層流流量計(jì)（LAMINAR FLOW METER，簡稱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(jì)用來測量微小流量。它的一大優(yōu)點(diǎn)是流量計(jì)送出的差壓信號△P與體積流量Qv，成正比，且結(jié)構(gòu)簡單。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(jì)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(gè)壓力測試孔，壓力測試孔之間有一個(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(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的有色細(xì)絲即脈線，管內(nèi)流體分層流動(dòng)，互不混淆，說明管內(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(shí)，脈線突然分裂成許多運(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)變化過程。

       流體運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)，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(gè)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(yùn)動(dòng)趨向于無序；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。我們在管道流動(dòng)中會(huì)有一些通過實(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。在層流中，有色液體與水互不混摻，呈直線運(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)下測量精度會(huì)獲得顯著的提高。同時(shí)由于沒有湍流運(yùn)動(dòng)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(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，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，也可以簡稱為壓損）與流速的關(guān)系進(jìn)行了測量。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)過渡區(qū)域，叫做過渡流動(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)還是過渡流運(yùn)動(dòng)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(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。

       這就說明了，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(jì)的流體處于層流運(yùn)動(dòng)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(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(jì)具有極大的優(yōu)勢。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(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，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(xiàng)缺陷。客觀來說，層流流量計(jì)是一種小微流量測量的理想流量計(jì)。

       實(shí)際上，層流流量計(jì)的主要應(yīng)用場景是制造業(yè)的設(shè)備配套與工藝生產(chǎn)現(xiàn)場，同時(shí)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(jì)將成為一種非常適用的選擇。