一、概论
插入式流量计（ISF）是将流速检测头从管道预留孔插入管道，测出局部流速乘以流通面积求取流量的仪表。ISF有安装维修方便、压损小等优点，从1980年前后开始在我国公用事业水行业中渐渐扩大应用于大管径流量测量。表1所示是供水业两个年段调查装用流量仪表品种分布，1991年和2002/2003年ISF分别占有48.3%和9.7%。又据业内人士估计，2006年中国仪器仪表行业协会会员单位生产点流速计型ISF超过2500台，加上会员外单位生产和进口，市场销售台数将超过许多，从中可以看出ISF在我国的应用规模。
表1 我国供水业流量仪表装用品种分布（%）
序号 | 品种 项目摘要 | 差压式 | 电磁式 | 超声式 | 插入式 | 均速管 | 其他 | 样本总数(台) | ||
文丘里管 | 孔板 | 涡轮 | 涡街 | |||||||
1 | 1991年29家大中水厂 出厂水计量① | 10.4 | 3.4 | 10.5 | 14.3 | 38.4 | 9.9 | 3.0 | 10.1 | 524 |
2 | 2002/2003年46家 大中水厂装用② | 1.8 |
| 61.9 | 26.6 | 9.7 |
|
| 10.0 | 1900 |
资料来源：①汪光焘：城市供水2000年技术发展规划，中国建筑工业出版社，1993；②中国水协：流量仪表应用技术研讨会资料汇编，2003。
ISF可分为径流速计型和点流速计型两大类，供水业较少采用径流速计型ISF（如均速管），较多采用点流速计型ISF，常用品种有涡轮式和电磁式。
大管径应用点流速计型ISF的优点是：
（1）安装维修方便，可不断流安装和维护更换；
（2）结构简单，重量轻，价格低，且不与管道尺寸相关；
（3）压损小，测量所需泵负载能耗小；
（4）一种规格流速检测头可用于各种管径；
（5）有良好的用户适应性，除固定安装外也适用临时安装与其他使用中仪表比对。
其缺点是：
（1）测量性能受流动状况即来流流速分布和旋转度影响大，前置直管要求长；
（2）准确度较低，一般为±（2.5～5）%R。
ISF由于测量准确度较低，一般认为不适用于核算贸易计算，仅适用于过程监（检）测与控制系统，例如供水业原水与凝聚剂液流量配比，用ISF测大管径原水流量，控制小管径凝聚剂液流量。然而在20世纪80年代我国供水业出厂水原来大部分都不装核算计量仪表，在装用计量仪表初期由于当时进口电磁流量计价格昂贵，初创期国产电磁流量计准确度低（±2.5%FS），即使ISF准确度更低，比不计量还是一大进步。因此，一度成为供水业大管径流量测量的主导仪表，1991年装用高达48%。现在这些使用场所已渐被准确度为±（0.5～1）%R的电磁流量计（和超声流量计）所替代，仅有小型水厂限于投资，仍有一部分用作核算计量。
表2 点流速计型ISF性能比较
比较项目 | 涡轮式 | 电磁式 | 涡街式 |
1.检测头准确度 | (1.5～2.5)%R | (1.5～2.5)%R | 2.5%R或2.5%FS |
2.抗污性 | 差 | 好 | 中 |
3.下限流速(m/s) | 0.1～0.2 | 0.1 | 0.4～0.5 |
点流速计型ISF常用品种有涡轮式、电磁式和涡街式3种，主要性能比较如表2所示，准确度涡街式较差；抗污性涡轮式因有活动元件zui差；涡街式怕纤维缠绕，电磁式；下限流速涡街式zui差，目前供水业已很少采用涡街式。近年插入式电磁流量计已进入和蚕食插入式涡轮流量计的传统领地。据业内人士估计，2006年ISF生产台数电磁式已占近80%，超过涡轮式所占16%，说明今后新装用ISF电磁式将居于强势。
关于ISF的现场运行性能，意大利Naples ”Federico II” 大学Furio Casceffa 等发表论文（ISA Transactions 42 (2003): 171～179），报告插入式涡轮流量计和插入式电磁流量计现场校验的性能比较，本文作扼要述评，在此之前简述ISF工作原理。
二、点流速计型ISF工作原理
图1 插入式流量计测量点示意图 |
点流速计型ISF实质上属封闭管道流量测量方法中的速度面积法，是单台流速计与流速积算技术结合起来的测量方法。流速检测头插在管道中心位置或临界点位置（见图1）。管道内流体从静止开始流动是层流，流速分布廓形如图2曲线1所示，呈抛物线；流速增加流动渐渐过渡到湍流，若管道是光滑管流速分布廓形向曲线3、4、5所示变化，流速增加（亦即雷诺数Re增大）廓形趋于扁平。然而实际工业管道是粗糙管壁，廓形则如图2虚线2所示。1947年，Aichelson推荐临界点位置离中心线位置r=0.762R，他发现Re在4×103～3×106之间，该位置所测得流速等于（1±0.7%）×平均流速以内，几乎与流速无关，对Re变化相对不敏感。zui近研究证明，临界位置在距管壁0.242R处(略小于1/4R)或离中心线距离r=0.758R处（略大于3/4R）。
1.流量公式
检测头放在临界位置和中心位置的体积流量 分别如式（1）、（2）所示：
qv=A·F0·Fi·V=A·F0·Fi·Vav (1)
qv=A·F0·Fi·Fp·V (2)
式中A——流通面积；
=f 1—层流； V—所在点流速； 2—湍流，糙管； Vcl—中心线流速； 3—Re=4×103，光滑管； r—所在点离中心线距离； 4—Re=4×104，光滑管；R—管道半径； 5—Re=4×105，光滑管； 图2 工业管道流速廓形 |
F0——阻塞系数，是由检测探头插入流体中引起流通面积减少流速微小的增加，为限制阻塞影响，ISO7145建议检测探头直径d和管道直径D之比d/D≤0.06；
F1——插入系数，补偿插入检测头引起速度分布畸变影响，由实验求取；
Fp——分布系数，在管中心测得的流速Vcl是zui大流速，其与平均流速Vav之间的比即为Fp=（Vav/Vcl）<1；
V——所测得的局部流速，在临界位置V=Vav，在中心位置V=Vcl。
2.体积流量的不确定度
点流速计型ISF所测体积流量总不确定度Uqv，除检测头的不确定度外，还应包括流通面积、测量点位置、各系数等的不确定度。临界位置和中心位置总不确定度分别如式（3）、（4）所示。
（3）
（4）
式中 ——流通面积，即测量管道横截面面积的不确定度；
——局部速度测量不确定度，即检测头的不确定度；
——确定测量点（即临界位置）的不确定度，ISO7145规定Rcrit=（0.758±0.013）R；
——检测头安装位置的安装不确定度，在中心位置时因其附近横向速度梯度很小（也就是曲线平坦），可忽略不计；
——分布系数Fp的不确定度，与实验求取Fp的校验程序密切相关；
——求取阻塞系数的不确定度；
——求取插入系数的不确定度。
因为公式（1）、（2）中的校正系数是Fp、Fo、Fi是由制造商实验求取的，其不确定度与制造商完成的校准不确定度有关。因此终端用户仅能由校准决定体积流量测量的总不确定度才是zui有意义的计量学数据。
三、实验和数据
实验是利用水厂泵站附近现场DN300管道，设置如图3所示是标准表比较法校准装置。按ISO7145要求，插入检测头上游直管段长度L在中心位置时≥25D，在临界位置时≥50D，因受现场条件限制只能满足L=25D，为此装了一套长1m管束式流动调整器。
图3 标准表法校准简图
标准表是口径150mm Copa-XM型满管电磁流量计（Fischer+Porter产品），准确度为±0.2%R，满度流量为720m3/h。被测涡轮ISF是FLS型（Flow Level System产品），流速范围0.15～3.0m/s；电磁ISF是Aquaprobe型（ABB Kent-Tayler产品），满度流速3.5m/s。
调节控制阀到设定流量测量点，固定每次实验时间约1000s，尽量缩短启-停仪表输出记录步骤。在临界位置校准涡轮ISF和电磁ISF的数据如图4所示，在中心位置校准电磁ISF的数据如图5所示。
图4 在临界位置实验结果
图5 在中心位置实验结果
四、讨论
以本实验图4、5试验数据可获得以下一些信息：
（1）测量准确度。电磁ISF测量误差范围为-2%～+2.5%，误差带为±2.25%；涡轮ISF误差范围为-6.5%～0%，误差带为±3.25%，在低流量区误差较大，电磁ISF优于涡轮ISF。但这仅是校准所得的准确度，实际应用未作现场校准时还应考虑上文分析测量通道，准确度还要低。
（2）重复性。电磁ISF在中心位置为0.12%～0.67%之间，在临界位置为0.16%～0.60%之间；涡轮ISF在0.38%～1.13%之间。重复性电磁ISF优于涡轮ISF。
（3）中心位置和临界位置之间的比较。电磁ISF中心位置误差范围（-1.9%～+1%）比临界位置误差范围（-2%～+2.5%）小。临界位置测量误差比中心位置大的原因是实际临界位置（即平均流速位置）是随着流量变化游移的，而检测头是固定的，则实际所测流速与平均流速之间的比值有些变化；而在中心位置所测流速与平均流速间比值的变化比临界位置小。然而在大管径实际应用中，因中心位置安装时插入杆成为较长的悬臂梁，从机械稳固性方面因素考虑，一般还是采用临界位置安装。
