[導讀] 流量是工業(yè)生產(chǎn)過程的一個重要計量參數(shù)，而用來測量流量的儀表種類繁多，可以說沒有一種流量儀表能適合各種不同介質(zhì)流量測量。相對而言，在流量檢測中，節(jié)流式差壓流量計的應用最廣，20世紀90年代末，世界范圍內(nèi)的各種節(jié)流式差壓流量計的銷售量在流量計臺數(shù)總量中約占50%~60%。隨著電子技術的突飛猛進，變送器、流量積算儀等的精度、靈敏度已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，達到了很高的水平，但是，幾十年來流量檢測元件的檢測水平卻沒有重大突破，成了制約差壓式流量測量系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，使得高水平的下游儀表無法發(fā)揮出應有的高效率。
流量是工業(yè)生產(chǎn)過程的一個重要計量參數(shù)，而用來測量流量的儀表種類繁多，可以說沒有一種流量儀表能適合各種不同介質(zhì)流量測量。相對而言，在流量檢測中，節(jié)流式差壓流量計的應用最廣，20世紀90年代末，世界范圍內(nèi)的各種節(jié)流式差壓流量計的銷售量在流量計臺數(shù)總量中約占50%~60%。隨著電子技術的突飛猛進，變送器、流量積算儀等的精度、靈敏度已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，達到了很高的水平，但是，幾十年來流量檢測元件的檢測水平卻沒有重大突破，成了制約差壓式流量測量系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，使得高水平的下游儀表無法發(fā)揮出應有的高效率。
20世紀90年代，美國VERIS公司推出的全新均速管流量探頭— 威力巴（Verbar），使得檢測元件的測量精度、重復性和可靠性均達到一個新高度。
1 均速管流量探頭的發(fā)展
1.1 早期的均速皮托管
20世紀60年代，美國出現(xiàn)了最早的商業(yè)用均速皮托管。早期的均速皮托管為圓形探頭，高壓信號由迎向流體的一組取壓孔讀取，再從內(nèi)置的高壓取壓管導出；低壓信號由一個位于探頭后部的低壓取壓孔讀取，如圖1所示。由于圓形探頭的流體分離點不固定，流體系數(shù)與雷諾數(shù)有關，單一的低壓取壓孔無法取得平均的低壓信號等弊端，其測量精度為±10%~±15%。低壓取壓孔位于雜質(zhì)聚集的旋渦區(qū)，非常容易被堵塞。
1.2 鉆石I型探頭
20世紀70年代中期，為了提高均速流量探頭的測量精度，流量計量專家們對早期的均速流量探頭作了首次改良，推出了鉆石I型探頭。這種鉆石形的探頭設計使流體分離點得到固定，測量精度有所提高，如圖2所示。但是，在探頭結(jié)構(gòu)方面還保留了內(nèi)置高壓取壓管和單一低壓孔讀取低壓的設計。因此，仍然無法取得平均的低壓信號，它的流體系統(tǒng)數(shù)仍為雷諾數(shù)的函數(shù)。探頭的低壓取壓孔還是非常容易被堵。鉆石I型探頭的測量精度為±3%~±5%。
1.3 鉆石Ⅱ型探頭
20世紀80年代中期，出現(xiàn)了三片式多腔室的鉆石Ⅱ型探頭。它不再采用內(nèi)置高壓導壓管，而是由多個高壓和低壓取壓孔對稱地分布在探頭的前部和后部，能同時測得平均的高壓和低壓信號，此種設計大大提高了均速管的性能，如圖3所示。探頭的測量精度提高至±1%，它的流體系數(shù)K與雷諾數(shù)無關。雖然鉆石Ⅱ型探頭比早期和同期的探頭都優(yōu)越得多，但是均速管的“歷史問題”— 易堵塞、信號波動大、長期精度不高等問題始終無法解決。
1.4 橢圓形（流線形）探頭
為了克服鉆石Ⅱ型探頭的缺點，市場上曾經(jīng)出現(xiàn)過一種橢圓形探頭，如圖4所示。但是這種探頭受流體牽引力的影響非常大，而且探頭的高壓區(qū)變得非常小。流體實驗的結(jié)果表明：這種探頭的測量精度不穩(wěn)定，探頭的流體系數(shù)與雷諾數(shù)相關，并且對安裝要求非常高。它只是一種過渡性的產(chǎn)品。
1.5 子彈頭形探頭
由于受流量探頭的理論研究和制造技術的限制，早期的均速管的形狀必須是完全對稱的。到了20世紀90年代初，流量探頭的研制技術得到了進一步發(fā)展，得益于變送器水平的提高，于是出現(xiàn)了符合動力學原理的子彈頭形探頭。它的探頭結(jié)構(gòu)為一體化的單片雙腔金屬結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
子彈頭形探頭的出現(xiàn)，使流體動力學理論被首次應用在了探頭的精度、測量范圍、信號穩(wěn)定性和防堵性能的分析中。
一般的探頭低壓取壓孔位于探頭后部雜質(zhì)聚集的旋渦區(qū)，因此低壓取壓孔非常容易被堵塞而且使信號波動很大。新型的子彈頭形探頭的低壓取壓孔則位于探頭的側(cè)后部— 流體與探頭的分離點以前、雜質(zhì)聚集區(qū)以外。這樣不但實現(xiàn)了本質(zhì)防堵，而且產(chǎn)生了非常穩(wěn)定的無脈動的差壓信號。
子彈頭形探頭設計的最大突破是設計者提出了一個正確的理論模型來分析和預測一個無法在實驗室中模擬的管道的流體系數(shù)K。通過大量的實驗證實：流體系數(shù)是與雷諾數(shù)無關的常數(shù)，并且實際的K系數(shù)與理論預測的K系數(shù)的偏差僅為±0.5%。
2 威力巴（Verabar）均速管流量探頭的結(jié)構(gòu)和技術特點
2.1 威力巴均速管流量探頭的結(jié)構(gòu)
威力巴均速管流量探頭為子彈頭型。子彈頭截面形狀的探頭能產(chǎn)生精確的壓力分布，固定的流體分離點。位于探頭側(cè)后兩邊、流體分離點之前的低壓取壓孔，可以生成穩(wěn)定的差壓信號，內(nèi)部一體化結(jié)構(gòu)能避免信號滲漏，提高探頭結(jié)構(gòu)強度，保持長期高精度。
前表面粗糙處理（就象高爾夫球的表面）能減小流體牽引力，提高低流速時的測量精度。
2.2 威力巴均速管流量探頭的防堵塞設計
一般情況下，灰塵、沙子和顆粒在渦街力的作用下，集中在探頭的后部。其它的探頭由于低壓取壓孔取在探頭的尾部，在渦街力的作用下，探頭的低壓取壓孔很快地被渦流帶來的雜質(zhì)堵死。
威力巴的獨特設計，使低壓取壓孔位于探頭兩側(cè)，流體分離點和尾跡區(qū)的前部。這種設計從本質(zhì)上防止了堵塞并且能產(chǎn)生一個非常穩(wěn)定的信號，如圖6所示。
2.3 威力巴均速管流量探頭的節(jié)能特點
威力巴采用非收縮節(jié)流設計，比孔板的永久壓損至少低了95%以上，是一種高效率、節(jié)能的均速管流量探頭。在鎮(zhèn)海煉化7萬t/a硫磺回收裝置改造中，選用了威力巴均速管流量探頭。下面比較一下同孔板的壓損及運行費用：
威力巴和孔板的壓摜比較：
孔板壓損的經(jīng)驗公式：
當β=0.6時，△po=0.6×△p；
當β=0.7時，△po=0.5×△po。
其中，β為孔板的孔徑比；△p為孔板產(chǎn)生的整壓；△po為孔板產(chǎn)生的壓損。
標準噴嘴壓損大約為△pn=0.28×△P＇~0.33×△p＇，通過實驗可以得出，威力巴的壓摜大約為△pv=0.03×△p＇。
由于威力巴的差壓△p＇比孔板的差壓△p小一個數(shù)量級，而壓損的比例又小了一個數(shù)量級，所以威力巴的壓損和孔板的壓損相比幾乎微乎其徽。
節(jié)流件壓損帶來的功率損失，其計算表達為
P＇=qv×△p
式中：qv為流體體積流量；△p為節(jié)流件產(chǎn)生的壓損。
假設為了彌補節(jié)流件帶來的不可恢復的壓損，我們在其后增加一臺壓力泵，該泵的效率假定為ηo
則： P=qv×△p÷η
以氣體測量為例說明如下：
管徑為φ710×10mm壓力為33kPa（G），溫度為86℃ ，密度為1.381kg/nm3，流量16500nm3/h時威力巴所產(chǎn)生的差壓為0.1746kPa。威力巴所產(chǎn)生的壓損：
△pv=0.03×△p=0.03×0.17461= 5.2383×10-3（kPa）
假設電動機效率η=0.8，則威力巴損失的功率為
P=4.583×5.2383×10-3÷0.8=0.03（kw）
相同測點使用孔板測量，同樣條件下孔板的壓差為1.048kPa，孔板的=0.7，孔板所產(chǎn)生的壓損：
△po=0.5×1.O48=0.524（Kpa ）
孔板損失的功率為
P=4.583×0.524÷0.8=3（kW）
按連續(xù)運行一年，每kW電費為0.50元，則能耗換算成電費為
威力巴：131元/年；
孔扳：13140元/年。
由以上可以看出，使用威力巴均速管流量探頭與使用孔板相比，每年為了彌補節(jié)流件帶來的不可恢復的壓損所耗費的財力是微乎其微的，其經(jīng)濟效益非常明顯，間接的社會效益也十分顯著，每運行一年，每臺威力巴比孔板節(jié)省的運行費用為13000元。
3 應用前景
威力巴均速管流量探頭在企業(yè)的應用，由于其革命性的子彈頭非收縮節(jié)流設計，比孔板的永久壓損至少低了95%以上，大大降低了運行費用。它的安裝簡單方便，基本免維護，可以在線安裝和檢修，更是受到現(xiàn)場儀表人員的青睞。精度高、量程比大（大于10:1）、可測量多種介質(zhì)（液體、氣體、蒸氣）的特點讓威力巴均速管流量探頭應用范圍更廣泛，可以預見，威力巴流量計在流量測量領域具有廣闊的前景。
4 結(jié)束語
任何一種流量檢測裝置都有優(yōu)缺點，因此，具體應用要根據(jù)相應的工藝計量檢測控制要求和被測介質(zhì)狀況，選擇適宜的計量檢測方式；同時，對運行情況進行長期跟蹤觀察分析，準確掌握各種流量計的適應性，合理利用各種流量計的優(yōu)勢和特點，以滿足計量檢測需要。