[导读] 均速管是在皮托管测速原理的基础上发展起来的新型流量检测元件。重点介绍均速管的新型检测断面、表面粗糙化处理及流量计成套技术。
0 概述
均速管是基于皮托管（Pitot）测速原理发展起来的新型流量检测元件。它是由美国迪特里希标准公司（Dieterich Standard Inc）在60年代中期研制的产品，并注册了商标Annubar（中文音译阿牛巴或阿纽巴）。据介绍，该公司已成为罗斯蒙特（ROSEMOUNT）公司的子公司。均速管70年代随成套设备引入我国，由于制作简单、计算方便，国内制造厂已多达数十家。在产品样本上、在科技论文中常常可以见到‘阿牛巴流量计’之类说法，实际上是一种错误理解，因为阿牛巴只是迪特里希标准公司为其发明的均速管所注册的商标，而不是某类产品的名称。迪特里希标准公司将近期产品的一次检测元件称为1295型阿牛巴均速皮托管（Annubar Averaging Pitot Tube），将配有差压变送器的均速管流量计称为ProBar体积流量计（ProBar Volumetric Flowmeter）。英国托巴流量计公司（TFL）将其1985年推出的均速管检测元件的产品称为TORBAR（托巴），将配有差压变送器的均速管流量计称为TRIBAR流量计。美国威里斯（VERIS）公司将其1992年推出的均速管检测元件的产品称为Verabar（威力巴）。
与孔板等标准节流装置比较，均速管有以下特点：结构简单，易于加工，价格低廉；不可恢复的阻力损失小，大体只相当于标准节流装置的百分之几；安装工作量小，费用低，维护量小；性能稳定，不致因孔板边缘变形、磨损、正负压室间渗漏及杂质堆积等原因导致长期使用精度降低；由于有多个检测孔的均压作用，因而降低了对直管段的要求。随管径增大，均速管的上述优势更加明显。
但均速管不是一种标准节流装置，试验数据相对较少，产品如不单独标定，精度不高；早期产品结构不合理，流量系数不稳定；早期产品检测脏污介质时测孔可能堵塞。这些都是均速管未能大量使用的主要原因。
随着对均速管检测技术的深入研究，在检测杆形状、表面处理、材质、安装附件、流量计成套供货等方面均有新的发展，上述不足之处已有改进，本文将介绍这些新的发展。
1 检测杆
1.1 断面形状
考虑取材方便，均速管检测杆断面形状最早采用圆形，但很快就发现圆形均速管的流量系数K值在雷诺数Re<105时基本不变，而在105～106之间时，K值增大且分散，分散度约为±10%。进一步的研究表明：上述现象是由流体流过圆管时分离点位置不固定造成的。当Re<105时，分离点与管中心连线的分离角（见图1）为78°；当Re<106时分离角为130°；当Re在105～106之间时，分离角处于78～130°之间不确定的位置上[1]。由于均速管流量计算公式中流量与K值成正比，因而K值±10%的分散性将造成流量测量±10%的误差。令人关心的是，K值分散性大的这段雷诺数范围对应的流体流速正是大多数气体在管道中正常流速值。
图1 圆形断面均速管的分离点不固定
由此出现了菱形断面均速管，它突出的优点是流体分离点的位置固定在菱形两侧尖锐的拐点上（见图2），因而流量系数K值固定，测量精度也就大大提高了。目前迪特里希标准公司推出的1295型均速管采用的就是菱形断面，国内也有天津自动化仪表十厂、浙江杭州半山计量仪表厂、江苏江阴节流装置厂等生产菱形断面均速管。
图2 菱形断面均速管的分离点固定
随后又有人研究符合空气动力学原理的机翼形（或称流线形）断面的均速管，其流畅的外形与流体的流线吻合，检测杆尾部扩散区涡流作用小，阻力损失更小。国内学者姚春荣的专利是在尾端开负压取压孔（见图3（a）），而江阴节流装置厂生产的三曲线机翼式测风装置，其核心仍是由多个机翼形均速管组成，而负压取压孔改在机翼形侧边断面最宽处（即流体流速最高处（见图3（b）），以减少含尘气体可能引起的堵塞现象。机翼形断面均速管在前端接近圆形，分离点也是不固定的，而且当安装不正或因管道上游流体扰动引起流体方向与机翼中心不重合时，将产生一个提升力，使流线紊乱，分离点极不稳定，流量系数变化很大。
图3 机翼形断面均速管的分离点不固定
威里斯公司生产的威力巴均速管采用弹头形（Bullet）断面，如图4所示，因有与菱形断面相类似的拐点，所以分离点固定，流量系数稳定。但拐点比较平缓，不致像菱形断面那样产生强烈的旋涡、较大的探头振动和脉动的差压信号。同时其负压取压孔位于侧面，在流体分离点之前，因而减少了负压取压孔堵塞的可能性。而正压取压孔因弹头形状的前部较宽阔，形成静止的高压区，将阻止流体中的固体微粒进入，因而其防堵性能优于其它断面的均速管。据介绍，某钢厂高炉煤气计量采用威力巴均速管，经半年多的连续运行，在不吹扫的情况下未出现过堵塞现象。
图4 弹头形断面均速管的分离点固定
托巴公司生产的托巴均速管采用圆形检测杆，但在管道中心有一小段在铣床上铣成带圆角的六边形断面。据介绍，这也是为了使分离点固定，同时可在其背面唯一的负压测孔附近产生一个稳压区，从而保持一个恒定的流量系数。在该公司的产品样本中，还列出了各种规格托巴管的流量系数K值。
1.2 表面处理
通常均速管表面为光滑的，当流速变化时在均速管表面容易形成边界层流与边界紊流交替出现的情况，这是造成流量系数不稳定的另一个重要原因。威里斯公司根据边界层理论研究的结果，在均速管的前端表面采用粗糙化处理并加防淤槽（在粗糙的端面和平滑的侧面之间设一浅槽）。据该公司介绍，这相当于有一个紊流发生器，使均速管表面不再形成边界层流而始终保持边界紊流，就像高尔夫球表面上的小凹痕可使球飞行轨道精确一样，紊流发生器降低流体牵引力并产生稳定的流线，从而使流量系数更稳定。该公司已推出计算流量系数K的数学模型，计算结果与标定试验结果的各个数值相差<0.5%。据托巴公司介绍，该公司的均速管表面也经过喷沙处理。
各种检测杆断面均速管的性能比较见表1。
表1各种检测杆断面均速管性能比较
项 目
圆 形
菱 形
机翼形
弹头形
表面状况
平滑
平滑
平滑
粗糙
边界层条件
层流/紊流
层流/紊流
层流/紊流
紊流
负压孔位置
背部
背部
背部或侧面
侧面
差压信号稳定性
有噪音
脉动,噪音大
未知
无动脉,稳定
检查杆强度
中等
差
取决于流体方向
高
防堵性能
差
差
取决于负压孔位置
好
K值计算公式
无
无
无
有
试验数据
有限
较多
有限
较多
精度
差
高(加阻尼)
差
高
双向测量
可行
可行
不行
不行
1.3 材质及安装附件
检测杆材质虽然可用普通碳钢，但通常为不锈钢。迪特里希标准公司的1295型均速管材质除316SST不锈钢外，还使用以下特殊材质：Kynar（偏聚二氟乙烯）、蒙乃尔合金、哈氏合金、Incoloy800H（耐热镍铬合金）。托巴公司均速管材质除316L、304不锈钢外，还有蒙乃尔合金、哈氏合金D、钛和高密度聚乙烯（HDP）。用户根据现场情况选用，以适应有防腐性能要求的特殊场合。
安装附件是均速管能用好的另一个关键，比如当管径加大时，可将检测杆由单端支承改为双端支承；为减少检测杆的振动，增加带填料的压紧装置（如ProBar均速管）；也可以因以上两个原因使用压紧检测杆的弹簧装置（如Verabar均速管）。为用于18MPa、550℃高压高温蒸气流量测量，迪特里希标准公司采用Incoloy800H棒材用类似枪膛加工的钻孔法成型，以避免焊接部分在高压高温下泄漏。托巴公司的均速管是一个非焊接整体结构，强度高，最大压力40MPa，最高温度1300℃。威里斯公司还生产一种在线快捷安装系统，以便快速插入或取出均速管。
2 均速管流量计的成套供货
像其它节流装置一样，依靠一次检测元件本身提高检测精度、提高测量范围比是有限的，所以目前均速管流量测量发展的另一个方向是成套供货，即均速管制造厂在向用户提供均速管的同时，也提供连接管路、取压阀门、差压变送器，甚至连二次仪表也同时提供。
迪特里希标准公司、威里斯公司、托巴公司率先为均速管配套设计带安装差压变送器平面的三阀组接头，以在其上一体化安装差压变送器。如检测点温度过高（迪特里希标准公司要求当T>260℃）时，可增加连接管路，便于分离安装差压变送器。迪特里希标准公司选用了美国罗斯蒙特公司高精度3051型差压变送器或3095型多参数质量流量变送器组成ProBar均速管流量计，它可按多点流量标定曲线编制11段折线函数程序，以进行流量线性化补偿，从而将不经标定时的1.1%精度提高到0.5%，量程比由不经标定的5∶1扩大到10∶1。而3095型多参数质量流量变送器还可在检测均速管差压的同时检测流体的压力和温度，即在均速管内装Pt100铂电阻。这样可在一台3095型变送器内进行流体3个参数的检测，再通过3095型的组态，可完成流体流量的温度压力补偿运算和气体膨胀系数的运算，以提高流量检测精度。对质量流量来说，其精度是1.3%，量程比是8∶1。托巴公司选用了西门子公司TMF4420变送器，精度是1.0%，量程比是10∶1。迪特里希标准公司还可向用户配套提供显示器或DARTII流量计算机。
威里斯公司可向用户提供Veracalc流量计算和结构计算程序磁盘，作者在选型时已经试用，它可以由用户按要求输入具体应用对象的信息，如流体名称、温度、压力、流量测量范围（最大、常用、最小）或测量差压值、管径、壁厚、单位制和结构要求等数据，通过下拉式菜单完成仪表完整型号的选择、差压值计算（由流量计算差压）或流量值计算（由差压计算流量）。对于蒸气流量计算来说，可根据用户输入的参数计算蒸气密度。作者感觉最满意的地方是，当威力巴均速管不能满足用户具体应用对象的某些条件时或者用户输入某些不正确数据时，计算机屏幕上将显示错误信息的类型。再如，进行过热蒸气密度计算时，如果输入的压力和温度值并不在过热蒸气范围内，计算机屏幕上将提醒用户流体状态为液体，用户需重新输入数据。通过Veracalc计算程序可使用户在并不十分熟悉威力巴均速管的情况下能正确选型并得到满意的结果。
3 结束语
随着均速管流量测量的理论研究和应用技术的日趋成熟，均速管的应用前景是光明的。但均速管要取得更大的进展还须对以下课题进行深入研究：检测杆断面形状、表面处理、材质等方面新的探索；降低下限流速，扩大流量测量范围比；综合提高均速管流量测量精度的措施。