0 前言

      均速流量探頭（又稱均速管）是基于20世紀(jì)60年代皮托（Pitot）管測(cè)速原理發(fā)展起來(lái)的一種差壓式流量計(jì)。這種流量計(jì)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，壓力損失小，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，由于節(jié)約能源和大管道流量測(cè)量等的迫切需求，促進(jìn)了均速測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多新產(chǎn)品，例如子彈頭形、T形、雙D形、德?tīng)査停―eltaflow）等均速流量探頭。威爾巴（Wellbar）探頭是子彈頭均速流量探頭的一種主要產(chǎn)品，在市場(chǎng)上最受歡迎，在電力、冶金、化工、供水、供氣等部門(mén)廣泛應(yīng)用。特別是在火力發(fā)電廠的風(fēng)量測(cè)量應(yīng)用尤為突出。本文以此為例就其測(cè)量原理、數(shù)學(xué)模型、特點(diǎn)和應(yīng)用作綜合評(píng)述。

      1 測(cè)量原理

      在管道中插入一根威爾巴探頭，如圖2所示。當(dāng)流體流過(guò)時(shí)，在探頭前部（迎流方向）產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)，在其后部產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)。探頭檢測(cè)桿在高低壓區(qū)內(nèi)，有按一定規(guī)則布置的多對(duì)全壓孔和靜壓孔（一般為三對(duì)），分別測(cè)量流體的平均全壓力（包括平均速度壓力和靜壓力）P₁和靜壓力P₂。將P₁和P₂引入差壓變送器高壓室（+）和低壓室（-），測(cè)得差壓ΔP=P₁- P₂，則ΔP反映了平均速度的大小。在流體的平均流速（流量）與差壓平方根之間存在比例關(guān)系，從測(cè)得的差壓可推算出流體流量，流量實(shí)用公式如下：

      式中：Q― 流體的體積流量，m³/h；
               M― 流體的質(zhì)量流量，kg/h ；
               △P― 流體流過(guò)探頭產(chǎn)生的差壓，KPa；
               ρ― 流體工作密度，kg/m³；
               D― 工作溫度下的圓管直徑或方管的當(dāng)量直徑，mm；
               K― 流量系數(shù)；
               Y_v― 氣體膨脹系數(shù)，對(duì)于液體Y_v=1；
               0.12645― 計(jì)量常數(shù)，采用的計(jì)量單位為m³/h、kg/h、mm、kg/m³、KPa等。

      從式（1）和式（2）可見(jiàn)：當(dāng)D、ρ、K、Y_v為已知時(shí)，便可從測(cè)得差壓ΔP值，求出流體流量Q或M值。

      威爾巴流量計(jì)的基本組成為威爾巴探頭，差壓變送器和流量積算儀，后者具有開(kāi)方、乘除、加減等運(yùn)算功能，顯示瞬時(shí)流量，累計(jì)總量，溫度和壓力等參數(shù)。如果流體的溫度壓力變化較大，需要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償時(shí)，在測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)增加溫度變送器和壓力變送器。流量計(jì)也可與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。

      2 數(shù)學(xué)模型

      當(dāng)威爾巴探頭插入管道測(cè)量流體速度時(shí)（如圖2），可寫(xiě)出伯努力方程式如下：

      式中：ρ― 流體工作密度，kg/m³；
               △P― 差壓，Pa；
               P₁、P₂― 全壓孔與靜壓孔的壓力，Pa；
               C₁― 摩擦阻力系數(shù)；
               V₁、V₂― 全壓孔與靜壓孔所在截面的平均流速，m/s；
               C₂― 局部阻力系數(shù)。

      由于檢測(cè)桿占據(jù)管道部分空間，減小了管道中的流體流通面積，故流速V₂將大于V₁。從連續(xù)性方程可得：

      式中：a― 阻塞比

      將（5）代入（4）式得：

      式（6）是威爾巴探頭測(cè)量平均流速的理論公式，據(jù)此可導(dǎo)出實(shí)用公式（1）和（2）。

      式（7）是威爾巴探頭的流量系數(shù)K的理論公式，影響式中a、C₁、C₂的主要因素有探頭檢測(cè)桿的形狀和尺寸，管道直徑，檢測(cè)桿和管道的表面粗糙度，流體種類和流速等，流量系數(shù)K不能直接計(jì)算，需由實(shí)驗(yàn)求取。

      按照部頒標(biāo)準(zhǔn)JB/T5325-91《均速管流量傳感器》的規(guī)定，威爾巴探頭在空氣（管徑D≤600mm）或水（管徑D≤500mm）流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行標(biāo)定，求取流量系數(shù)等數(shù)據(jù)。對(duì)于大管道探頭，尤其是Ф1000~2000~5000mm管道探頭，由于缺乏大型的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，威爾巴探頭的流量系數(shù)，是在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，用外推法求得。實(shí)踐證明，這種方法在解決大管道探頭的流量系數(shù)問(wèn)題上，乃是現(xiàn)實(shí)的成功的一個(gè)探索，在用戶現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果比較滿意。

      3 主要特點(diǎn)

      威爾巴探頭截面形狀為子彈頭，如圖3所示?？仡^的設(shè)計(jì)與加工嚴(yán)格，品質(zhì)優(yōu)良。其主要特點(diǎn)如下：

      1. 科學(xué)的截面形狀：子彈頭形截面，符合流體動(dòng)力學(xué)原理，流體通過(guò)時(shí)，所受的牽引力最小，且能使流體與探頭的分離點(diǎn)固定，故探頭產(chǎn)生的差壓信號(hào)穩(wěn)定，壓力損失小。
      2. 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)：采用整體的金屬雙腔（全壓腔和靜壓腔）結(jié)構(gòu)，不銹鋼材質(zhì)。強(qiáng)度高，不滲漏，可用于高壓、高溫和腐蝕性的介質(zhì)。
      3. 探頭表面進(jìn)行粗糙處理：在探頭端部迎流面，進(jìn)行了粗糙處理，增加表面粗糙度，使流體在低速流動(dòng)時(shí)，探頭表面的邊界層仍呈紊流狀態(tài)，仍可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)，從而收到延伸探頭量程下限的效果，有利于穩(wěn)定和提高量程比。
      4. 防堵設(shè)計(jì)：探頭的靜壓孔布置在子彈頭后部?jī)蓚?cè)壁（兩排靜壓孔），開(kāi)孔位于流動(dòng)流體與探頭的分離點(diǎn)之前，避開(kāi)了尾跡區(qū)負(fù)壓的影響。流體中的灰塵、雜質(zhì)不致聚集于靜壓孔，造成堵塞。保持靜壓測(cè)量暢通穩(wěn)定。

      4 應(yīng)用情況

      1. 適用范圍

      介質(zhì)：空氣、煤氣、天燃?xì)?、煙氣、飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽、自來(lái)水、鍋爐給水、腐蝕性溶液等；
      管道：直徑12.5~3000~5000mm圓管或方管（當(dāng)量直徑）；
      溫度和壓力：溫度通常-80~450℃，特殊達(dá)550℃，壓力通常25MPa，特殊40Mpa；
      流量范圍：在允許最小差壓內(nèi)，選擇測(cè)量上限和下限，量程比10∶1；
      測(cè)量精度：±1%，重現(xiàn)性±0.1%

      2. 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

      威爾巴流量探頭與流量孔板相比較，孔板能使用的一般場(chǎng)合，探頭也基本上可以選用。探頭還具有如下的優(yōu)勢(shì)：

      （1）節(jié)約能源：孔板的壓力損失大，約為差壓的50~60%，探頭的壓力損失小，約為差壓的5~10%。并且探頭產(chǎn)生的差壓值比孔板產(chǎn)生的差壓值要小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，探頭的壓力損失相對(duì)于孔板而言是微小的。舉例說(shuō)明如下：

      假設(shè)一個(gè)過(guò)熱蒸汽測(cè)點(diǎn)，管徑Ф159×4.5mm，壓力2.5MPa，溫度400℃，工作密度8.67829k/m³，溫度22t/h，使用威爾巴探頭測(cè)量，產(chǎn)生的差壓計(jì)算得ΔP=12.78KPa。

      威爾巴探頭的壓力損失（按差壓的5%計(jì)算）為：

      δP=0.05x×12.78=0.639KPa

      蒸汽的體積流量為：

      探頭損失的功率折算為（假定電動(dòng)機(jī)效率為0.8）：

      W=0.7041×0.639÷0.8=0.5623KW 。

      假如一年運(yùn)行365天，每天運(yùn)行24小時(shí)，則探頭一年耗電為H=365×24×0.5623=4925度/年。

      假如電費(fèi)每度0.7元，則探頭一年的電費(fèi)為：Y=4925×0.7=3448元/年。

      現(xiàn)將上述測(cè)點(diǎn)改用環(huán)室取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板測(cè)量，選孔板的直徑比β=0.7，產(chǎn)生的差壓計(jì)算得ΔP=58.96KPa。壓力損失（按差壓的50%計(jì)算）δP=29.48KPa，功率損失折算為（假定電動(dòng)機(jī)效率為0.8）W=25.946KW 每年耗電為H=227286.96度/年，每年運(yùn)行電費(fèi)為Y=159100元。上述計(jì)算結(jié)果為：每運(yùn)行一年，威爾巴探頭比孔板節(jié)約電能222361.96度，折合節(jié)約電費(fèi)155652元，可見(jiàn)，威爾巴流量計(jì)是一種優(yōu)良的節(jié)能型儀表，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

      （2）安裝方便：孔板安裝時(shí)必須切斷管道，嵌入孔板和取壓裝置。威爾巴探頭安裝時(shí)只須在管道上開(kāi)一個(gè)小孔（孔徑25mm~40mm），將探頭插入管道，固定即可使用，無(wú)須切斷管道。探頭裝卸方便可省大量人力物力，尤其對(duì)大管道，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

      （3）長(zhǎng)期精度高：威爾巴探頭運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生差壓穩(wěn)定，不受磨損和沾污的影響，可長(zhǎng)期保持測(cè)量精度，基本免維護(hù)。孔板使用時(shí)間一長(zhǎng)，由于其開(kāi)孔入口邊緣受流體沖涮磨損，以及雜質(zhì)油脂等沾污，使測(cè)量誤差增大，精度下降，需定期檢測(cè)處理。

      （4）適用范圍廣：威爾巴探頭可用于12.5mm~5000mm直徑的管道，孔板通常適用50mm~1000mm直徑的管道，這對(duì)于當(dāng)代大型冶金、化工、電力等工業(yè)發(fā)展具有重要意義。

      3. 不足之處

      （1）威爾巴探頭產(chǎn)生的差壓較小，在低流速（例如氣體小于5m/s）時(shí)，差壓只有幾Pa~十幾Pa，不便于準(zhǔn)確測(cè)量，限制了探頭的使用。
      （2）大管道探頭的流量系數(shù)的確定，采取數(shù)學(xué)模型外推法，是一種成功的探索，但影響流量系數(shù)的因素復(fù)雜，故仍需繼續(xù)完善和提高。
      （3）防塵防堵問(wèn)題，已采取防堵設(shè)計(jì)，但對(duì)含塵多和含濕高的流體，仍有可能發(fā)生堵塞，應(yīng)定期吹洗。