[導(dǎo)讀] 本文以船用通風(fēng)系統(tǒng)空氣流量測(cè)量為基礎(chǔ)，介紹一種新穎的差壓式流量計(jì)，闡述了該流量計(jì)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和安裝方法，對(duì)應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行了分析，對(duì)應(yīng)用的效果進(jìn)行了總結(jié)。突出了該流量計(jì)在船用流量測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。
1 引言
船用通風(fēng)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的空氣流量，以保證可靠的工作性能。目前我國(guó)現(xiàn)有的氣體流量計(jì)，主要有孔板流量計(jì)、旋渦流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)等。從應(yīng)用角度看，這些流量計(jì)均存在著不同的問題。孔板流量計(jì)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件、變送器和智能顯示儀表組成，工作可靠、耐用，但是安裝、調(diào)試、維護(hù)及使用不方便。而旋渦流量計(jì)比較先進(jìn)，但安裝也有一定的困難，而且防震性能較差，抗干擾能力差；質(zhì)量流量計(jì)造價(jià)較高，運(yùn)行要求直管段太長(zhǎng)，不適合在艦船上使用。
VERIS公司推出了一種新型的均速流量計(jì)，稱為威力巴（Verabar）流量計(jì)，但其性能與傳統(tǒng)均速管流量計(jì)又有較大的改進(jìn)。現(xiàn)就使用威力巴流量計(jì)測(cè)量空氣流量的情況做一些探討。
2 威力巴流量計(jì)工作原理
威力巴流量計(jì)是一種差壓式、速率平均式傳感器，把傳感器插入管內(nèi)的流體，通過(guò)傳感器在流動(dòng)的流體中所產(chǎn)生的差壓進(jìn)行流量測(cè)量，如圖1。
威力巴流量計(jì)產(chǎn)生差壓的原理如圖2。和其他形狀的均速管相比，威力巴探頭部分有比較明顯的差別，威力巴探頭采用了根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的子彈頭外形，之所以這樣改進(jìn)，是因?yàn)槠渌螤畹奶筋^會(huì)存在一定的缺陷，如圓形探頭有多個(gè)流體分離點(diǎn)，造成流量系數(shù)不穩(wěn)定；菱形探頭雖然流體分離點(diǎn)固定，但由于尖銳的邊緣會(huì)產(chǎn)生很大的流體牽引力，引起探頭震動(dòng)和產(chǎn)生脈動(dòng)的噪聲信號(hào)；空氣動(dòng)力學(xué)形狀探頭由于高壓區(qū)范圍小，對(duì)流體迎角非常敏感，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量精度不可靠，測(cè)量誤差大于10%。而威力巴探頭這種子彈頭形防滲漏單體探頭，其流體分離點(diǎn)固定，并且克服了菱形探頭的缺點(diǎn)，這樣就有利于穩(wěn)定流量系數(shù)，同時(shí)，威力巴探頭采用了前部表面粗糙處理和防淤槽（在粗糙化表面和光滑表面的交界處加一條淺槽）。這樣，無(wú)論對(duì)于高速還是低速流體，都會(huì)產(chǎn)生湍流邊界層。使其達(dá)到降低牽引力和渦街脫落力的目的，并在很寬的流量范圍內(nèi)保證了精確的流量系數(shù)。這就相當(dāng)于有了一個(gè)湍流發(fā)生器。使產(chǎn)生的差壓信號(hào)更加穩(wěn)定，其流量檢測(cè)誤差達(dá)±1.0%，重復(fù)性達(dá)±0.1%，量程比為10:1。
從圖2中可以看出，流量計(jì)的低取壓孔位于探頭側(cè)后兩邊，此區(qū)域是流體與探頭分離點(diǎn)之前、遠(yuǎn)離渦流波動(dòng)區(qū)域。這樣的構(gòu)造既保證了測(cè)量準(zhǔn)確度，也使其在防堵方面得到非常大的改進(jìn)。因?yàn)樵谔筋^的前部，高靜壓區(qū)繞著探頭，使高壓孔不會(huì)堵塞。而低壓孔取在探頭側(cè)后兩邊，由于湍流發(fā)生器的作用，流體從表面斜而過(guò)，保護(hù)了低壓孔不會(huì)被驚動(dòng)，從而達(dá)到防堵的作用。如果把低壓孔取在低壓波動(dòng)區(qū)域，就會(huì)增加堵塞的可能性，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。
威力巴傳感器取得的差壓與流量的關(guān)系如下：
（1）
C＇=N*k*YV*D2 （2）
式中：
qv— 體積流量，m3；
N— 線性常數(shù)，與管道內(nèi)徑有關(guān)；
K— 流量系數(shù)；
Yv— 膨脹系數(shù)；
D— 管道內(nèi)徑，mm；
ΔP— 傳感器測(cè)得的差壓，kPa；
P1— 絕對(duì)壓力，MPa；
t1— 工作溫度，K；
z— 流體壓縮系數(shù)。
3 威力巴流量計(jì)測(cè)量時(shí)所需最小流速
威力巴流量計(jì)測(cè)量流體時(shí)，如果所測(cè)量的流體流速小于最小流速，測(cè)量精度下降3%~5%。威力巴流量計(jì)測(cè)量時(shí)所需最小流速要求見下表：
流體 最小差壓（kPa） 最小流速（m/s） 氣體 0.025 4.5 液體 0.25 0.6 蒸氣 0.38 9.7
4 威力巴流量計(jì)的安裝
威力巴流量計(jì)安裝方便，與孔板流量計(jì)相比省時(shí)省錢。威力巴只需用專用工具在管道上鉆一個(gè)馬鞍形的孔，進(jìn)行簡(jiǎn)單焊接，且與管道直徑大小關(guān)系不大，而孔板需要一個(gè)2倍管道圓周的焊接。以安裝DN250管道的流量計(jì)為例，威力巴流量計(jì)只進(jìn)行10cm的焊接，同樣的管道，安裝孔板需要進(jìn)行160cm焊接，焊接量?jī)H為孔板的1/16。
5 威力巴流量計(jì)的運(yùn)行效果
威力巴流量針的傳感器對(duì)流體基本上沒有壓縮，壓力損失非常小，如果使用孔板，節(jié)流裝置對(duì)流體有極大的壓縮，使能量損失很大。經(jīng)過(guò)論證，威力巴流量計(jì)的運(yùn)行能耗僅為孔板的5%左右。下面是威力巴流量計(jì)測(cè)量某船用通風(fēng)系統(tǒng)空氣流量的實(shí)例計(jì)算，從中可看出使用威力巴流量計(jì)的優(yōu)越性。
流體條件：測(cè)量介質(zhì)為空氣，管徑φ200mm，壓力500Pa，溫度20℃，測(cè)量流量1000m3/h。
由威力巴公司提供的軟件計(jì)算出此時(shí)威力巴探頭產(chǎn)生的壓差：
ΔP=0.08509KPa
壓力損失：
δP=O.03×ΔP=O.0025527kPa
為了補(bǔ)償壓損，必須增加動(dòng)力設(shè)備，由威力巴探頭所造成的損失功率：
（3）
為了方便計(jì)算，將各項(xiàng)的單位換算為常用的單位如下：
（設(shè)Ps的單位為瓦特，1W=1kg·m2/s3）
（4）
設(shè)風(fēng)機(jī)的有效功率為80%，則損失的總功率為：
（5）
在工況條件下：
（6）
因此，（5）式變?yōu)椋?/div>
式中：
QM— 流體質(zhì)量流量，kg/h；
δp— 威力巴的壓損，kPa；
ρ— 流體密度，kg/m3；
T— 流體溫度，T；
P— 流體壓力，kPa；
V— 流體體積，m3；
Qv— 流體的體積流量，Nm3/h。
所以，由威力巴探頭所造成的損失功率：
從上述可知：威力巴流量探頭壓力損失小、損失功率小、節(jié)省能源，從而達(dá)到降低對(duì)風(fēng)機(jī)出口壓力和功率的要求。還可降低噪音，改善艦員的生活環(huán)境。
6 結(jié)束語(yǔ)
威力巴流量計(jì)以其卓越的長(zhǎng)期高精度、簡(jiǎn)單方便的安裝、較低的直管段要求、低壓損、低能耗、抗干擾和高抗振能力，在艦船的各流量測(cè)量系統(tǒng)中將得到廣泛應(yīng)用。但任何事物都有其缺點(diǎn)，威力巴流量計(jì)也不例外，由于它對(duì)流體的壓縮很小，因此，它取得的差壓較小，對(duì)流速低的流體的測(cè)量效果不很理想。