[导读] 流量是工业生产过程的一个重要计量参数，而用来测量流量的仪表种类繁多，可以说没有一种流量仪表能适合各种不同介质流量测量。相对而言，在流量检测中，节流式差压流量计的应用最广，20世纪90年代末，世界范围内的各种节流式差压流量计的销售量在流量计台数总量中约占50%~60%。随着电子技术的突飞猛进，变送器、流量积算仪等的精度、灵敏度已经发生了质的变化，达到了很高的水平，但是，几十年来流量检测元件的检测水平却没有重大突破，成了制约差压式流量测量系统发展的瓶颈，使得高水平的下游仪表无法发挥出应有的高效率。
流量是工业生产过程的一个重要计量参数，而用来测量流量的仪表种类繁多，可以说没有一种流量仪表能适合各种不同介质流量测量。相对而言，在流量检测中，节流式差压流量计的应用最广，20世纪90年代末，世界范围内的各种节流式差压流量计的销售量在流量计台数总量中约占50%~60%。随着电子技术的突飞猛进，变送器、流量积算仪等的精度、灵敏度已经发生了质的变化，达到了很高的水平，但是，几十年来流量检测元件的检测水平却没有重大突破，成了制约差压式流量测量系统发展的瓶颈，使得高水平的下游仪表无法发挥出应有的高效率。
20世纪90年代，美国VERIS公司推出的全新均速管流量探头— 威力巴（Verbar），使得检测元件的测量精度、重复性和可靠性均达到一个新高度。
1 均速管流量探头的发展
1.1 早期的均速皮托管
20世纪60年代，美国出现了最早的商业用均速皮托管。早期的均速皮托管为圆形探头，高压信号由迎向流体的一组取压孔读取，再从内置的高压取压管导出；低压信号由一个位于探头后部的低压取压孔读取，如图1所示。由于圆形探头的流体分离点不固定，流体系数与雷诺数有关，单一的低压取压孔无法取得平均的低压信号等弊端，其测量精度为±10%~±15%。低压取压孔位于杂质聚集的旋涡区，非常容易被堵塞。
1.2 钻石I型探头
20世纪70年代中期，为了提高均速流量探头的测量精度，流量计量专家们对早期的均速流量探头作了首次改良，推出了钻石I型探头。这种钻石形的探头设计使流体分离点得到固定，测量精度有所提高，如图2所示。但是，在探头结构方面还保留了内置高压取压管和单一低压孔读取低压的设计。因此，仍然无法取得平均的低压信号，它的流体系统数仍为雷诺数的函数。探头的低压取压孔还是非常容易被堵。钻石I型探头的测量精度为±3%~±5%。
1.3 钻石Ⅱ型探头
20世纪80年代中期，出现了三片式多腔室的钻石Ⅱ型探头。它不再采用内置高压导压管，而是由多个高压和低压取压孔对称地分布在探头的前部和后部，能同时测得平均的高压和低压信号，此种设计大大提高了均速管的性能，如图3所示。探头的测量精度提高至±1%，它的流体系数K与雷诺数无关。虽然钻石Ⅱ型探头比早期和同期的探头都优越得多，但是均速管的“历史问题”— 易堵塞、信号波动大、长期精度不高等问题始终无法解决。
1.4 椭圆形（流线形）探头
为了克服钻石Ⅱ型探头的缺点，市场上曾经出现过一种椭圆形探头，如图4所示。但是这种探头受流体牵引力的影响非常大，而且探头的高压区变得非常小。流体实验的结果表明：这种探头的测量精度不稳定，探头的流体系数与雷诺数相关，并且对安装要求非常高。它只是一种过渡性的产品。
1.5 子弹头形探头
由于受流量探头的理论研究和制造技术的限制，早期的均速管的形状必须是完全对称的。到了20世纪90年代初，流量探头的研制技术得到了进一步发展，得益于变送器水平的提高，于是出现了符合动力学原理的子弹头形探头。它的探头结构为一体化的单片双腔金属结构，如图5所示。
子弹头形探头的出现，使流体动力学理论被首次应用在了探头的精度、测量范围、信号稳定性和防堵性能的分析中。
一般的探头低压取压孔位于探头后部杂质聚集的旋涡区，因此低压取压孔非常容易被堵塞而且使信号波动很大。新型的子弹头形探头的低压取压孔则位于探头的侧后部— 流体与探头的分离点以前、杂质聚集区以外。这样不但实现了本质防堵，而且产生了非常稳定的无脉动的差压信号。
子弹头形探头设计的最大突破是设计者提出了一个正确的理论模型来分析和预测一个无法在实验室中模拟的管道的流体系数K。通过大量的实验证实：流体系数是与雷诺数无关的常数，并且实际的K系数与理论预测的K系数的偏差仅为±0.5%。
2 威力巴（Verabar）均速管流量探头的结构和技术特点
2.1 威力巴均速管流量探头的结构
威力巴均速管流量探头为子弹头型。子弹头截面形状的探头能产生精确的压力分布，固定的流体分离点。位于探头侧后两边、流体分离点之前的低压取压孔，可以生成稳定的差压信号，内部一体化结构能避免信号渗漏，提高探头结构强度，保持长期高精度。
前表面粗糙处理（就象高尔夫球的表面）能减小流体牵引力，提高低流速时的测量精度。
2.2 威力巴均速管流量探头的防堵塞设计
一般情况下，灰尘、沙子和颗粒在涡街力的作用下，集中在探头的后部。其它的探头由于低压取压孔取在探头的尾部，在涡街力的作用下，探头的低压取压孔很快地被涡流带来的杂质堵死。
威力巴的独特设计，使低压取压孔位于探头两侧，流体分离点和尾迹区的前部。这种设计从本质上防止了堵塞并且能产生一个非常稳定的信号，如图6所示。
2.3 威力巴均速管流量探头的节能特点
威力巴采用非收缩节流设计，比孔板的永久压损至少低了95%以上，是一种高效率、节能的均速管流量探头。在镇海炼化7万t/a硫磺回收装置改造中，选用了威力巴均速管流量探头。下面比较一下同孔板的压损及运行费用：
威力巴和孔板的压掼比较：
孔板压损的经验公式：
当β=0.6时，△po=0.6×△p；
当β=0.7时，△po=0.5×△po。
其中，β为孔板的孔径比；△p为孔板产生的整压；△po为孔板产生的压损。
标准喷嘴压损大约为△pn=0.28×△P＇~0.33×△p＇，通过实验可以得出，威力巴的压掼大约为△pv=0.03×△p＇。
由于威力巴的差压△p＇比孔板的差压△p小一个数量级，而压损的比例又小了一个数量级，所以威力巴的压损和孔板的压损相比几乎微乎其徽。
节流件压损带来的功率损失，其计算表达为
P＇=qv×△p
式中：qv为流体体积流量；△p为节流件产生的压损。
假设为了弥补节流件带来的不可恢复的压损，我们在其后增加一台压力泵，该泵的效率假定为ηo
则： P=qv×△p÷η
以气体测量为例说明如下：
管径为φ710×10mm压力为33kPa（G），温度为86℃ ，密度为1.381kg/nm3，流量16500nm3/h时威力巴所产生的差压为0.1746kPa。威力巴所产生的压损：
△pv=0.03×△p=0.03×0.17461= 5.2383×10-3（kPa）
假设电动机效率η=0.8，则威力巴损失的功率为
P=4.583×5.2383×10-3÷0.8=0.03（kw）
相同测点使用孔板测量，同样条件下孔板的压差为1.048kPa，孔板的=0.7，孔板所产生的压损：
△po=0.5×1.O48=0.524（Kpa ）
孔板损失的功率为
P=4.583×0.524÷0.8=3（kW）
按连续运行一年，每kW电费为0.50元，则能耗换算成电费为
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头与使用孔板相比，每年为了弥补节流件带来的不可恢复的压损所耗费的财力是微乎其微的，其经济效益非常明显，间接的社会效益也十分显著，每运行一年，每台威力巴比孔板节省的运行费用为13000元。
3 应用前景
威力巴均速管流量探头在企业的应用，由于其革命性的子弹头非收缩节流设计，比孔板的永久压损至少低了95%以上，大大降低了运行费用。它的安装简单方便，基本免维护，可以在线安装和检修，更是受到现场仪表人员的青睐。精度高、量程比大（大于10:1）、可测量多种介质（液体、气体、蒸气）的特点让威力巴均速管流量探头应用范围更广泛，可以预见，威力巴流量计在流量测量领域具有广阔的前景。
4 结束语
任何一种流量检测装置都有优缺点，因此，具体应用要根据相应的工艺计量检测控制要求和被测介质状况，选择适宜的计量检测方式；同时，对运行情况进行长期跟踪观察分析，准确掌握各种流量计的适应性，合理利用各种流量计的优势和特点，以满足计量检测需要。