層流流量計（LAMINAR FLOW METER，簡稱LFM），層流流量計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（如圖1所示），是通過測量傳感器兩端的差壓來測量流量的儀表。一般層流流量計用來測量微小流量。它的一大優(yōu)點是流量計送出的差壓信號△P與體積流量Qv，成正比，且結(jié)構(gòu)簡單。這一優(yōu)點是由層流流量計內(nèi)運動流體的流態(tài)，處于層流運動狀態(tài)這種特殊流態(tài)所形成的。必須注意，層流流量計必須在層流運動狀態(tài)下使用，才能達(dá)到預(yù)期的性能，這也是層流流量計設(shè)計制造的一項關(guān)鍵難點。

       如圖1所示，層流流量計一般具有整流模塊。整流模塊的作用是將湍流、過渡流等不規(guī)則流動狀態(tài)轉(zhuǎn)化為層流運動狀態(tài)。這樣通過壓差傳感器測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。也就是說，壓差信號可以用來計算體積流量。

       更加專業(yè)的原理描述是層流氣體的進(jìn)、出口兩端有兩根引壓管，引壓管連通至兩個壓力測試孔，壓力測試孔之間有一個壓差傳感器，能獲得兩個孔的壓差。通過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性相關(guān)（該現(xiàn)象遵守哈根泊肅葉定律）。

       說到什么是層流運動狀態(tài)我們就不得不提到一個經(jīng)典的實驗，它叫做雷諾實驗。雷諾實驗的基本原理和結(jié)果如圖3所示。雷諾（Osborne Reynolds 1842～1912）是英國力學(xué)家、物理學(xué)家、工程師。雷諾于1883年進(jìn)行了這項著名的實驗，并力求找到流體流動由層流狀態(tài)過渡到湍流狀態(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，管內(nèi)呈現(xiàn)一條條與管壁平行并清晰可見的有色細(xì)絲即脈線，管內(nèi)流體分層流動，互不混淆，說明管內(nèi)流體處于層流運動狀態(tài)。         

       若保持管徑不變，增大流速，則脈線變粗，開始出現(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，脈線突然分裂成許多運動著的小渦旋，繼而很快消失，使整個管內(nèi)的流體帶上了淡薄的顏色。這說明管內(nèi)流體的不規(guī)則運動，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流體之中，導(dǎo)致脈線消失，此時流體處于湍流狀態(tài)。

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

       流體運動的層流和湍流兩種型態(tài)，首先由英國物理學(xué)家雷諾進(jìn)行了定性與定量的實驗，并根據(jù)研究結(jié)果，提出流體型態(tài)可用下列無量綱數(shù)來判斷：

(公式1)

       公式1中就是代表這個無量綱數(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，它使得流體的運動趨向于無序；而代表流體的粘性力，它使得流體的運動趨向于有序。那么雷諾數(shù)就是慣性力和粘性力，這兩種力的比值。我們在管道流動中會有一些通過實驗獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，從而幫助我們判斷流體的流動狀態(tài)，如圖4和如圖5。

       流體型態(tài)開始變化時的雷諾數(shù)叫做臨界雷諾數(shù)。在雷諾實驗裝置中，通過有色流體的質(zhì)點運動，可以將兩種流態(tài)的根本區(qū)別清晰地反映出來。在層流中，有色液體與水互不混摻，呈直線運動狀態(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。

       這些實驗數(shù)據(jù)可以幫助研究人員設(shè)計層流元件，從而使得層流流量計的性能獲得提升。在這里我們可以看到層流運動狀態(tài)是一種非常有序的運動狀態(tài)，在這樣的流態(tài)下測量精度會獲得顯著的提高。同時由于沒有湍流運動狀態(tài)的“渦流”，測量值的穩(wěn)定性、重復(fù)性獲得了很大的改善。

       所以如果能夠設(shè)計一種處于層流運動狀態(tài)的壓差式流量計，其性能相較于傳統(tǒng)壓差式流量計會獲得顯著的提升。近一百年來，科學(xué)家和工程師不斷的研究這樣的流量計，這就是我們今天討論的層流流量計。

       雷諾實驗還對不同流態(tài)下，壓差（由粘性流動造成的壓力損失，也可以簡稱為壓損）與流速的關(guān)系進(jìn)行了測量。實驗結(jié)果表明層流運動狀態(tài)的壓損與流速的一次方成正比例關(guān)系。湍流運動狀態(tài)的壓損與流速的1.75~2次方成比例關(guān)系。此外中間還有一個過渡區(qū)域，叫做過渡流動狀態(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，不管是湍流運動狀態(tài)還是過渡流運動狀態(tài)，壓損（通過測量壓差獲得）與流速之間都為曲線關(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）。只有層流運動狀態(tài)下，壓損和流速存在一次正比例關(guān)系，即一條直線。

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

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

       下圖歸納了傳統(tǒng)壓差式流量計與層流流量計的優(yōu)缺點對比。

       通過上述對比分析，可以看出，在中、小、微流量測量領(lǐng)域，特別是氣體測量領(lǐng)域，層流流量計具有極大的優(yōu)勢。它克服了傳統(tǒng)壓差式流量計（例如孔板和噴子流量計）精度不高，測量范圍窄，不能測量小微流量，壓損大，安裝條件高等關(guān)鍵缺陷。實現(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量等突破性的進(jìn)步。同時保留了傳統(tǒng)壓差流量計穩(wěn)定可靠，使用壽命長，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。僅僅增加了不適用于雜質(zhì)和污染物較多的場景，以及不適用于大流量或超大流量的測量這兩項缺陷?？陀^來說，層流流量計是一種小微流量測量的理想流量計。

       實際上，層流流量計的主要應(yīng)用場景是制造業(yè)的設(shè)備配套與工藝生產(chǎn)現(xiàn)場，同時也服務(wù)于科學(xué)和工程研究。在這些應(yīng)用場景里，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，在未來中國乃至全球產(chǎn)業(yè)鏈升級和制造業(yè)不斷蓬勃發(fā)展的過程中，層流流量計將成為一種非常適用的選擇。