产，响应速度快等现有突出优势。仅仅增加了不适用于杂质和污染物较多的场景，以及不适用于大流量或超大流量的测量这两项缺陷。客观来说，层流流量计是一种小微流量测量的理想流量计。

       实际上，层流流量计的主要应用场景是制造业的设备配套与工艺生产现场，同时也服务于科学和工程研究。在这些应用场景里，绝大多数情况下气体都是比较干净的，而流量都属于中小微流量的范围。所以，在未来中国乃至全球产业链升级和制造业不断蓬勃发展的过程中，层流流量计将成为一种非常适用的选择。