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插入式渦輪流量計和插入式電磁流量計實驗性能比較
點擊次數：1812 發布時間：2014-5-17
一、概論
插入式流量計（ISF）是將流速檢測頭從管道預留孔插入管道，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、壓損小等優點，從1980年前后開始在我國公用事業水行業中漸漸擴大應用于大管徑流量測量。表1所示是供水業兩個年段調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%。又據業內人士估計，2006年中國儀器儀表行業協會會員單位生產點流速計型ISF超過2500臺，加上會員外單位生產和進口，市場銷售臺數將超過許多，從中可以看出ISF在我國的應用規模。
表1 我國供水業流量儀表裝用品種分布（%）
序號 | 品種 項目摘要 | 差壓式 | 電磁式 | 超聲式 | 插入式 | 均速管 | 其他 | 樣本總數(臺) | ||
文丘里管 | 孔板 | 渦輪 | 渦街 | |||||||
1 | 1991年29家大中水廠 出廠水計量① | 10.4 | 3.4 | 10.5 | 14.3 | 38.4 | 9.9 | 3.0 | 10.1 | 524 |
2 | 2002/2003年46家 大中水廠裝用② | 1.8 |
| 61.9 | 26.6 | 9.7 |
|
| 10.0 | 1900 |
資料來源：①汪光燾：城市供水2000年技術發展規劃，中國建筑工業出版社，1993；②中國水協：流量儀表應用技術研討會資料匯編，2003。
ISF可分為徑流速計型和點流速計型兩大類，供水業較少采用徑流速計型ISF（如均速管），較多采用點流速計型ISF，常用品種有渦輪式和電磁式。
大管徑應用點流速計型ISF的優點是：
（1）安裝維修方便，可不斷流安裝和維護更換；
（2）結構簡單，重量輕，價格低，且不與管道尺寸相關；
（3）壓損小，測量所需泵負載能耗小；
（4）一種規格流速檢測頭可用于各種管徑；
（5）有良好的用戶適應性，除固定安裝外也適用臨時安裝與其他使用中儀表比對。
其缺點是：
（1）測量性能受流動狀況即來流流速分布和旋轉度影響大，前置直管要求長；
（2）準確度較低，一般為±（2.5～5）%R。
ISF由于測量準確度較低，一般認為不適用于核算貿易計算，僅適用于過程監（檢）測與控制系統，例如供水業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80年代我國供水業出廠水原來大部分都不裝核算計量儀表，在裝用計量儀表初期由于當時進口電磁流量計價格昂貴，初創期國產電磁流量計準確度低（±2.5%FS），即使ISF準確度更低，比不計量還是一大進步。因此，一度成為供水業大管徑流量測量的主導儀表，1991年裝用高達48%。現在這些使用場所已漸被準確度為±（0.5～1）%R的電磁流量計（和超聲流量計）所替代，僅有小型水廠限于投資，仍有一部分用作核算計量。
表2 點流速計型ISF性能比較
比較項目 | 渦輪式 | 電磁式 | 渦街式 |
1.檢測頭準確度 | (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 |
點流速計型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，準確度渦街式較差；抗污性渦輪式因有活動元件zui差；渦街式怕纖維纏繞，電磁式；下限流速渦街式zui差，目前供水業已很少采用渦街式。近年插入式電磁流量計已進入和蠶食插入式渦輪流量計的傳統領地。據業內人士估計，2006年ISF生產臺數電磁式已占近80%，超過渦輪式所占16%，說明今后新裝用ISF電磁式將居于強勢。
關于ISF的現場運行性能，意大利Naples ”Federico II” 大學Furio Casceffa 等發表論文（ISA Transactions 42 (2003): 171～179），報告插入式渦輪流量計和插入式電磁流量計現場校驗的性能比較，本文作扼要述評，在此之前簡述ISF工作原理。
二、點流速計型ISF工作原理
圖1 插入式流量計測量點示意圖 |
點流速計型ISF實質上屬封閉管道流量測量方法中的速度面積法，是單臺流速計與流速積算技術結合起來的測量方法。流速檢測頭插在管道中心位置或臨界點位置（見圖1）。管道內流體從靜止開始流動是層流，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Re增大）廓形趨于扁平。然而實際工業管道是粗糙管壁，廓形則如圖2虛線2所示。1947年，Aichelson推薦臨界點位置離中心線位置r=0.762R，他發現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，幾乎與流速無關，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：
qv=A·F0·Fi·V=A·F0·Fi·Vav (1)
qv=A·F0·Fi·Fp·V (2)
式中A——流通面積；
=f 1—層流； V—所在點流速； 2—湍流，糙管； Vcl—中心線流速； 3—Re=4×103，光滑管； r—所在點離中心線距離； 4—Re=4×104，光滑管；R—管道半徑； 5—Re=4×105，光滑管； 圖2 工業管道流速廓形 |
F0——阻塞系數，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，補償插入檢測頭引起速度分布畸變影響，由實驗求取；
Fp——分布系數，在管中心測得的流速Vcl是zui大流速，其與平均流速Vav之間的比即為Fp=（Vav/Vcl）<1；
V——所測得的局部流速，在臨界位置V=Vav，在中心位置V=Vcl。
2.體積流量的不確定度
點流速計型ISF所測體積流量總不確定度Uqv，除檢測頭的不確定度外，還應包括流通面積、測量點位置、各系數等的不確定度。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（即臨界位置）的不確定度，ISO7145規定Rcrit=（0.758±0.013）R；
——檢測頭安裝位置的安裝不確定度，在中心位置時因其附近橫向速度梯度很小（也就是曲線平坦），可忽略不計；
——分布系數Fp的不確定度，與實驗求取Fp的校驗程序密切相關；
——求取阻塞系數的不確定度；
——求取插入系數的不確定度。
因為公式（1）、（2）中的校正系數是Fp、Fo、Fi是由制造商實驗求取的，其不確定度與制造商完成的校準不確定度有關。因此終端用戶僅能由校準決定體積流量測量的總不確定度才是zui有意義的計量學數據。
三、實驗和數據
實驗是利用水廠泵站附近現場DN300管道，設置如圖3所示是標準表比較法校準裝置。按ISO7145要求，插入檢測頭上游直管段長度L在中心位置時≥25D，在臨界位置時≥50D，因受現場條件限制只能滿足L=25D，為此裝了一套長1m管束式流動調整器。
圖3 標準表法校準簡圖
標準表是口徑150mm Copa-XM型滿管電磁流量計（Fischer+Porter產品），準確度為±0.2%R，滿度流量為720m3/h。被測渦輪ISF是FLS型（Flow Level System產品），流速范圍0.15～3.0m/s；電磁ISF是Aquaprobe型（ABB Kent-Tayler產品），滿度流速3.5m/s。
調節控制閥到設定流量測量點，固定每次實驗時間約1000s，盡量縮短啟-停儀表輸出記錄步驟。在臨界位置校準渦輪ISF和電磁ISF的數據如圖4所示，在中心位置校準電磁ISF的數據如圖5所示。
圖4 在臨界位置實驗結果
圖5 在中心位置實驗結果
四、討論
以本實驗圖4、5試驗數據可獲得以下一些信息：
（1）測量準確度。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%，在低流量區誤差較大，電磁ISF優于渦輪ISF。但這僅是校準所得的準確度，實際應用未作現場校準時還應考慮上文分析測量通道，準確度還要低。
（2）重復性。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。重復性電磁ISF優于渦輪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。然而在大管徑實際應用中，因中心位置安裝時插入桿成為較長的懸臂梁，從機械穩固性方面因素考慮，一般還是采用臨界位置安裝。