技術類別五花八門 流量計挑選不容輕忽
工業流量計使用於吵雜和高電壓衝擊頻繁的環境，這代表類比前端(Analog Front End, AFE)必須能在高共模電壓下運作，並且擁有極佳的雜訊性能表現，還能高精準和高重複地處理微小的電子訊號。
最常用於流量傳送器和流量控制裝置，如可編程邏輯控制器之間的介面是4∼20毫安培(mA)迴路。流量傳送器可以由迴路供電，也可使用專用電線。然而，由於由迴路供電的流量傳送器所有的訊號抓取/處理和傳送所需的電力，都來自於這4∼20毫安培迴路，因此其用電量會受到相當嚴格的限制。
迴路供電的流量傳送器通常採用超低功耗處理器，例如德州儀器(TI)的MSP430和TMS320C5000 DSP系列，並搭配高精準、低功耗的AFE解決方案。其搭載數位連結功能如PROFIBUS、I/O連結、無線連結等傳送器，因而可降低啟動時間並可持續監控和錯誤診斷而逐漸受到歡迎。
本文將介紹四種常見的流量計：差壓式、電磁式、科氏力和超音波，超音波流量計又可細分成都卜勒和時差法流量計，並且將逐一說明這些流量計的關鍵應用、優缺點以及系統考量。
整體來說，工程師在選擇流量計時，必須慎重考慮液體本身的特性(單相或雙相、黏度、濁度等)、液體的流動狀態(流線、過渡或亂流)、流動範圍以及需要量測出多精準的數據。值得注意的是，流量計的整體精確度會因應用環境而異，壓力、溫度、液態、動態影響等都可能改變測量的結果。
認識差壓式流量計
此流量計的運作原理基於伯努利原理，利用裝設在流體管路中的阻礙物來干擾流速，以進行壓力差的測量。常見的差壓式流量計有孔板式(Orifice)、皮托管(Pitot Tube)以及細腰管(Venturi Tube)。孔板式流量計(圖1)就是在流體管路安裝一個阻礙件(例如孔板)，當液體流經孔板的洞口時，根據質量守恆定律，通過孔板口的流體流速會比通過之前快。依據伯努利原理，這代表入口處的流體壓力會比出口處來得高，藉由測量這兩處的差壓即可得知流速，進而輕易計算出體積流量。
 |
| 圖1 孔板式流量計示意圖
|
使用差壓式流量計時的系統考量包含：技術必須健全成熟、容易維護(無可動零件)。但需要注意的是，這種流量計適合用於混亂湍急的流體，且在低流量時的測量精準度較差，此外，由於這種流量計採用抽取式流量測量技術，因此必須克服唧筒耗能所造成的永久壓力損失，同時也必須經常更換上下游阻礙件閥門的管路配件、彎頭和彎管。
剖析電磁式流量計
電磁流量計的運作基於法拉第電磁感應原理，只能用於測量導電流體的流量。此裝置利用兩條磁場線圈在管路中形成強大磁場(圖2)。根據法拉第原理，當流體通過管路時會激發小小的電壓。電壓會被橫跨管子兩側的二個電極感測器捕捉下來，因此流體的流速與激發的電壓強度成正比。
 |
| 圖2 電磁式流量計示意圖 |
藉由線圈所產生的磁場可以透過交流電(AC)或直流電(DC)產生。以交流電啟動，線圈只需50赫茲(Hz)的AC訊號，比使用DC技術所需的系統電力來得低。不過交流電容易受到鄰近的電纜和電線變壓器干擾，造成測量的訊號產生錯誤。因此工程師在評估時，必須在省電跟量測準確度之間做出取捨。
此外，使用交流電的系統經常出現空漂移的問題，而且無法校正。利用DC脈衝產生線圈磁場，可使電流極性互換交替，是降低電力需求和避免AC系統問題所常用的方法。
電磁流量計的應用限制包括以下幾項：
．電極感測器的選擇依流體導電率、管路結構以及安裝方式而有所不同。
不過，因為電磁流量計不會造成壓力損失，因此若要量測的流體是對掉壓非常敏感的應用，例如低流速流體，就非常適合。此外，電磁流量計也很適合用來檢
測具有腐蝕性、髒汙的流體，甚至是泥漿。因為這類流體具有足夠的導電性，而且此流量計沒有內部構件，不用擔心管線內部構件的維護問題，可高精準測量±1%以內的指標性流體(Indicated Flow)。
科氏力流量計
科氏力流量計
此一廣受歡迎的流量計可直接測量質量流率(Mass Flow Rate)。該裝置包括一條直管，或如圖3所示的彎曲雙管。單一直管的構造因為承受較少的壓力，較易於建造和維護，不過卻容易受到干擾和雜音的影響。彎曲雙管則因兩支管子以相反方向擺動，而得以消除雜音干擾。
 |
| 圖3 科氏力流量計示意圖 |
科氏力流量計的流管因強大磁場作用，會以特殊的頻率擺動。當液體開始在管內流動時，科氏力原理就會發揮作用。管子的擺動加上液體的直線流動，對管子施以兩股扭曲的力量，這是因為科氏力加速度和流體的垂直阻力，使得管子兩端朝不同方向偏移而造成扭曲。位於流體入口和出口兩端的電極感測器，捕捉到此活動產生的時間差，透過扭曲力產生的相位移，即可直接測得質量流率。圖4是一般可獲得的檢測結果。
 |
| 圖4 比較檢測結果 |
科氏力流量計具有不受溫度、壓力和流體性質影響的特性，可直接測量質量流速。此外，這種流量計具備高精準度，且由於管子的擺動頻率與流體密度相關，因此可同時檢測出流體的流速和密度。
不過，因為流體中的顆粒會阻礙管子擺動而無法進行精準量測，因此科氏力流量計無法測量帶有顆粒(例如天然氣或固體顆粒以及含有液態氣泡的天然氣等)的液體流速。
超音波流量計
超音波流量計還可細分成都卜勒流量計和時差法流量計兩種。
都卜勒超音波流量計是基於都卜勒原理。此流量計(圖5)由收發感測器組成，發射端傳送一個0.5∼10MHz的超音波訊號到流速為v的流體，並假設流體內的顆粒或氣泡流速相同。
 |
| 圖5 都卜勒流量計示意圖 |
這些顆粒會發出帶有頻率偏移的迴波，反射到接收端，只要計算發射和接收的超音波頻率差異，即可測量出流體流速。
由於這類型的超音波流量計須要流體中含有充足的反射顆粒，因此不適用於極度純淨的單相液體。
相反地，時差法超音波流量計只能測量極度純淨的液體或氣體，由安裝在管壁兩側、與流體軸心呈特定角度的成對超音波換能器組成(圖6)，這些換能器內含一對收發器，可交替發送和接收訊號給彼此。
 |
| 圖6 時差法流量計 |
當液體通過管路時，上下游傳送的聲波訊號會產生時間差，測量傳送時間差就會得到流體流速。通常傳送時間差只在十億分之一秒內，因此做此測量需要精準的儀器，以直接測量時間差，或透過相對應的頻差來轉換成時間差。然而，後者因為包含一項FFT頻差分析，可計算聲波在順向和逆向流體時的頻差而更受到市場歡迎。
超音波流量計的系統考量有以下幾點：都卜勒流量計相對便宜；時差法流量計是少數可測量非導電泥漿和腐蝕性液體的技術；超音波流量計可外掛在既有的管路上，不必切割或破壞管路即可進行安裝，不但大幅降低人員暴露在有毒液體的風險，也減少系統受到污染的機會。
不過，超音波流量計最大的缺點就是會受到液體屬性的影響。例如相同的流體流速，該流量計會因為不同的流體屬性而出現不同的測量結果。
了解各流量計特性 做出正確選擇
本文探討四種最常見的流量計運作原理，不同的流量計技術各有不同的適用領域及應用上的限制。此外，流量計會使用到各式各樣的解決方案，包括工業用的現場匯流排(Field-bus)無線電收發機介面、各式各樣的AFE，以及低功耗處理器解決方案。
要從琳瑯滿目的技術和設計中找出符合所需的流量計，是一項充滿挑戰性的任務。藉由了解欲測量的液體屬性、流體流速以及所需的測量精準度，並且充分理解儀器的物理限制和運作狀況，工程師能夠快速地過濾選項，做出聰明的選擇。
