[導讀] 本文以船用通風系統空氣流量測量為基礎，介紹一種新穎的差壓式流量計，闡述了該流量計的工作原理、基本結構、性能特點和安裝方法，對應用過程進行了分析，對應用的效果進行了總結。突出了該流量計在船用流量測量中的優勢和應用前景。
1 引言
船用通風系統需要穩定的空氣流量，以保證可靠的工作性能。目前我國現有的氣體流量計，主要有孔板流量計、旋渦流量計和質量流量計等。從應用角度看，這些流量計均存在著不同的問題。孔板流量計有國家標準，用標準節流件、變送器和智能顯示儀表組成，工作可靠、耐用，但是安裝、調試、維護及使用不方便。而旋渦流量計比較先進，但安裝也有一定的困難，而且防震性能較差，抗干擾能力差；質量流量計造價較高，運行要求直管段太長，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，稱為威力巴（Verabar）流量計，但其性能與傳統均速管流量計又有較大的改進。現就使用威力巴流量計測量空氣流量的情況做一些探討。
2 威力巴流量計工作原理
威力巴流量計是一種差壓式、速率平均式傳感器，把傳感器插入管內的流體，通過傳感器在流動的流體中所產生的差壓進行流量測量，如圖1。
威力巴流量計產生差壓的原理如圖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空氣動力學原理設計的子彈頭外形，之所以這樣改進，是因為其他形狀的探頭會存在一定的缺陷，如圓形探頭有多個流體分離點，造成流量系數不穩定；菱形探頭雖然流體分離點固定，但由于尖銳的邊緣會產生很大的流體牽引力，引起探頭震動和產生脈動的噪聲信號；空氣動力學形狀探頭由于高壓區范圍小，對流體迎角非常敏感，導致實際測量精度不可靠，測量誤差大于10%。而威力巴探頭這種子彈頭形防滲漏單體探頭，其流體分離點固定，并且克服了菱形探頭的缺點，這樣就有利于穩定流量系數，同時，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，無論對于高速還是低速流體，都會產生湍流邊界層。使其達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保證了精確的流量系數。這就相當于有了一個湍流發生器。使產生的差壓信號更加穩定，其流量檢測誤差達±1.0%，重復性達±0.1%，量程比為10:1。
從圖2中可以看出，流量計的低取壓孔位于探頭側后兩邊，此區域是流體與探頭分離點之前、遠離渦流波動區域。這樣的構造既保證了測量準確度，也使其在防堵方面得到非常大的改進。因為在探頭的前部，高靜壓區繞著探頭，使高壓孔不會堵塞。而低壓孔取在探頭側后兩邊，由于湍流發生器的作用，流體從表面斜而過，保護了低壓孔不會被驚動，從而達到防堵的作用。如果把低壓孔取在低壓波動區域，就會增加堵塞的可能性，影響測量準確度。
威力巴傳感器取得的差壓與流量的關系如下：
（1）
C＇=N*k*YV*D2 （2）
式中：
qv— 體積流量，m3；
N— 線性常數，與管道內徑有關；
K— 流量系數；
Yv— 膨脹系數；
D— 管道內徑，mm；
ΔP— 傳感器測得的差壓，kPa；
P1— 絕對壓力，MPa；
t1— 工作溫度，K；
z— 流體壓縮系數。
3 威力巴流量計測量時所需最小流速
威力巴流量計測量流體時，如果所測量的流體流速小于最小流速，測量精度下降3%~5%。威力巴流量計測量時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 威力巴流量計的安裝
威力巴流量計安裝方便，與孔板流量計相比省時省錢。威力巴只需用專用工具在管道上鉆一個馬鞍形的孔，進行簡單焊接，且與管道直徑大小關系不大，而孔板需要一個2倍管道圓周的焊接。以安裝DN250管道的流量計為例，威力巴流量計只進行10cm的焊接，同樣的管道，安裝孔板需要進行160cm焊接，焊接量僅為孔板的1/16。
5 威力巴流量計的運行效果
威力巴流量針的傳感器對流體基本上沒有壓縮，壓力損失非常小，如果使用孔板，節流裝置對流體有極大的壓縮，使能量損失很大。經過論證，威力巴流量計的運行能耗僅為孔板的5%左右。下面是威力巴流量計測量某船用通風系統空氣流量的實例計算，從中可看出使用威力巴流量計的優越性。
流體條件：測量介質為空氣，管徑φ200mm，壓力500Pa，溫度20℃，測量流量1000m3/h。
由威力巴公司提供的軟件計算出此時威力巴探頭產生的壓差：
ΔP=0.08509KPa
壓力損失：
δP=O.03×ΔP=O.0025527kPa
為了補償壓損，必須增加動力設備，由威力巴探頭所造成的損失功率：
（3）
為了方便計算，將各項的單位換算為常用的單位如下：
（設Ps的單位為瓦特，1W=1kg·m2/s3）
（4）
設風機的有效功率為80%，則損失的總功率為：
（5）
在工況條件下：
（6）
因此，（5）式變為：
式中：
QM— 流體質量流量，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、節省能源，從而達到降低對風機出口壓力和功率的要求。還可降低噪音，改善艦員的生活環境。
6 結束語
威力巴流量計以其卓越的長期高精度、簡單方便的安裝、較低的直管段要求、低壓損、低能耗、抗干擾和高抗振能力，在艦船的各流量測量系統中將得到廣泛應用。但任何事物都有其缺點，威力巴流量計也不例外，由于它對流體的壓縮很小，因此，它取得的差壓較小，對流速低的流體的測量效果不很理想。