国外一位流量专家F.C.King horo曾说过，流量计是少数几种使用比制造艰难的仪表之一。这是因为流量是一个动态量，处于运动状态的液体内部不仅存在着粘性摩擦作用，还会产生不稳定的旋涡和二次流等复杂流动现象。测量仪表本身受到众多因素，如：管道、口径大小、形状（圆形、矩形）、边界条件、介质的物性（温度、压力、密度、粘度、脏污性、腐蚀性等）、流体的流动状态（紊流状态、速度分布等）以及安装条件与水平的影响。面对国内外十几类、上百个品种的流量仪表（先后发展起来的容积式、差压式、涡轮式、面积式、电磁式、超声波式和热式流量计等类型），如何根据流量、流态、安装要求与环境条件、经济性等因素合理选型，是应用好流量仪表的前提和基础。除了仪表自身质量要得到保证，工艺数据的提供和仪表的安装、使用、维护是否合理也相当重要。本文介绍电磁式、涡街式、节流式等几种流量计的选型设计。

1. 涡街流量计选型设计
涡街流量计作为一种新型流量计，80年代中期以来发展较快，它在流量测量方面有着诸多的优点和长处，在现代流量测量中应用越来越广泛。在国内使用涡街流量计进行流量测量也愈来愈得到重视，目前我国已有性能优良并有自主知识产权的产品系列。涡街流量计是基于流体振动发展起来的，根据旋涡的不同，检测方式从热丝式、热敏式逐渐发展了应力式、磁敏式及差动开关电容式、超声波式等。涡街流量计几乎可用于一切可形成旋涡列的场合，不仅可用于封闭的管道，还可用于开放的沟槽。与涡轮流量计相比，涡街流量计没有可动的机械部件，维护工作量小，仪表常数稳定；与孔板式流量计相比，涡街流量计测量范围大，压力损失小，准确度高，安装与维护简单。但涡街流量计的环境相关参数较多，容易在使用现场被忽略而影响流量计性能的正确发挥。
涡街流量计的原理是在流量计管道中，设置一滞流件，当流体流经滞流件时，由于滞流件表面的滞流作用等原因，在其下游会产生两列不对称的旋涡，这些旋涡在滞流件的侧后方分开，形成所谓的卡门（Karman）旋涡列，两列旋涡的旋转方向是相反的，卡门从理论上证明了当h/L=0.281（h为两旋涡列之间的宽度，L为两个相邻旋涡间的距离）时，旋涡列是稳定的，在此情况下，产生旋涡的频率f与流量计管道中流体流速υ的关系为：
f =sv/d （5）
v=df/s （6）
式中 d ——圆柱形滞流件的直径；
s——无量纲常数，称为Strouhal数，与流体流动状态的雷诺数Re有关。
流量计圆截面管道的雷诺数Re为：
（7）
式中 υ——流体的流速，m/s；
ρ——流体的密度，kg/m3；
μ——流体的动力粘度，(kg?m-1)/s。
而流体的流量：
Q=A *v
从上式可见，涡街流量计选型设计完毕，流量Q不仅与f有关，而且与雷诺数Re也有关。雷诺数Re是表征粘性流体流动特性的一个无量纲数，其物理意义是流体流动的惯性力与粘滞力的比值。因此，流体的流动状态对涡街流量计的使用也有一定的影响。如果环境参数对流体流动状态有影响也会影响到涡街流量计的使用性能。

经过实践，如下几个方面对涡街流量计的使用都有影响，应对这些问题进行分析。

（1） 涡街流量计的测量范围较大，一般10：1，但测量下限受许多因素限制：Re＞10 000是涡街流量计工作的最基本条件，除此以外，它还受旋涡能量的限制，介质流速较低，则旋涡的强度、旋转速度也低，难以引起传感元件产生响应信号，旋涡频率f也小，还会使信号处理发生困难。测量上限则受传感器的频率响应（如磁敏式一般不超过400Hz）和电路的频率限制，因此设计时一定要对流速范围进行计算、核算，根据流体的流速进行选择。使用现场环境条件复杂，选型时除注意环境温度、湿度、气氛等条件外，还要考虑电磁干扰。在强干扰如高压输电电站、大型整流所等场合，磁敏式、压电应力式等仪表不能正常工作或不能准确测量。
（2） 振动也是该类仪表的一大劲敌。因此在使用时注意避免机械振动，尤其是管道的横向振动（垂直于管道轴线又垂直旋涡发生体轴线的振动），这种影响在流量计结构设计上是无法抑制和消除的。由于涡街信号对流场影响同样敏感，故直管段长度不能保证稳定涡街所必要的流动条件时，是不宜选用的。即使是抗振性较强的电容式、超声波式，保证流体为充分发展的单向流，也是不可忽略的。
（3） 介质温度对涡街流量计的使用性能也有很大的影响。如压力应力式涡街流量计不能长期使用在300℃状态下，因其绝缘阻抗会由常温下的10 MΩ～100 MΩ急降至1 MΩ～10 KΩ，输出信号也变小，导致测量特性恶化，对此宜选用磁敏式或电容式结构。在测量系统中，传感器与转换器宜采用分离安装方式，以免长期高温影响仪表可靠性和使用寿命。
涡街流量计是一种比较新型的流量计，处于发展阶段，还不很成熟，如果选择不当，性能也不能很好发挥。只有经过合理选型、正确安装后，还需要在使用过程中认真定期维护，不断积累经验，提高对系统故障的预见性以及判断、处理问题的能力，从而达到令人满意的效果。

2. 节流式流量计选型设计

节流式流量计是早期大量使用的一种测量流量的计量装置，其历史最长，用量最多。现在常见的为圆孔板型和锥形入口板型，其工作原理是在流体管道中加入一孔板节流件，通过导压管引入压差变送器测出节流件上、下游的压差，根据所测的压差经过计算即得出流量的瞬时值。由于导压管内水的不流动性，在较寒冷地区，冬天室外安装的孔板取压管容易冻裂（冻住），使差压仪器无法正常工作。测量较脏的污水时，孔板需经常清洗。如清洗不及时，测量精度降低，取压管经常被污物堵死，仪表无法使用。用孔板的方式测流量时还有压力损失大、维护量大等缺点。因此改变取压方式，例如用径距取压法，就可以减少孔板污物的影响。
4. 结语
以上几种污水流量测量流量计中，电磁流量计性能较好，节流流量计应用范围广，而涡街流量计比较新型，并正在不断发展。只有了解这几种流量计各自的性能，才能对流量计选型设计好，使污水流量的测量和控制达到精确度和可靠性要求。

林晖（苏州大学张家港工学院.沙州工学院 215600）
黄仁豹（江苏张家港市维达机械集团公司 215611 ）

常用流量计英汉对照表

涡街流量计: Vortex Flowmeter

其他流量计的翻译供参考:

电磁流量计：Electromagnetic Flowmeter
科里奥利质量流量计：Coriolis Mass Flowmeter
明渠流量计：Open Channel Flowmeter
孔板流量计：Orifice Plate Flowmeter
转子流量计：Rotameter
涡轮流量计：Turbine Flowmeter
量热式流量计：Calorimetric Flowmeter
容积流量计：Positive Displacement (PD) Flowmeters
超声波流量计：Ultrasonic Flowmeter
文丘里流量计：Venturi Flowmeter
热式质量流量计：Thermal Mass Flowmeter
多相流量计：Multiphase Flowmeter
水槽与堰道流量计：Flumes and Weirs Flowmeter

电磁流量计在线诊断技术的发展

确保电磁流量计在应用过程中的精度一直是用户所关心的问题，尤其是在给水行业，随着行业的扩展和流量计制作技术的发展，传统的断流取表外送检验的方式已不能满足需要，因此电磁流量计的应用者和制造商都希望有一种在线的电磁流量计检验方法，来替代传统的离线检验方法。

用户要求对流量计有周期性的检验

电磁流量计在应用过程中的精度保证一直是用户所关心的热点问题。在过去，电磁流量计的校验必需送到专门的标定校验设备上进行检查。但是，随着电磁流量计制造技术的发展和应用行业的扩展，电磁流量计的使用越来越多、口径越来越大，送回校验装置上校验的难度也越来越大。特别是在给水行业，由于应用管径大和行业特点，要做到断流取表外送校验，操作起来难度很大，既费时又费力，甚至根本无法拆下来。但是，各企业根据ISO9001质量管理体系的要求，作为计量仪表的电磁流量计，需要进行定期检验。为此，电磁流量计的应用者和制造商一直都在苦苦寻求一种在线的电磁流量计检验方法，来替代传统的离线校验方法。

近年国内外常用的电磁流量计在线检验方法

大口径电磁流量仪在线校验方法

上世纪90年代，上海水务系统开始摸索在线检查和验证，他们用专用的模拟信号器检测转换器，传感器检查则以测试电极接液电阻，检查励磁线圈包括励磁连接电缆的绝缘电阻和铜电阻，以及检查转换器输出的励磁电流，核对磁场强度等间接方法。在有停流条件的管线，从预设在传感器附近入孔进入，检查电极和衬里污秽、沉积状况并清洗。上海自来水公司和原水公司在电磁流量计制造厂配合下，探索并积累了300余台大口径电磁流量计检查经验，并于1997～1998年间起草了《大口径电磁流量仪在线校验方法》，在上海市公用事业管理局所属企业试行。现在上海水务局正在此文件的基础上制订《电磁流量仪在线校验规范》地方行业性标准。同样的概念在一些文献中也提及到，如东京都水道局和日本三菱化学工业的电磁流量计现场检验方法。

在线电磁校验仪GS9

电磁流量计在欧洲的使用数量最多，其在线检验技术也最成熟，一些主要的电磁流量计制造商基于上述方法还开发出了专用的电磁流量计在线检测仪器，如KROHNE的GS9在线电磁流量计校验仪。该仪器作为一套全面检测电磁流量计传感器和转换器的校验仪，其检测的内容包含了电极信号、模拟流量输出的测量、现场励磁电流的测量、电流和频率输出的测量、线圈和电极电阻等，并对数据加以记录，还可传送到PC机。

检验过程

GS9的使用方法十分简单，只要根据电缆的标识和流量计进行连接(即插即用)，然后启动自动校验，数据会存储在内部的存储器中 (70 台仪表)，随后可将数据传送到计算机上进行处理。检验仪自动载入仪表的 GK、量程、口径、励磁电流、电流和频率输出的设置，并开始对励磁电流进行测量、检测线圈和电极电阻 (短路或者开路)、检验两测量电极信号和对转换器电流、频率输出检验。对转换器的不同部件件给出“Pass” 或 “fail” 诊断并存储整个校验的过程。整个过程校验均经自动控制通过RS232 通讯口将校验数据上传到计算机。

溯源性

GS9 直接可以溯源到KROHNE的最高端的校验仪(GS100)和 (荷兰计量测试研究院NMI)，传感器校验的不确定度 0.03%，GS 9的测量不确定度 0.09%。在现场或仪表室通过RS232将GS9和PC相连，完成 上述在线检验或专用诊断仪器的方法虽然不用将管线流量停流后再对流量计进行检测，但仍需要外界检测设备的帮助才能完成整个检验过程。因此开发自带诊断和检验功能的流量计是当前流量计研发的趋势。

一种具有自诊断功能的电磁流量计IFC300

IFC300是基于上述原因而开发出的一种能自行检验的电磁流量计。在IFC300中集成了上面所介绍的在线校验仪的所有功能。当使用者需要对流量计进行检定的时候，只要通过HART或总线接口即可将检验结果从计算机上打印出来。这种新型的电磁流量计是按照VDI-NAMUR-WIB 2650导则的要求进行设计的最新型电磁流量计。这一型号的转换器和常规的电磁流量计转换器相比增加了许多在线的诊断功能，如 ：

* 关于流程过程(电导率, 线圈温度, 液体中所含的气体, 流态)；
* 关于应用环境(转换器温度,外部的磁场和安装条件) 。

在线校验的方法的推广仍需一定的时间和行业任可

电磁流量计的在线检验方法从诞生到应用正在日趋成熟，但要在全国各行业推广还需要一段时间。其最大的困难在于电磁流量计作为计量仪表，其在线的检验规范需要得到国家技术监督部门和各相关行业协会对的认可。而上面所谈到的方案、设备要想得到全国范围内的认可，必须要由电磁流量计的制造商、使用者和国家相关部门共同合作才能进行。我们欣喜地看到，在电磁流量计应用较广泛的上海水务系统，行业用户组织联合技术监督和制造商完成了大口径电磁流量计在线检查和验证的行业性法规，并且贯彻实施。我们期盼会有更多的行业和制造商能够加入到这一技术方案中，从而使广大的电磁流量计的使用者做到有章可循。

雷诺数对涡街流量计的影响

(1)雷诺数对涡街流量计的影响 在一定的雷诺数范围之内，涡街流量计输出频率信号同流过测量管的体积流量之间的关系不受流体物性（密度、黏度）和组分的影响，即流量系数只与旋涡发生体及管道的形状尺寸有关，因此，只需在一种典型介质中标定其流量系数而适用于各种介质，这是涡街流量计的一大优点。但若雷诺数超过这一范围，就要产生影响了。

图8.4所示为涡街流量计工作原理。在流体流动的管道中设置一个旋涡发生体（阻流体），于是在发生体下游的量册就会交替地产生有规则的旋涡。这种旋涡称为卡曼涡街。此旋涡的频率同各因素的关系可用式（8.5）表述，即

图8.4 卡曼涡街

（8.5）

式中 ——发生体一侧产生的卡曼涡街频率；

——斯特罗哈尔数(无量纲数)；

——流体的流速；

——旋涡发生体的宽度。

图8.5所示为圆柱状旋涡发生体的斯特罗哈尔数同雷诺数的关系。由图可见，在 4～7×106范围内，是曲线的平坦部分（Sr＝1.7），卡曼涡街频率与流速成正比，这是仪表正常工作范围。在 =5×103～2×104范围内，旋涡能稳定发生，但因斯特罗哈尔数增大，所以流量系数须经校正后才能保证流量测量精确度。当ReD<5×103后旋涡不发生或不能稳定地发生。

图8.5 斯特罗哈尔数与雷诺数的关系

本节讨论的是 =5×103～2×104的区间如何提高流量测量精确度的问题。如果获得可靠的校正系数并用适当的方式实现在线校正就能将测量精确度提高，将范围度显著扩大。

（2）雷诺数影响的校正 表8.2给出了YF100系列涡街流量计低雷诺数测量段的校正系数表。使用这一表格的方式也有在线计算和离线计算之分。其中在线计算法多在带CPU的涡街流量变送器（传感器）中使用，离线计算多在流量显示表中用折线法实现校正时使用。

表8.2 雷诺数校正系数

雷诺数ReDi
校正系数A
雷诺数ReDi
校正系数A

5.5×103
0.886
2.0×104
0.990

8.0×103
0.935
4.0×104
1.000

1.2×104
0.964

图8.6所示为在线计算校正系数的程序框图。图中的Kt为流量系数，D为测量管内径， 为流体黏度，qm为质量流量。

图8.6 在线计算校正系数的程序框图

离线计算就是计算满量程的雷诺数和各典型流量点的流量值，然后制作折线，填入仪表的程序菜单，仪表运行后，实现自动校正。

（3）举例

①已知条件

a. 流体名称：柴油

b. 流体温度：30℃

c. 流体密度： 3

d. 流体黏度： ·s

e. 管道内径：D＝0.05m

f. 最大流量：qvmax＝50m3/h

②计算

a.最大质量流量qmmax的计算

qmmax＝

b.最大流量时的雷诺数ReDmax的计算[使用式（8.2）]

ReDmax ＝ 4

c.各典型流量点的体积流量qvi的计算

（8.6）

将表8.2中各典型流量点雷诺数代入式（8.6）得各点流量qvi，列于表8.3中。

表8.3 各特征点校正系数

流量值qvi/（m3/h）
雷诺数ReDi
校正系数A
流量值qvi/（m3/h）
雷诺数ReDi
校正系数A

2.976
5.5×103
0.886
10.823
2.0×104
0.990

4.329
8.0×103
0.935
21.645
4.0×104
1.000

6.494
1.2×104
0.964
50.000
9.24×103
1.000

这一方法可用来对黏度比水高一些的液体低流速段进行误差校正。

（4）在流量传感器（变送器）中的实现 上面所述的雷诺数影响的校正是在流量二次表中完成的，适用于涡街流量计本身无校正能力的测量系统。随着计算机技术渗透到流量一次表，有些涡街流量计本身也具备了这种校正功能。例如横河公司的YF100系列E型涡街流量计中，是用4段折线实现此项校正。折线的横坐标为旋涡频率 ，其纵坐标为校正系数A，如图8.7所示。

图8.7 校正值与旋涡频率的关系

在表8.3所示的例子中，可从表8.3中的流量值qvi按下式求取各特征点频率 。

式中 ——体积流量，L/h或m3/h；

Kt——流量系数，P/L或P/m3（1P＝0.1Pa·s）。

然后将各点频率和所对应的校正值填入涡街流量计（变送器）菜单（第D21～D30条），并在“REYNOLDS ADJ”(雷诺数校正)项指定“1”（执行），仪表运行后，就能将雷诺数对流量系数Kt的影响自动按下式进行校正。

式中 ——校正后的流量系数，P/L或P/m3；

A——校正值；

Kt——未经校正的流量系数，P/L或P/m3。