[導(dǎo)讀] 流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)重要計(jì)量參數(shù)，而用來(lái)測(cè)量流量的儀表種類繁多，可以說(shuō)沒(méi)有一種流量?jī)x表能適合各種不同介質(zhì)流量測(cè)量。相對(duì)而言，在流量檢測(cè)中，節(jié)流式差壓流量計(jì)的應(yīng)用最廣，20世紀(jì)90年代末，世界范圍內(nèi)的各種節(jié)流式差壓流量計(jì)的銷售量在流量計(jì)臺(tái)數(shù)總量中約占50%~60%。隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，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(dá)到了很高的水平，但是，幾十年來(lái)流量檢測(cè)元件的檢測(cè)水平卻沒(méi)有重大突破，成了制約差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，使得高水平的下游儀表無(wú)法發(fā)揮出應(yīng)有的高效率。
流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的一個(gè)重要計(jì)量參數(shù)，而用來(lái)測(cè)量流量的儀表種類繁多，可以說(shuō)沒(méi)有一種流量?jī)x表能適合各種不同介質(zhì)流量測(cè)量。相對(duì)而言，在流量檢測(cè)中，節(jié)流式差壓流量計(jì)的應(yīng)用最廣，20世紀(jì)90年代末，世界范圍內(nèi)的各種節(jié)流式差壓流量計(jì)的銷售量在流量計(jì)臺(tái)數(shù)總量中約占50%~60%。隨著電子技術(shù)的突飛猛進(jìn)，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(dá)到了很高的水平，但是，幾十年來(lái)流量檢測(cè)元件的檢測(cè)水平卻沒(méi)有重大突破，成了制約差壓式流量測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸，使得高水平的下游儀表無(wú)法發(fā)揮出應(yīng)有的高效率。
20世紀(jì)90年代，美國(guó)VERIS公司推出的全新均速管流量探頭— 威力巴（Verbar），使得檢測(cè)元件的測(cè)量精度、重復(fù)性和可靠性均達(dá)到一個(gè)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(jì)60年代，美國(guó)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(hào)由迎向流體的一組取壓孔讀取，再?gòu)膬?nèi)置的高壓取壓管導(dǎo)出；低壓信號(hào)由一個(gè)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(diǎn)不固定，流體系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，單一的低壓取壓孔無(wú)法取得平均的低壓信號(hào)等弊端，其測(cè)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(jì)70年代中期，為了提高均速流量探頭的測(cè)量精度，流量計(jì)量專家們對(duì)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(shè)計(jì)使流體分離點(diǎn)得到固定，測(cè)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(shè)計(jì)。因此，仍然無(wú)法取得平均的低壓信號(hào)，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(cè)量精度為±3%~±5%。
1.3 鉆石Ⅱ型探頭
20世紀(jì)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(dǎo)壓管，而是由多個(gè)高壓和低壓取壓孔對(duì)稱地分布在探頭的前部和后部，能同時(shí)測(cè)得平均的高壓和低壓信號(hào)，此種設(shè)計(jì)大大提高了均速管的性能，如圖3所示。探頭的測(cè)量精度提高至±1%，它的流體系數(shù)K與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)。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(wèn)題”— 易堵塞、信號(hào)波動(dòng)大、長(zhǎng)期精度不高等問(wèn)題始終無(wú)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(diǎn)，市場(chǎng)上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：這種探頭的測(cè)量精度不穩(wěn)定，探頭的流體系數(shù)與雷諾數(shù)相關(guān)，并且對(duì)安裝要求非常高。它只是一種過(guò)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(shù)的限制，早期的均速管的形狀必須是完全對(duì)稱的。到了20世紀(jì)90年代初，流量探頭的研制技術(shù)得到了進(jìn)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(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)理論被首次應(yīng)用在了探頭的精度、測(cè)量范圍、信號(hào)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(hào)波動(dòng)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(diǎn)以前、雜質(zhì)聚集區(qū)以外。這樣不但實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)防堵，而且產(chǎn)生了非常穩(wěn)定的無(wú)脈動(dòng)的差壓信號(hào)。
子彈頭形探頭設(shè)計(jì)的最大突破是設(shè)計(jì)者提出了一個(gè)正確的理論模型來(lái)分析和預(yù)測(cè)一個(gè)無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中模擬的管道的流體系數(shù)K。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)：流體系數(shù)是與雷諾數(shù)無(wú)關(guān)的常數(shù)，并且實(shí)際的K系數(shù)與理論預(yù)測(cè)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(shù)特點(diǎn)
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(diǎn)。位于探頭側(cè)后兩邊、流體分離點(diǎn)之前的低壓取壓孔，可以生成穩(wěn)定的差壓信號(hào)，內(nèi)部一體化結(jié)構(gòu)能避免信號(hào)滲漏，提高探頭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保持長(zhǎng)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(shí)的測(cè)量精度。
2.2 威力巴均速管流量探頭的防堵塞設(shè)計(jì)
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(lái)的雜質(zhì)堵死。
威力巴的獨(dú)特設(shè)計(jì)，使低壓取壓孔位于探頭兩側(cè)，流體分離點(diǎn)和尾跡區(qū)的前部。這種設(shè)計(jì)從本質(zhì)上防止了堵塞并且能產(chǎn)生一個(gè)非常穩(wěn)定的信號(hào)，如圖6所示。
2.3 威力巴均速管流量探頭的節(jié)能特點(diǎn)
威力巴采用非收縮節(jié)流設(shè)計(jì)，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(wàn)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(yùn)行費(fèi)用：
威力巴和孔板的壓摜比較：
孔板壓損的經(jīng)驗(yàn)公式：
當(dāng)β=0.6時(shí)，△po=0.6×△p；
當(dāng)β=0.7時(shí)，△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(biāo)準(zhǔn)噴嘴壓損大約為△pn=0.28×△P＇~0.33×△p＇，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)，而壓損的比例又小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(lái)的功率損失，其計(jì)算表達(dá)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(shè)為了彌補(bǔ)節(jié)流件帶來(lái)的不可恢復(fù)的壓損，我們?cè)谄浜笤黾右慌_(tái)壓力泵，該泵的效率假定為ηo
則： P=qv×△p÷η
以氣體測(cè)量為例說(shuō)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(shí)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(shè)電動(dòng)機(jī)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(cè)點(diǎn)使用孔板測(cè)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(yùn)行一年，每kW電費(fèi)為0.50元，則能耗換算成電費(fèi)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(bǔ)節(jié)流件帶來(lái)的不可恢復(fù)的壓損所耗費(fèi)的財(cái)力是微乎其微的，其經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，間接的社會(huì)效益也十分顯著，每運(yùn)行一年，每臺(tái)威力巴比孔板節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為13000元。
3 應(yīng)用前景
威力巴均速管流量探頭在企業(yè)的應(yīng)用，由于其革命性的子彈頭非收縮節(jié)流設(shè)計(jì)，比孔板的永久壓損至少低了95%以上，大大降低了運(yùn)行費(fèi)用。它的安裝簡(jiǎn)單方便，基本免維護(hù)，可以在線安裝和檢修，更是受到現(xiàn)場(chǎng)儀表人員的青睞。精度高、量程比大（大于10:1）、可測(cè)量多種介質(zhì)（液體、氣體、蒸氣）的特點(diǎn)讓威力巴均速管流量探頭應(yīng)用范圍更廣泛，可以預(yù)見(jiàn)，威力巴流量計(jì)在流量測(cè)量領(lǐng)域具有廣闊的前景。
4 結(jié)束語(yǔ)
任何一種流量檢測(cè)裝置都有優(yōu)缺點(diǎn)，因此，具體應(yīng)用要根據(jù)相應(yīng)的工藝計(jì)量檢測(cè)控制要求和被測(cè)介質(zhì)狀況，選擇適宜的計(jì)量檢測(cè)方式；同時(shí)，對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤觀察分析，準(zhǔn)確掌握各種流量計(jì)的適應(yīng)性，合理利用各種流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，以滿足計(jì)量檢測(cè)需要。