在20種常用流量儀表中，均速管流量計的排序處于8~9位；我國西氣東輸的世紀工程中，在干線內徑為一米的管道上，選用了50臺Emerson的均速管流量計，占總量96臺的52%。本文就近年來業(yè)內人士對均速管較為關注的幾個問題提出以下看法，供大家參考。
前言
自上世紀60年代末均速管流量計問世以來，雖不斷改進（國外稱Annubar、Verabar、Probar 、Torbar、Itabar、Preso、Deltabar、Averaging Potit-tube等），名稱各異，但都是基于皮托管測速原理，以測管道中直徑（圓管）或長與寬（矩形管）上幾點的流速來推算流量的一種插入式流量儀表。因其結構簡單，裝、拆方便，價格低廉及節(jié)能等優(yōu)點，在無需準確計量進行貿易核算，僅作為工況監(jiān)控，特別是大于200毫米的口徑情況下，在電力、冶金、石化等行業(yè)中，常做為首選儀表。
ConTROL ENGINEERING與Reed Research 集團聯合對近兩年全球流量儀表市場的調查表明：在20種常用流量儀表中，均速管流量計的排序處于8~9位；我國西氣東輸的世紀工程中，在干線內徑為一米的管道上，選用了50臺Emerson的均速管流量計，占總量96臺的52%；此外，美國的Verabar均速管流量計在國內電力、冶金、石化等行業(yè)中，銷售業(yè)績斐然，令人矚目。而國產均速管在大陸市場中幾乎無立足之地，究其原因，無論是Emerson，還是Verabar公司，近20年都十分重視產品在現場應用的情況，不遺余力推陳出新，不斷改進；而國內廠家，產品開發(fā)乏力，一味仿制，幾乎還生產、銷售國外10多年前已淘汰的產品，這些情況令人深思。本文就近年來業(yè)內人士對均速管較為關注的幾個問題提出以下看法，供大家參考。
熱點之一 ——檢測桿的截面形狀
這是均速管發(fā)展過程最熱的話題。近30年來，不斷變化、創(chuàng)新，較典型的有以下幾種：
1、 圓形
最早的均速管檢測桿為圓截面；迎流向有多個總壓孔，背流向為低壓孔；中間用板隔開，后認為均速管既處于位流，整個截面靜壓應相等，改為僅在檢測桿中央背流向一側鉆一個背壓孔，用細管將背壓傳至差壓變送器低壓端，取消了隔板，簡化了結構。
2、 菱形-Ⅰ
上世紀70年代末期，圓截面使用多年后，發(fā)現在雷諾數處于105~106之間時，流體在圓管上分離點將從78u移至130u，即所謂“阻力危機”現象，改變了圓截面上的壓力分布，引起約±10%的流量誤差，逐由菱形代替。菱形兩側為銳角，分離點確定，排除了阻力危機。其他結構不變。
3、 菱形-Ⅱ
菱形-Ⅰ使用7、8年后，又發(fā)現背壓孔的傳壓細管，由于內徑僅3毫米，易堵塞。美國Dieterich公司又推出了由3個腔體所組成的檢測桿截面，總壓孔由兩對改為3到4對，背壓孔與總壓孔一一對應，取消了總背壓引出管，這種結構即或有一二個背壓孔被堵，也不會影響均速管的正常工作。
4、 翼形
近20年來，不斷有人從減少均速管阻力角度出發(fā)，推出了各種阻力較小的檢測桿形狀，如對稱翼型、扁圓形、橢圓形（Preso）等。其實均速管的永久壓損僅幾十帕，可忽略不計，不必小題大做。而這類截面形狀低壓多取自兩側，卻帶來輸出差壓過低的弊病，揚短避長，得不償失。但也有特殊情況，Emerson公司就采用這種翼形剖面結構測蒸汽，由于蒸汽流速較高、密度較大，有可能獲得較大的差壓，的確需要減小阻力，以增加強度，但僅限于一個型號，用于特殊場合。
5、 彈頭形
美國Verabar公司推出，在彈頭前端表面做了粗糙處理，（粗糙度X/KS約為200），宣稱這樣可以控制附面層的厚度，以此提高測量精確度。實際估算附面層對準確度的影響是可忽略不計的。彈頭型的低壓取自兩側，輸出差壓較菱形、圓形及T形小20% ~30%，不利于氣體低流速情況下選用。
6、 T形
這是Emerson公司近兩年推出的新結構（該公司稱485型Annubar）。在T形檢測桿上迎流向有兩排總壓孔，背流向漩渦區(qū)有兩排背壓孔。Emerson公司宣稱，由于其創(chuàng)新的槽口設計，精確度將會有所提高；而背壓處于T形漩渦區(qū)，較菱形、圓形可增大約20%輸出差壓。背部采取多個低壓孔。這種結構總壓、背壓孔均不到2毫米，易堵塞，只能用于潔凈流體。
7、 Delta
德爾塔巴（Deltaflow）均速管，由德國思科公司（Systec Co）推出。在MIConEX 2004展會上宣稱有許多優(yōu)點，而從截面形狀及結構上與菱形-Ⅱ相比并無本質區(qū)別。它仍是一種插入式流量儀表，無法擺脫只測管道中直徑上幾點流速來推算流量的基本模式。廠家宣傳其直管段僅3~7D，而精確度可達±0.6%，缺乏說服力，令人難以置信。但其材料的選用卻有看點，一般均速管材料多使用316不銹鋼；而Deltaflow選用的是1.4528或哈氏合金鋼，耐溫低至-200℃，高可達1000℃以上，且可適用于各種腐蝕性介質。
熱點之二——檢測孔的數量與位置
均速管是一種插入式、具有取樣性質的流量計。早期曾有在均速管直徑方向測十余點總壓，但測點再多也只能反映某一直徑上的流速分布，而不是整個截面。
取樣具有實際意義的前提是均速管前具有20~30D（D為管內徑）的直管段，這時管內的流動為充分發(fā)展管流，流速分布的等速線為對稱于軸的同心圓，即處于相同徑向的流速是相等的，只有這樣，僅測直徑上幾點流速才可能反映整個截面的情況。而究竟測直徑上哪幾點的流速眾說紛紜，大致有以下5種（見表1）。
表1中所依據的流速分布，按尼庫拉茲（Nikuradse）所提出的充分發(fā)展紊流數學模型。上世紀90年代初，對管流的研究表明尼庫拉茲公式雖簡單，但所描述的充分發(fā)展紊流在靠管壁及管道中心兩處均與實際情況有較大差異（特別是在管壁附近），所以應增加到3對總壓孔，而目前在較大管徑時也有用4對的。其分布按對數—契比雪夫法（見表2），并已為ISO TC30所確認：
對于低壓孔的位置與數量，由于均速管處于位流，在橫截面上無橫向流動，各點靜壓相等，因而取一點及多點均可，不涉及精確度問題，只是取多點不易堵塞，而取自檢測桿背部將比取自兩側可獲得更大的差壓。
長期以來，人們都認為：各總壓孔所測總壓反映了管道中的流速分布，由于流速不等，所測總壓也不相等，這些總壓在均速管高壓腔中“平均”后輸出的壓力，就是管道中平均流速的總壓。實際并非如此，由于各點總壓不等，在高壓腔中會有流動，甚至在孔的邊緣還會有渦流，這都將產生壓損。1975年，William.H.等人曾對此進行了測試、研究，也提出了一個經驗公式，但這個經驗公式中還存在一些系數有待實驗去確定，無法直接算出平均流速差壓值。因此，迄今為止，無論采用哪些方法來確定總壓孔的位置與數量，均速管最終還是需通過實驗標定來確定流量系數K。由于隨著流量的變化（即Re的變化）時，流速分布在靠近管壁處的變化將比管道中心大，對數—契比雪夫的總壓分布，在靠近管壁處要多一個測點，以適應這種變化，也更為合理。
易忽視的熱點——管道
30多年來，廠商對以上兩個問題都不遺余力，進行了大量的創(chuàng)新。但就均速管本身而言，僅是一個多點流速計，它只有插入管道中才能測流量，才可稱為流量計。況且，管道對均速管的流量測量的影響舉足輕重，不可忽視，主要表現在以下兩個方面：
1、 直管段長度
均速管前直管道長度必須達到20~30D，以保證流速分布為充分發(fā)展紊流，只有這樣，僅測幾點的流速才可能推算流經整個截面的流量。否則，管道中的流動將如圖3所示，比較復雜（在其他阻力件后，情況也類似），流速分布不僅不對稱于軸線，還會有橫向流動（二次流）及漩渦，僅測直徑上幾點流速能說明什么問題？又如何保證測量的準確度？
2、 管道內徑
均速管只能測流速，要測流量必須乘管道截面（圓管要測內徑，矩形管需測寬與高）。而它又是一種插入式儀表，實際應用中，往往很難或并不認真測內徑。
ISO7145就認為，在無法測內徑時，允許用軟尺測管道外徑的周長、估計壁厚來確定內徑，這樣做當然更無法確認管道內壁的腐蝕、積垢等情況的影響。如此確定的管內徑，怎么能保證準確，而從下面分析可看出管內徑的準確與否，將成為影響均速管流量測量準確度舉足輕重的因素。
流量準確度的估算
如僅考慮主要因素，均速管計算公式可簡化為：
①式中QV為容積流量；C取決于各參數單位的系數；D為管道內徑；DP為輸出差壓；x為流體密度。由①式推導的流量不確定度為
從上所述，制造廠對均速管檢測桿的形狀、測點位置，做了不懈的努力，它們只會影響輸出差壓Dp的大小，而從②式中可知管內徑D的相對誤差sD/D對流量精確度的影響將數倍于差壓Dp的誤差sDp/Dp。
此外，公式①中的流量系數K即使廠商逐臺標定，也是在實驗室的特定條件下得到的，而現場往往達不到試驗室的流場條件，這時采用廠商提供的流量系數K，也將帶來較大的誤差。早在20年前，W.Rahmeyer和C.L.Britton在阻力件（彎頭、閘伐……）后2至12D處安裝均速管進行了系統的實驗測試。測試表明，在直管段不到4～5D時，流量系數的偏差將達到±8%以上。
上述分析進一步說明了，管道（包含內徑D及直管段長度L）是影響均速管流量測量準確度的主要因素！
在工控系統中的位置
現場中直管段長度取決于工藝要求，很難為照顧流量儀表來安排20D以上的直管段，而沒有足夠長的直管段，均速管就必須面對誤差可能達到±8%的嚴酷事實！均速管在工控系統中還有無立足之地？
均速管在工控系統中只是一個提供信息源的檢測環(huán)節(jié)，它的輸出所反映的流量信息，應正確無誤地反映流量的變化，而不一定是確切值，在這里重復性的重要性往往大于準確度。例如，在鍋爐的燃燒調節(jié)控制系統中，應測空氣流量，并以此調節(jié)、控制燃料的大小，以保證最佳的燃燒效率。這里只要均速管的輸出與流量存在確定的單值函數關系，且不隨意變化，即重復性較好就可以了。至于空氣量的確切值是多少（準確度）并非系統所關心的問題。也就是說，只要不涉及物流的結算（貿易、經濟評估等），準確度就是非主要考慮的問題。
30多年來對均速管的研究表明，在直管段達不到要求情況下，其誤差可達到±8%以上，但重復性往往可做到0.5%。只要使用目的不是貿易結算（如天然氣的計量），而是用于工控系統的調節(jié)、監(jiān)控，均速管就以其結構簡單等優(yōu)點，特別是大口徑情況常做為首選儀表，而大有用武之地。
發(fā)展、創(chuàng)新面臨的問題
均速管問世30余年來，以其結構簡單等優(yōu)點在流量家族中占有一席之地。但正所謂“福兮禍所伏；禍兮福所倚”，這些優(yōu)點卻不可避免地為它帶來了以下3個缺點：
1、準確度較低
多年來，均速管發(fā)展的型號近20種之多，由于是插入形式，只能通過檢測桿來反映流速，無論在上面取了多少個測點，也只能反映管道截面上直徑（或寬、高）上的流速分布，在直管道達不到要求時，這些點失去代表意義，準確度難以優(yōu)于±3%。
2、輸出差壓小
均速管是根據皮托管測速原理，通過測總靜壓來推算流量，常用于大口徑測氣體情況，這時輸出差壓僅幾十帕（幾毫米水柱）。這是它的原理與結構所決定的，研制廠家多年來雖不遺余力在檢測桿上大做文章，但收獲有限，最新推出的T形結構，即使按廠商所說提高了20%輸出差壓，從實用角度來看所提高的輸出差壓也無濟于事。
3、易于堵塞
由于必須通過檢測孔來測流量，只要流體中有粉塵、固體顆粒、凝析物等，堵塞就難以避免。雖易于拆裝，甚至可不斷流進行檢修，終不是好事，為用戶難以接受。
均速管的研制者30余年來針對以上存在的問題不懈努力，做了不少改進，但如不跳出舊的模式，就難取得突破性的進展，似已山窮水盡疑無路了。但如果打開思路，與其他某種儀表取長補短，是否能柳暗花明又一春？筆者為此做了嘗試，于1986年取得一項專利（CN852045298）確有些效果，但不明顯，最近在此基礎上又做了改進，正申報專利，以期對均速管的推廣應用盡微薄之力。
