層流流量計(jì)（LAMINAR FLOW METER，簡(jiǎn)稱(chēng)LFM），層流流量計(jì)是由層流元件和差壓傳感器組成的一種特殊的差壓式流量計(jì)（如圖1所示），是通過(guò)測(cè)量傳感器兩端的差壓來(lái)測(cè)量流量的儀表。一般層流流量計(jì)用來(lái)測(cè)量微小流量。它的一大優(yōu)點(diǎn)是流量計(jì)送出的差壓信號(hào)△P與體積流量Qv，成正比，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這一優(yōu)點(diǎn)是由層流流量計(jì)內(nèi)運(yùn)動(dòng)流體的流態(tài)，處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這種特殊流態(tài)所形成的。必須注意，層流流量計(jì)必須在層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使用，才能達(dá)到預(yù)期的性能，這也是層流流量計(jì)設(shè)計(jì)制造的一項(xiàng)關(guān)鍵難點(diǎn)。

       如圖1所示，層流流量計(jì)一般具有整流模塊。整流模塊的作用是將湍流、過(guò)渡流等不規(guī)則流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這樣通過(guò)壓差傳感器測(cè)量層流元件兩端的壓差就能得到與體積流量成正比例的壓差信號(hào)。也就是說(shuō)，壓差信號(hào)可以用來(lái)計(jì)算體積流量。

       更加專(zhuān)業(yè)的原理描述是層流氣體的進(jìn)、出口兩端有兩根引壓管，引壓管連通至兩個(gè)壓力測(cè)試孔，壓力測(cè)試孔之間有一個(gè)壓差傳感器，能獲得兩個(gè)孔的壓差。通過(guò)壓差能獲得層流狀態(tài)下氣體的流速，從而得出氣體流量。壓差和氣體的流量趨近于線(xiàn)性相關(guān)（該現(xiàn)象遵守哈根泊肅葉定律）。

       說(shuō)到什么是層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)我們就不得不提到一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，它叫做雷諾實(shí)驗(yàn)。雷諾實(shí)驗(yàn)的基本原理和結(jié)果如圖3所示。雷諾（Osborne Reynolds 1842～1912）是英國(guó)力學(xué)家、物理學(xué)家、工程師。雷諾于1883年進(jìn)行了這項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)，并力求找到流體流動(dòng)由層流狀態(tài)過(guò)渡到湍流狀態(tài)所需的條件。雷諾用滴管在流體內(nèi)注入有色顏料，發(fā)現(xiàn)流速不大時(shí)，管內(nèi)呈現(xiàn)一條條與管壁平行并清晰可見(jiàn)的有色細(xì)絲即脈線(xiàn)，管內(nèi)流體分層流動(dòng)，互不混淆，說(shuō)明管內(nèi)流體處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。         

       若保持管徑不變，增大流速，則脈線(xiàn)變粗，開(kāi)始出現(xiàn)波紋，隨管內(nèi)流速的增加，波紋的數(shù)目和振幅逐漸加大，當(dāng)流速達(dá)到某數(shù)值時(shí)，脈線(xiàn)突然分裂成許多運(yùn)動(dòng)著的小渦旋，繼而很快消失，使整個(gè)管內(nèi)的流體帶上了淡薄的顏色。這說(shuō)明管內(nèi)流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使各部分顏料顆粒相互劇烈摻混，并混亂而均勻地分散到整個(gè)流體之中，導(dǎo)致脈線(xiàn)消失，此時(shí)流體處于湍流狀態(tài)。

       流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在著兩種根本不同的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流體流速較小時(shí)，慣性力較小，粘滯力對(duì)質(zhì)點(diǎn)起控制作用，使各流層的流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，流體呈層流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)流體流速逐漸增大，質(zhì)點(diǎn)慣性力也逐漸增大，粘滯力對(duì)質(zhì)點(diǎn)的控制逐漸減弱。當(dāng)流速達(dá)到一定程度時(shí)，各流層的流體形成渦流并能脫離原流層，流體質(zhì)點(diǎn)即互相混雜，流體呈湍流運(yùn)動(dòng)。這種從層流到湍流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，反應(yīng)了流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)從量變到質(zhì)變的一個(gè)變化過(guò)程。

       流體運(yùn)動(dòng)的層流和湍流兩種型態(tài)，首先由英國(guó)物理學(xué)家雷諾進(jìn)行了定性與定量的實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)研究結(jié)果，提出流體型態(tài)可用下列無(wú)量綱數(shù)來(lái)判斷：

(公式1)

       公式1中就是代表這個(gè)無(wú)量綱數(shù)，我們把它叫做雷諾數(shù)。代表流體的流速,代表流體流過(guò)的管徑，代表流體的粘性力。其中可以看作流體的慣性力，它使得流體的運(yùn)動(dòng)趨向于無(wú)序；而代表流體的粘性力，它使得流體的運(yùn)動(dòng)趨向于有序。那么雷諾數(shù)就是慣性力和粘性力，這兩種力的比值。我們?cè)诠艿懒鲃?dòng)中會(huì)有一些通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而幫助我們判斷流體的流動(dòng)狀態(tài)，如圖4和如圖5。

       流體型態(tài)開(kāi)始變化時(shí)的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。在雷諾實(shí)驗(yàn)裝置中，通過(guò)有色流體的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，可以將兩種流態(tài)的根本區(qū)別清晰地反映出來(lái)。在層流中，有色液體與水互不混摻，呈直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在湍流中，有大小不等的渦流振蕩于各流層之間，有色液體與水混摻。

       這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以幫助研究人員設(shè)計(jì)層流元件，從而使得層流流量計(jì)的性能獲得提升。在這里我們可以看到層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是一種非常有序的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在這樣的流態(tài)下測(cè)量精度會(huì)獲得顯著的提高。同時(shí)由于沒(méi)有湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的“渦流"，測(cè)量值的穩(wěn)定性、重復(fù)性獲得了很大的改善。

       所以如果能夠設(shè)計(jì)一種處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的壓差式流量計(jì)，其性能相較于傳統(tǒng)壓差式流量計(jì)會(huì)獲得顯著的提升。近一百年來(lái)，科學(xué)家和工程師不斷的研究這樣的流量計(jì)，這就是我們今天討論的層流流量計(jì)。

       雷諾實(shí)驗(yàn)還對(duì)不同流態(tài)下，壓差（由粘性流動(dòng)造成的壓力損失，也可以簡(jiǎn)稱(chēng)為壓損）與流速的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的壓損與流速的一次方成正比例關(guān)系。湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的壓損與流速的1.75~2次方成比例關(guān)系。此外中間還有一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，叫做過(guò)渡流動(dòng)狀態(tài)，它的壓損與流速的比例關(guān)系介于層流與湍流之間。

       可以看出，不管是湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是過(guò)渡流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，壓損（通過(guò)測(cè)量壓差獲得）與流速之間都為曲線(xiàn)關(guān)系（只要不是一次關(guān)系，必然在比例關(guān)系圖中呈現(xiàn)曲線(xiàn)）。只有層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，壓損和流速存在一次正比例關(guān)系，即一條直線(xiàn)。

       這就說(shuō)明了，為什么層流壓差式流量計(jì)與傳統(tǒng)壓差式流量計(jì)有明顯的不同。它們雖然都是壓差式流量計(jì)，但它們工作的流體流態(tài)不同。流過(guò)傳統(tǒng)壓差式流量計(jì)的流體處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它的測(cè)量壓差與流量的關(guān)系更加接近于二次曲線(xiàn)。而流過(guò)層流流量計(jì)的流體處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，測(cè)量壓差與流量的關(guān)系趨近于正比例關(guān)系的直線(xiàn)。

       這種原理性的優(yōu)勢(shì)，使得層流流量計(jì)可以克服大多數(shù)傳統(tǒng)壓差式流量計(jì)的缺點(diǎn)，同時(shí)保留了大多數(shù)壓差流量計(jì)共同的優(yōu)點(diǎn)。

       下圖歸納了傳統(tǒng)壓差式流量計(jì)與層流流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比。

       通過(guò)上述對(duì)比分析，可以看出，在中、小、微流量測(cè)量領(lǐng)域，特別是氣體測(cè)量領(lǐng)域，層流流量計(jì)具有極大的優(yōu)勢(shì)。它克服了傳統(tǒng)壓差式流量計(jì)（例如孔板和噴子流量計(jì)）精度不高，測(cè)量范圍窄，不能測(cè)量小微流量，壓損大，安裝條件高等關(guān)鍵缺陷。實(shí)現(xiàn)了高精度，寬量程比，低壓損，安裝方便，特別適用于小微流量測(cè)量等突破性的進(jìn)步。同時(shí)保留了傳統(tǒng)壓差流量計(jì)穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，便于規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，響應(yīng)速度快等現(xiàn)有突出優(yōu)勢(shì)。僅僅增加了不適用于雜質(zhì)和污染物較多的場(chǎng)景，以及不適用于大流量或超大流量的測(cè)量這兩項(xiàng)缺陷?？陀^(guān)來(lái)說(shuō)，層流流量計(jì)是一種小微流量測(cè)量的理想流量計(jì)。

       實(shí)際上，層流流量計(jì)的主要應(yīng)用場(chǎng)景是制造業(yè)的設(shè)備配套與工藝生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)也服務(wù)于科學(xué)和工程研究。在這些應(yīng)用場(chǎng)景里，絕大多數(shù)情況下氣體都是比較干凈的，而流量都屬于中小微流量的范圍。所以，在未來(lái)中國(guó)乃至全球產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)和制造業(yè)不斷蓬勃發(fā)展的過(guò)程中，層流流量計(jì)將成為一種非常適用的選擇。