[導讀] 均速管是在皮托管測速原理的基礎上發展起來的新型流量檢測元件。重點介紹均速管的新型檢測斷面、表面粗糙化處理及流量計成套技術。
0 概述
均速管是基于皮托管（Pitot）測速原理發展起來的新型流量檢測元件。它是由美國迪特里希標準公司（Dieterich Standard Inc）在60年代中期研制的產品，并注冊了商標Annubar（中文音譯阿牛巴或阿紐巴）。據介紹，該公司已成為羅斯蒙特（ROSEMOUNT）公司的子公司。均速管70年代隨成套設備引入我國，由于制作簡單、計算方便，國內制造廠已多達數十家。在產品樣本上、在科技論文中常常可以見到‘阿牛巴流量計’之類說法，實際上是一種錯誤理解，因為阿牛巴只是迪特里希標準公司為其發明的均速管所注冊的商標，而不是某類產品的名稱。迪特里希標準公司將近期產品的一次檢測元件稱為1295型阿牛巴均速皮托管（Annubar Averaging Pitot Tube），將配有差壓變送器的均速管流量計稱為ProBar體積流量計（ProBar Volumetric Flowmeter）。英國托巴流量計公司（TFL）將其1985年推出的均速管檢測元件的產品稱為TORBAR（托巴），將配有差壓變送器的均速管流量計稱為TRIBAR流量計。美國威里斯（VERIS）公司將其1992年推出的均速管檢測元件的產品稱為Verabar（威力巴）。
與孔板等標準節流裝置比較，均速管有以下特點：結構簡單，易于加工，價格低廉；不可恢復的阻力損失小，大體只相當于標準節流裝置的百分之幾；安裝工作量小，費用低，維護量小；性能穩定，不致因孔板邊緣變形、磨損、正負壓室間滲漏及雜質堆積等原因導致長期使用精度降低；由于有多個檢測孔的均壓作用，因而降低了對直管段的要求。隨管徑增大，均速管的上述優勢更加明顯。
但均速管不是一種標準節流裝置，試驗數據相對較少，產品如不單獨標定，精度不高；早期產品結構不合理，流量系數不穩定；早期產品檢測臟污介質時測孔可能堵塞。這些都是均速管未能大量使用的主要原因。
隨著對均速管檢測技術的深入研究，在檢測桿形狀、表面處理、材質、安裝附件、流量計成套供貨等方面均有新的發展，上述不足之處已有改進，本文將介紹這些新的發展。
1 檢測桿
1.1 斷面形狀
考慮取材方便，均速管檢測桿斷面形狀最早采用圓形，但很快就發現圓形均速管的流量系數K值在雷諾數Re<105時基本不變，而在105～106之間時，K值增大且分散，分散度約為±10%。進一步的研究表明：上述現象是由流體流過圓管時分離點位置不固定造成的。當Re<105時，分離點與管中心連線的分離角（見圖1）為78°；當Re<106時分離角為130°；當Re在105～106之間時，分離角處于78～130°之間不確定的位置上[1]。由于均速管流量計算公式中流量與K值成正比，因而K值±10%的分散性將造成流量測量±10%的誤差。令人關心的是，K值分散性大的這段雷諾數范圍對應的流體流速正是大多數氣體在管道中正常流速值。
圖1 圓形斷面均速管的分離點不固定
由此出現了菱形斷面均速管，它突出的優點是流體分離點的位置固定在菱形兩側尖銳的拐點上（見圖2），因而流量系數K值固定，測量精度也就大大提高了。目前迪特里希標準公司推出的1295型均速管采用的就是菱形斷面，國內也有天津自動化儀表十廠、浙江杭州半山計量儀表廠、江蘇江陰節流裝置廠等生產菱形斷面均速管。
圖2 菱形斷面均速管的分離點固定
隨后又有人研究符合空氣動力學原理的機翼形（或稱流線形）斷面的均速管，其流暢的外形與流體的流線吻合，檢測桿尾部擴散區渦流作用小，阻力損失更小。國內學者姚春榮的專利是在尾端開負壓取壓孔（見圖3（a）），而江陰節流裝置廠生產的三曲線機翼式測風裝置，其核心仍是由多個機翼形均速管組成，而負壓取壓孔改在機翼形側邊斷面最寬處（即流體流速最高處（見圖3（b）），以減少含塵氣體可能引起的堵塞現象。機翼形斷面均速管在前端接近圓形，分離點也是不固定的，而且當安裝不正或因管道上游流體擾動引起流體方向與機翼中心不重合時，將產生一個提升力，使流線紊亂，分離點極不穩定，流量系數變化很大。
圖3 機翼形斷面均速管的分離點不固定
威里斯公司生產的威力巴均速管采用彈頭形（Bullet）斷面，如圖4所示，因有與菱形斷面相類似的拐點，所以分離點固定，流量系數穩定。但拐點比較平緩，不致像菱形斷面那樣產生強烈的旋渦、較大的探頭振動和脈動的差壓信號。同時其負壓取壓孔位于側面，在流體分離點之前，因而減少了負壓取壓孔堵塞的可能性。而正壓取壓孔因彈頭形狀的前部較寬闊，形成靜止的高壓區，將阻止流體中的固體微粒進入，因而其防堵性能優于其它斷面的均速管。據介紹，某鋼廠高爐煤氣計量采用威力巴均速管，經半年多的連續運行，在不吹掃的情況下未出現過堵塞現象。
圖4 彈頭形斷面均速管的分離點固定
托巴公司生產的托巴均速管采用圓形檢測桿，但在管道中心有一小段在銑床上銑成帶圓角的六邊形斷面。據介紹，這也是為了使分離點固定，同時可在其背面唯一的負壓測孔附近產生一個穩壓區，從而保持一個恒定的流量系數。在該公司的產品樣本中，還列出了各種規格托巴管的流量系數K值。
1.2 表面處理
通常均速管表面為光滑的，當流速變化時在均速管表面容易形成邊界層流與邊界紊流交替出現的情況，這是造成流量系數不穩定的另一個重要原因。威里斯公司根據邊界層理論研究的結果，在均速管的前端表面采用粗糙化處理并加防淤槽（在粗糙的端面和平滑的側面之間設一淺槽）。據該公司介紹，這相當于有一個紊流發生器，使均速管表面不再形成邊界層流而始終保持邊界紊流，就像高爾夫球表面上的小凹痕可使球飛行軌道精確一樣，紊流發生器降低流體牽引力并產生穩定的流線，從而使流量系數更穩定。該公司已推出計算流量系數K的數學模型，計算結果與標定試驗結果的各個數值相差<0.5%。據托巴公司介紹，該公司的均速管表面也經過噴沙處理。
各種檢測桿斷面均速管的性能比較見表1。
表1各種檢測桿斷面均速管性能比較
項 目
圓 形
菱 形
機翼形
彈頭形
表面狀況
平滑
平滑
平滑
粗糙
邊界層條件
層流/紊流
層流/紊流
層流/紊流
紊流
負壓孔位置
背部
背部
背部或側面
側面
差壓信號穩定性
有噪音
脈動,噪音大
未知
無動脈,穩定
檢查桿強度
中等
差
取決于流體方向
高
防堵性能
差
差
取決于負壓孔位置
好
K值計算公式
無
無
無
有
試驗數據
有限
較多
有限
較多
精度
差
高(加阻尼)
差
高
雙向測量
可行
可行
不行
不行
1.3 材質及安裝附件
檢測桿材質雖然可用普通碳鋼，但通常為不銹鋼。迪特里希標準公司的1295型均速管材質除316SST不銹鋼外，還使用以下特殊材質：Kynar（偏聚二氟乙烯）、蒙乃爾合金、哈氏合金、Incoloy800H（耐熱鎳鉻合金）。托巴公司均速管材質除316L、304不銹鋼外，還有蒙乃爾合金、哈氏合金D、鈦和高密度聚乙烯（HDP）。用戶根據現場情況選用，以適應有防腐性能要求的特殊場合。
安裝附件是均速管能用好的另一個關鍵，比如當管徑加大時，可將檢測桿由單端支承改為雙端支承；為減少檢測桿的振動，增加帶填料的壓緊裝置（如ProBar均速管）；也可以因以上兩個原因使用壓緊檢測桿的彈簧裝置（如Verabar均速管）。為用于18MPa、550℃高壓高溫蒸氣流量測量，迪特里希標準公司采用Incoloy800H棒材用類似槍膛加工的鉆孔法成型，以避免焊接部分在高壓高溫下泄漏。托巴公司的均速管是一個非焊接整體結構，強度高，最大壓力40MPa，最高溫度1300℃。威里斯公司還生產一種在線快捷安裝系統，以便快速插入或取出均速管。
2 均速管流量計的成套供貨
像其它節流裝置一樣，依靠一次檢測元件本身提高檢測精度、提高測量范圍比是有限的，所以目前均速管流量測量發展的另一個方向是成套供貨，即均速管制造廠在向用戶提供均速管的同時，也提供連接管路、取壓閥門、差壓變送器，甚至連二次儀表也同時提供。
迪特里希標準公司、威里斯公司、托巴公司率先為均速管配套設計帶安裝差壓變送器平面的三閥組接頭，以在其上一體化安裝差壓變送器。如檢測點溫度過高（迪特里希標準公司要求當T>260℃）時，可增加連接管路，便于分離安裝差壓變送器。迪特里希標準公司選用了美國羅斯蒙特公司高精度3051型差壓變送器或3095型多參數質量流量變送器組成ProBar均速管流量計，它可按多點流量標定曲線編制11段折線函數程序，以進行流量線性化補償，從而將不經標定時的1.1%精度提高到0.5%，量程比由不經標定的5∶1擴大到10∶1。而3095型多參數質量流量變送器還可在檢測均速管差壓的同時檢測流體的壓力和溫度，即在均速管內裝Pt100鉑電阻。這樣可在一臺3095型變送器內進行流體3個參數的檢測，再通過3095型的組態，可完成流體流量的溫度壓力補償運算和氣體膨脹系數的運算，以提高流量檢測精度。對質量流量來說，其精度是1.3%，量程比是8∶1。托巴公司選用了西門子公司TMF4420變送器，精度是1.0%，量程比是10∶1。迪特里希標準公司還可向用戶配套提供顯示器或DARTII流量計算機。
威里斯公司可向用戶提供Veracalc流量計算和結構計算程序磁盤，作者在選型時已經試用，它可以由用戶按要求輸入具體應用對象的信息，如流體名稱、溫度、壓力、流量測量范圍（最大、常用、最小）或測量差壓值、管徑、壁厚、單位制和結構要求等數據，通過下拉式菜單完成儀表完整型號的選擇、差壓值計算（由流量計算差壓）或流量值計算（由差壓計算流量）。對于蒸氣流量計算來說，可根據用戶輸入的參數計算蒸氣密度。作者感覺最滿意的地方是，當威力巴均速管不能滿足用戶具體應用對象的某些條件時或者用戶輸入某些不正確數據時，計算機屏幕上將顯示錯誤信息的類型。再如，進行過熱蒸氣密度計算時，如果輸入的壓力和溫度值并不在過熱蒸氣范圍內，計算機屏幕上將提醒用戶流體狀態為液體，用戶需重新輸入數據。通過Veracalc計算程序可使用戶在并不十分熟悉威力巴均速管的情況下能正確選型并得到滿意的結果。
3 結束語
隨著均速管流量測量的理論研究和應用技術的日趨成熟，均速管的應用前景是光明的。但均速管要取得更大的進展還須對以下課題進行深入研究：檢測桿斷面形狀、表面處理、材質等方面新的探索；降低下限流速，擴大流量測量范圍比；綜合提高均速管流量測量精度的措施。