一、概論

插入式流量計(jì)（ISF）是將流速檢測頭從管道預(yù)留孔插入管道，測出局部流速乘以流通面積求取流量的儀表。ISF有安裝維修方便、壓損小等優(yōu)點(diǎn)，從1980年前后開始在我國公用事業(yè)水行業(yè)中漸漸擴(kuò)大應(yīng)用于大管徑流量測量。表1所示是供水業(yè)兩個(gè)年段調(diào)查裝用流量儀表品種分布，1991年和2002/2003年ISF分別占有48.3%和9.7%。又據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，2006年中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員單位生產(chǎn)點(diǎn)流速計(jì)型ISF超過2500臺，加上會(huì)員外單位生產(chǎn)和進(jìn)口，市場銷售臺數(shù)將超過許多，從中可以看出ISF在我國的應(yīng)用規(guī)模。

表1 我國供水業(yè)流量儀表裝用品種分布（%）

資料來源：①汪光燾：城市供水2000年技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，中國建筑工業(yè)出版社，1993；②中國水協(xié)：流量儀表應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)資料匯編，2003。

ISF可分為徑流速計(jì)型和點(diǎn)流速計(jì)型兩大類，供水業(yè)較少采用徑流速計(jì)型ISF（如均速管），較多采用點(diǎn)流速計(jì)型ISF，常用品種有渦輪式和電磁式。

大管徑應(yīng)用點(diǎn)流速計(jì)型ISF的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）安裝維修方便，可不斷流安裝和維護(hù)更換；

（2）結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，價(jià)格低，且不與管道尺寸相關(guān)；

（3）壓損小，測量所需泵負(fù)載能耗??；

（4）一種規(guī)格流速檢測頭可用于各種管徑；

（5）有良好的用戶適應(yīng)性，除固定安裝外也適用臨時(shí)安裝與其他使用中儀表比對。

其缺點(diǎn)是：

（1）測量性能受流動(dòng)狀況即來流流速分布和旋轉(zhuǎn)度影響大，前置直管要求長；

（2）準(zhǔn)確度較低，一般為±（2.5～5）%R。

ISF由于測量準(zhǔn)確度較低，一般認(rèn)為不適用于核算貿(mào)易計(jì)算，僅適用于過程監(jiān)（檢）測與控制系統(tǒng)，例如供水業(yè)原水與凝聚劑液流量配比，用ISF測大管徑原水流量，控制小管徑凝聚劑液流量。然而在20世紀(jì)80年代我國供水業(yè)出廠水原來大部分都不裝核算計(jì)量儀表，在裝用計(jì)量儀表初期由于當(dāng)時(shí)進(jìn)口電磁流量計(jì)價(jià)格昂貴，初創(chuàng)期國產(chǎn)電磁流量計(jì)準(zhǔn)確度低（±2.5%FS），即使ISF準(zhǔn)確度更低，比不計(jì)量還是一大進(jìn)步。因此，一度成為供水業(yè)大管徑流量測量的主導(dǎo)儀表，1991年裝用高達(dá)48%。現(xiàn)在這些使用場所已漸被準(zhǔn)確度為±（0.5～1）%R的電磁流量計(jì)（和超聲流量計(jì)）所替代，僅有小型水廠限于投資，仍有一部分用作核算計(jì)量。

表2 點(diǎn)流速計(jì)型ISF性能比較

點(diǎn)流速計(jì)型ISF常用品種有渦輪式、電磁式和渦街式3種，主要性能比較如表2所示，準(zhǔn)確度渦街式較差；抗污性渦輪式因有活動(dòng)元件zui差；渦街式怕纖維纏繞，電磁式；下限流速渦街式zui差，目前供水業(yè)已很少采用渦街式。近年插入式電磁流量計(jì)已進(jìn)入和蠶食插入式渦輪流量計(jì)的傳統(tǒng)領(lǐng)地。據(jù)業(yè)內(nèi)人士估計(jì)，2006年ISF生產(chǎn)臺數(shù)電磁式已占近80%，超過渦輪式所占16%，說明今后新裝用ISF電磁式將居于強(qiáng)勢。

關(guān)于ISF的現(xiàn)場運(yùn)行性能，意大利Naples ”Federico II” 大學(xué)Furio Casceffa 等發(fā)表論文（ISA Transactions 42 (2003): 171～179），報(bào)告插入式渦輪流量計(jì)和插入式電磁流量計(jì)現(xiàn)場校驗(yàn)的性能比較，本文作扼要述評，在此之前簡述ISF工作原理。

二、點(diǎn)流速計(jì)型ISF工作原理

點(diǎn)流速計(jì)型ISF實(shí)質(zhì)上屬封閉管道流量測量方法中的速度面積法，是單臺流速計(jì)與流速積算技術(shù)結(jié)合起來的測量方法。流速檢測頭插在管道中心位置或臨界點(diǎn)位置（見圖1）。管道內(nèi)流體從靜止開始流動(dòng)是層流，流速分布廓形如圖2曲線1所示，呈拋物線；流速增加流動(dòng)漸漸過渡到湍流，若管道是光滑管流速分布廓形向曲線3、4、5所示變化，流速增加（亦即雷諾數(shù)Re增大）廓形趨于扁平。然而實(shí)際工業(yè)管道是粗糙管壁，廓形則如圖2虛線2所示。1947年，Aichelson推薦臨界點(diǎn)位置離中心線位置r=0.762R，他發(fā)現(xiàn)Re在4×10³～3×10⁶之間，該位置所測得流速等于（1±0.7%）×平均流速以內(nèi)，幾乎與流速無關(guān)，對Re變化相對不敏感。zui近研究證明，臨界位置在距管壁0.242R處(略小于1/4R)或離中心線距離r=0.758R處（略大于3/4R）。

1.流量公式

檢測頭放在臨界位置和中心位置的體積流量 分別如式（1）、（2）所示：

q_v=A·F₀·F_i·V=A·F₀·F_i·V_av                         (1)

q_v=A·F₀·F_i·F_p·V                                     (2)

式中A——流通面積；

F₀——阻塞系數(shù)，是由檢測探頭插入流體中引起流通面積減少流速微小的增加，為限制阻塞影響，ISO7145建議檢測探頭直徑d和管道直徑D之比d/D≤0.06；

F₁——插入系數(shù)，補(bǔ)償插入檢測頭引起速度分布畸變影響，由實(shí)驗(yàn)求??；

F_p——分布系數(shù)，在管中心測得的流速V_cl是zui大流速，其與平均流速V_av之間的比即為F_p=（V_av/V_cl）<1；

V——所測得的局部流速，在臨界位置V=V_av，在中心位置V=V_cl。

2.體積流量的不確定度

點(diǎn)流速計(jì)型ISF所測體積流量總不確定度U_qv，除檢測頭的不確定度外，還應(yīng)包括流通面積、測量點(diǎn)位置、各系數(shù)等的不確定度。臨界位置和中心位置總不確定度分別如式（3）、（4）所示。

                （3）

                 （4）

式中 ——流通面積，即測量管道橫截面面積的不確定度；

——局部速度測量不確定度，即檢測頭的不確定度；

——確定測量點(diǎn)（即臨界位置）的不確定度，ISO7145規(guī)定R_crit=（0.758±0.013）R；

——檢測頭安裝位置的安裝不確定度，在中心位置時(shí)因其附近橫向速度梯度很?。ㄒ簿褪乔€平坦），可忽略不計(jì)；

——分布系數(shù)F_p的不確定度，與實(shí)驗(yàn)求取F_p的校驗(yàn)程序密切相關(guān)；

——求取阻塞系數(shù)的不確定度；

——求取插入系數(shù)的不確定度。

因?yàn)楣剑?）、（2）中的校正系數(shù)是F_p、F_o、F_i是由制造商實(shí)驗(yàn)求取的，其不確定度與制造商完成的校準(zhǔn)不確定度有關(guān)。因此終端用戶僅能由校準(zhǔn)決定體積流量測量的總不確定度才是zui有意義的計(jì)量學(xué)數(shù)據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)是利用水廠泵站附近現(xiàn)場DN300管道，設(shè)置如圖3所示是標(biāo)準(zhǔn)表比較法校準(zhǔn)裝置。按ISO7145要求，插入檢測頭上游直管段長度L在中心位置時(shí)≥25D，在臨界位置時(shí)≥50D，因受現(xiàn)場條件限制只能滿足L=25D，為此裝了一套長1m管束式流動(dòng)調(diào)整器。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表法校準(zhǔn)簡圖

標(biāo)準(zhǔn)表是口徑150mm Copa-XM型滿管電磁流量計(jì)（Fischer+Porter產(chǎn)品），準(zhǔn)確度為±0.2%R，滿度流量為720m³/h。被測渦輪ISF是FLS型（Flow Level System產(chǎn)品），流速范圍0.15～3.0m/s；電磁ISF是Aquaprobe型（ABB Kent-Tayler產(chǎn)品），滿度流速3.5m/s。

調(diào)節(jié)控制閥到設(shè)定流量測量點(diǎn)，固定每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間約1000s，盡量縮短啟-停儀表輸出記錄步驟。在臨界位置校準(zhǔn)渦輪ISF和電磁ISF的數(shù)據(jù)如圖4所示，在中心位置校準(zhǔn)電磁ISF的數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 在臨界位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 在中心位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果

四、討論

以本實(shí)驗(yàn)圖4、5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可獲得以下一些信息：

（1）測量準(zhǔn)確度。電磁ISF測量誤差范圍為-2%～+2.5%，誤差帶為±2.25%；渦輪ISF誤差范圍為-6.5%～0%，誤差帶為±3.25%，在低流量區(qū)誤差較大，電磁ISF優(yōu)于渦輪ISF。但這僅是校準(zhǔn)所得的準(zhǔn)確度，實(shí)際應(yīng)用未作現(xiàn)場校準(zhǔn)時(shí)還應(yīng)考慮上文分析測量通道，準(zhǔn)確度還要低。

（2）重復(fù)性。電磁ISF在中心位置為0.12%～0.67%之間，在臨界位置為0.16%～0.60%之間；渦輪ISF在0.38%～1.13%之間。重復(fù)性電磁ISF優(yōu)于渦輪ISF。

（3）中心位置和臨界位置之間的比較。電磁ISF中心位置誤差范圍（-1.9%～+1%）比臨界位置誤差范圍（-2%～+2.5%）小。臨界位置測量誤差比中心位置大的原因是實(shí)際臨界位置（即平均流速位置）是隨著流量變化游移的，而檢測頭是固定的，則實(shí)際所測流速與平均流速之間的比值有些變化；而在中心位置所測流速與平均流速間比值的變化比臨界位置小。然而在大管徑實(shí)際應(yīng)用中，因中心位置安裝時(shí)插入桿成為較長的懸臂梁，從機(jī)械穩(wěn)固性方面因素考慮，一般還是采用臨界位置安裝。