1 引言
为提高效率，流程工业和公用事业向大型化、规模化发展，流量仪表也经历了一轮向大口径拓展（如电磁流量计口径已达3.4m，超声流量计应用大于5m）的过程，与此同时精细化工、生物医药工程、半导体制造业的兴起，也使流量测量向低端延伸，小流量、微小流量的需求在20世纪80～90年代凸显起来；此外，实验室包括环保分析仪器配套的微小流量测试和医疗保健微小流量监控也有相当的增加。
何谓小流量微小流量？业界尚无公认定义和界限，因应用领域而异是一个模糊的概念。管道小流量测量体现在流速低和管径小两个层次，就流程工业而言习惯称DN10（也有称DN6或DN15）以下管径测量为小流量测量。从现在市场所见小流量仪表测量液体时流量范围通常认为在1L/min或0.06m3/h以下，满度流量流速低于0.1m/s；进一步细分为微小流量则流量范围在10mL/min以下。小流量、微流量测量在流程制造工业首先发展于半导体制造业，解决其所需超净气体、纯水、药液等的测量，其后用于精细化工、医药、生物工程等专业实验装置流量监控、定量配比加液等场所。微小流量测量仪表具有以下一些特点：
a）仪表运行时常处于低雷诺数区，使节流差压式、浮子式等仪表在仪表系数非“常量”区运行；在测量范围内流态处于从层流—层流/紊流过渡—紊流间的转变，使传统结构设计的超声流量计系数变化过大[122]。
b）要用实际使用流体校准。液体流量仪表一般用水校准，气体用空气校准，若已知实际使用流体与校准时的流体间某物性不同对示值是有规律变化的，在中大管径仪表常以适当系数修正，但对某些小流量仪表受黏度等物性影响大，必须以实际使用流体校准。
c）大部分微小流量仪表只适用于测量洁净流体，要防止仪表污染流体。有些测量介质是洁净气体和纯水，还有接触流体的仪表零件材料不允许析出离子的要求，不能用金属或玻璃制成，只能用塑料；流体中不允许混入活动件的磨耗尘埃；仪表通道要尽可能简单，不应有滞留部位，以防滞留介质变质。
d）易受气泡或尘埃附着的影响。因管径小液体中微细气泡易在管系流动中积聚变大，使测量指示不稳，准确度下降；流体中尘埃积聚附着测量元件或通道也要影响测量值。
e）品种受到一定限制。在众多测量原理的流量计品种中，不少品种在小流量应用上受到一些限制，当前能应用于小流量测量的品种如表1所列。
2 代表性品种型号
市场上已投入多种型号微小流量仪表，表2汇集21种代表性仪表的流量范围、准度、工况条件、特征等性能和生产企业，图1是各型号最小规格的流量范围以资比较，其线号即表2中序号。
列举10类品种仪表中，差压式、浮子式、容积式、叶轮式、示踪式属传统原理流量仪表，电磁式、涡街式、超声式、热式、科里奥利式属新测量原理型仪表。新型微小流量仪表解决了传统仪表的局限性，拓展了下限流量，可延伸3～4个数量级，扩大了应用领域，原应用传统仪表的许多场所亦被新型仪表所代替。
各品种微小流量仪表大部分是在原企业常用口径规格基础上向下延伸发展，如奥巴尔公司的椭圆齿轮容积式和科里奥利质量式，カイジヨ}公司的超声流量计。但某些企业开始创业即专致研发微小流量仪表，如Bronkhorst的热式流量计；Digmesa也是专致于研发生产多品种微小流量仪表的企业，除表2列出叶轮式外还有容积式（腰轮容积式）、超声式（全塑料直通式）[12]。国内也有这样的个案，例如北京七星华创电子公司流量计分公司是原北京建中机器厂为本企业半导体制造设备配套开发热式流量计而建立发展的。
3 应用和特点
3.1 应用领域和用途
微小流量仪表应用于流程工业，实验室和医疗事业3大领域。
流程工业微小流量仪表的用途与常用口径相似，分为：流量监测；流量控制（包括管线流量控制，管线配比控制和容器定量进料逻辑控制）；交接总量计量（包括管线总量计量和瓶/罐灌装计量）。适用于流量监测和控制的仪表品种有差压式、浮子式、容积式、叶轮式、电磁式、涡街式、超声式、热式、科里奥利式，适用于交接计量的品种有容积式、电磁式、科里奥利式。
实验室应用微小流量仪表的下限流量范围比流程工业和医疗事业所用者更低，其用途分为：a）实验流程模型试验；b）机械量几何尺寸测量；c）动力机效率测试台架流量测量；d）实验室分析仪器、环保仪器气体采集配套仪表，生物工程等其他测试。a）和c）两类用途常用品种有容积式（转轮、活塞）、电磁式、涡街式、超声式、热式、科里奥利式；b）类适用的品种有热式；d）类适用的品种有浮子式、热式以及示踪式和翻斗（容积）式。
医疗事业应用的微小流量用途有病人呼吸监护、麻醉气吸入量监测和医疗研究（如动物、人体血液流动测量）。适用于病人呼吸监测的仪表有浮子式和热式，医疗研究常用仪表除浮子式和热式外还有电磁式和超声式。以前还有容积式（如腰轮流量计测量肺活量），现在已被新型仪表所代替。
3.2 应用和特点
3.2.1 差压式
表2序号1列举的层流流量计是由层流差压发生器（如瓦楞纸板状层流阻流件）和差压变送器组成，其体积流量公式中流量与差压呈正比线性关系，但必须保持流体黏度是常量不变，若液体黏度受流体温度变化而改变，则关系式中引入第二变量而影响准确度，应用上受到限制。以前还有差压变送器内藏节流小孔板（或喷嘴）组成的仪表。差压式仪表已渐被代替。
3.2.2 浮子式
浮子式微小流量计有直读的透明锥形管式和有信号输出的不透明锥形管式。表2序号2列举的是有信号输出的仪表，流量范围较大；透明锥形管式仪表最小规格满度流量液体为4mL/min，气体为60mL/min。浮子式微小流量仪表运行在流量基本公式中的仪表系数处于与雷诺数关系线的非常量区（低雷诺数区），受流体黏度变化影响很大，例如所测水在室温范围内变化1℃引起流量值变化高达1%。因此要求较高的测量场所亦被热式流量计等新型仪表代替。
在流程工业还有用作管线流量配比；在医疗事业用于要求不高的监护病人吸气量；实验室应用主要为分析仪器、环保仪器气体采集配套。
3.2.3 容积式
容积式微小流量仪表用得最多的是转轮、活塞结构设计，优点是其体积流量不受流体密度、黏度影响，缺点是有活动测量件，所产生磨耗粉粒污染流体，压损相对较大。测量范围在列举代表性仪表中流量范围偏高，但因其可测量黏性液体（见表2序号4），在微小流量仪表中仍占有重要地位。
容积式微小流量仪表在流程工业和实验室常用于测量石油制品，例如润滑油流量监测和控制，动力机耗油量流量测试或总量计量，配比控制各种添加剂注入量，对于低黏度液体（如汽油、苯等）因测量室和活动件间隙缝泄漏量增加而不能使用。容积式中翻斗式计量仪表（见表2序号20）则是实验室专用气体仪表。
3.2.4 叶轮式、电磁式、涡街式
这三种微小流量仪表由于原理上的局限性（叶轮式需要一定叶轮推动力和克服轴承摩擦阻力；电磁式因电极间距离短和流速低，产生电磁感应电势过低；涡街式亦因口径小流速低达不到产生旋涡列所需雷诺数），流量范围亦偏高。这三类品种在微小流量仪表中仅从流量小、流速低考察不是强项，只是为适应某些特殊使用要求而开发的。例如叶轮式、涡街式研发的目标是为测量不能与金属构件接触的超纯水、纯液；电磁式适用于强腐蚀性和含有微粒的液体，有专门设计为交接计量用于饮料食品等定量灌装瓶罐，在医学研究方面有专门设计测量动物、人体血液的仪表。
3.2.5 超声式
通用中大口径传播时间法结构设计用到小口径仪表时：a）因声程长度和所测时间过短而检测困难；b）所测声程通过管中心线斜线的平均流速转换到体平均流速的转换系数，在低流速区变化过大（从层流变到紊流系数变化近25%），微小流量超声流量计改进流通通道形状或通道途径，以克服这些障碍。例如：在直管外夹装环形换能器以增加声程长度，并使所测流速接近平均流速；流通截面形状从圆形改为矩形，减小转换系数变化值；采用Π形（或称π形）、（或称Z形）流通途径和平行面换能器收发声波，以增加声程长度和减小转换系数变化值。改进的原理和结构说明本文不再赘述[1-2]。
3.2.6 热式
热式微小流量仪表始于20世纪50年代中期宇航员吸氧监测，首先转入民用半导体制造业测量洁净气体，在其旺盛需求刺激下发展很快，拓展到其他工业，然后进入医疗事业。初期以气体为主，十余年前才在市场上出现应用于液体的商品。热式仪表是微小流量测量的强项，下限流量范围比容积式、超声式等低2～4个数量级。
在流程工业常应用于精细化工、生物工程、医药食品、石油石化等实验装置测量和控制气体/液体微小流量；在半导体制造业用于扩散、外延等离子刻蚀、溅射等工艺流程，测量/控制超净或腐蚀有害气体流量。在其他工业应用如测量氢冷发电机氢气补给量，热处理保护气/渗碳气充气量。用于液体作加药液系统中定流量配比控制，液化气注入过程流量测量和控制，测量高压丙烷、丁烷、液氯、CO2等液态气体。液体热式仪表由于设计原理上加热液体温升不高，更采用负加热型帕耳帖效应（Peltiereffect）电子冷却元件还冷却液体，十分适合测量液化石油气和易气化液体。
在实验室常用作分析仪器（气体色谱仪、热导分析仪、红外分析仪等）和尘埃粒子计数器等环境保护仪器气体采样或在现场空气采集的配套仪表，原来这些场所用浮子流量计，现在要求较高者均用热式仪表代替。热式气体仪表还用于机械构件密封性测试和尺寸精密测量，例如阀门等气密性质量指标的气体泄漏量，测量小孔尺寸和过滤材料透气性。
在医疗事业中主要用于病人呼吸监护，呼吸器供气端/呼气端流量监测，麻醉机上麻醉气和空气流量监测等。微小流量热式流量计的原理和应用请参阅文献[13]。
3.2.7 科里奥利质量式
科里奥利质量流量计是利用流体在振动管中流动时，产生与质量成正比的科里奥利力作用的一种质量流量仪表。因需要足够的力从而仪表下限流量范围相对较大。它的特点是测量值不受流体物性影响，但压力损失较大，较多应用于液体，也可用于中高压气体。
微小流量仪表在流程工业的应用与常用口径仪表相似，用作液体流量测量/控制和总量交接计量，适用于要求直接质量配比的流程，具有不受液体第二变量密度变化的干扰。在食品工业常用于测控巧克力、西红柿浆等非牛顿流体。近年应用拓展到路边加气站压缩天然气贸易交接计量；超高压仪表应用于燃料电池氢气加气机发送总量计量，具体参数见表2序号13[9]。3.2.8 示踪式
示踪式流量计是测量标记物在已知距离流动所需时间求取流速和体积流量的仪表。微小流量示踪式仪表有：在测量管内的液体中注入气泡作为标记物（表2序号18）；液中注入热量形成热脉冲为标记（表2序号19）。该类仪表主要用于实验室测试用，其原理和结构示意请参阅文献[1，11]。
3.2.9 翻斗（容积）式
MCG型微流量气体计量仪表常用于测量生物反应微量生物气体（如甲烷等），结构如图2所示。
图2 MGC型翻斗式微气体计量仪
4 结束语
该文阐述市场上国外厂商提供的有代表性微小流量仪表应用和特点，这些用例中有些国内已有一定应用经验，有些用例仅为分析讨论，尚待在应用技术上进行实践检验和积累经验。
参考文献：
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