0　概述

 

      均速管是基于皮托管（Pitot）測(cè)速原理發(fā)展起來(lái)的新型流量檢測(cè)元件。它是由美國(guó)迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司（Dieterich Standard Inc）在60年代中期研制的產(chǎn)品，并注冊(cè)了商標(biāo)Annubar（中文音譯阿牛巴或阿紐巴）。據(jù)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(shè)備引入我國(guó)，由于制作簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，國(guó)內(nèi)制造廠已多達(dá)數(shù)十家。在產(chǎn)品樣本上、在科技論文中常?？梢砸?jiàn)到‘阿牛巴流量計(jì)’之類說(shuō)法，實(shí)際上是一種錯(cuò)誤理解，因?yàn)榘⑴０椭皇堑咸乩锵?biāo)準(zhǔn)公司為其發(fā)明的均速管所注冊(cè)的商標(biāo)，而不是某類產(chǎn)品的名稱。迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司將近期產(chǎn)品的一次檢測(cè)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(jì)稱為ProBar體積流量計(jì)（ProBar Volumetric Flowmeter）。英國(guó)托巴流量計(jì)公司（TFL）將其1985年推出的均速管檢測(cè)元件的產(chǎn)品稱為TORBAR（托巴），將配有差壓變送器的均速管流量計(jì)稱為TRIBAR流量計(jì)。美國(guó)威里斯（VERIS）公司將其1992年推出的均速管檢測(cè)元件的產(chǎn)品稱為Verabar（威力巴）。

 

      與孔板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置比較，均速管有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，價(jià)格低廉；不可恢復(fù)的阻力損失小，大體只相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的百分之幾；安裝工作量小，費(fèi)用低，維護(hù)量??；性能穩(wěn)定，不致因孔板邊緣變形、磨損、正負(fù)壓室間滲漏及雜質(zhì)堆積等原因?qū)е麻L(zhǎng)期使用精度降低；由于有多個(gè)檢測(cè)孔的均壓作用，因而降低了對(duì)直管段的要求。隨管徑增大，均速管的上述優(yōu)勢(shì)更加明顯。

 

      但均速管不是一種標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，產(chǎn)品如不單獨(dú)標(biāo)定，精度不高；早期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，流量系數(shù)不穩(wěn)定；早期產(chǎn)品檢測(cè)臟污介質(zhì)時(shí)測(cè)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(duì)均速管檢測(cè)技術(shù)的深入研究，在檢測(cè)桿形狀、表面處理、材質(zhì)、安裝附件、流量計(jì)成套供貨等方面均有新的發(fā)展，上述不足之處已有改進(jìn)，本文將介紹這些新的發(fā)展。

 

      1　檢測(cè)桿

 

      1.1 斷面形狀

 

      考慮取材方便，均速管檢測(cè)桿斷面形狀最早采用圓形，但很快就發(fā)現(xiàn)圓形均速管的流量系數(shù)K值在雷諾數(shù)Re<105時(shí)基本不變，而在105～106之間時(shí)，K值增大且分散，分散度約為±10%。進(jìn)一步的研究表明：上述現(xiàn)象是由流體流過(guò)圓管時(shí)分離點(diǎn)位置不固定造成的。當(dāng)Re<105時(shí)，分離點(diǎn)與管中心連線的分離角（見(jiàn)圖1）為78°；當(dāng)Re<106時(shí)分離角為130°；當(dāng)Re在105～106之間時(shí)，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(jì)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(cè)量±10%的誤差。令人關(guān)心的是，K值分散性大的這段雷諾數(shù)范圍對(duì)應(yīng)的流體流速正是大多數(shù)氣體在管道中正常流速值。

 

 

 

圖1　圓形斷面均速管的分離點(diǎn)不固定

 

      由此出現(xiàn)了菱形斷面均速管，它突出的優(yōu)點(diǎn)是流體分離點(diǎn)的位置固定在菱形兩側(cè)尖銳的拐點(diǎn)上（見(jiàn)圖2），因而流量系數(shù)K值固定，測(cè)量精度也就大大提高了。目前迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司推出的1295型均速管采用的就是菱形斷面，國(guó)內(nèi)也有天津自動(dòng)化儀表十廠、浙江杭州半山計(jì)量?jī)x表廠、江蘇江陰節(jié)流裝置廠等生產(chǎn)菱形斷面均速管。

 

 

 

圖2　菱形斷面均速管的分離點(diǎn)固定

 

      隨后又有人研究符合空氣動(dòng)力學(xué)原理的機(jī)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(cè)桿尾部擴(kuò)散區(qū)渦流作用小，阻力損失更小。國(guó)內(nèi)學(xué)者姚春榮的專利是在尾端開負(fù)壓取壓孔（見(jiàn)圖3（a）），而江陰節(jié)流裝置廠生產(chǎn)的三曲線機(jī)翼式測(cè)風(fēng)裝置，其核心仍是由多個(gè)機(jī)翼形均速管組成，而負(fù)壓取壓孔改在機(jī)翼形側(cè)邊斷面最寬處（即流體流速最高處（見(jiàn)圖3（b）），以減少含塵氣體可能引起的堵塞現(xiàn)象。機(jī)翼形斷面均速管在前端接近圓形，分離點(diǎn)也是不固定的，而且當(dāng)安裝不正或因管道上游流體擾動(dòng)引起流體方向與機(jī)翼中心不重合時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)提升力，使流線紊亂，分離點(diǎn)極不穩(wěn)定，流量系數(shù)變化很大。

 

 

 

圖3　機(jī)翼形斷面均速管的分離點(diǎn)不固定

 

      威里斯公司生產(chǎn)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(diǎn)，所以分離點(diǎn)固定，流量系數(shù)穩(wěn)定。但拐點(diǎn)比較平緩，不致像菱形斷面那樣產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋渦、較大的探頭振動(dòng)和脈動(dòng)的差壓信號(hào)。同時(shí)其負(fù)壓取壓孔位于側(cè)面，在流體分離點(diǎn)之前，因而減少了負(fù)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(qū)，將阻止流體中的固體微粒進(jìn)入，因而其防堵性能優(yōu)于其它斷面的均速管。據(jù)介紹，某鋼廠高爐煤氣計(jì)量采用威力巴均速管，經(jīng)半年多的連續(xù)運(yùn)行，在不吹掃的情況下未出現(xiàn)過(guò)堵塞現(xiàn)象。

 

 

 

圖4　彈頭形斷面均速管的分離點(diǎn)固定

 

　　托巴公司生產(chǎn)的托巴均速管采用圓形檢測(cè)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(jù)介紹，這也是為了使分離點(diǎn)固定，同時(shí)可在其背面唯一的負(fù)壓測(cè)孔附近產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)壓區(qū)，從而保持一個(gè)恒定的流量系數(shù)。在該公司的產(chǎn)品樣本中，還列出了各種規(guī)格托巴管的流量系數(shù)K值。

 

      1.2 表面處理

 

      通常均速管表面為光滑的，當(dāng)流速變化時(shí)在均速管表面容易形成邊界層流與邊界紊流交替出現(xiàn)的情況，這是造成流量系數(shù)不穩(wěn)定的另一個(gè)重要原因。威里斯公司根據(jù)邊界層理論研究的結(jié)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(cè)面之間設(shè)一淺槽）。據(jù)該公司介紹，這相當(dāng)于有一個(gè)紊流發(fā)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(fā)生器降低流體牽引力并產(chǎn)生穩(wěn)定的流線，從而使流量系數(shù)更穩(wěn)定。該公司已推出計(jì)算流量系數(shù)K的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果與標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果的各個(gè)數(shù)值相差<0.5%。據(jù)托巴公司介紹，該公司的均速管表面也經(jīng)過(guò)噴沙處理。

 

      各種檢測(cè)桿斷面均速管的性能比較見(jiàn)表1。

 

表1各種檢測(cè)桿斷面均速管性能比較 

 

項(xiàng)　目

 

圓　形

 

菱　形

 

機(jī)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(fù)壓孔位置

 

背部

 

背部

 

背部或側(cè)面

 

側(cè)面

 

差壓信號(hào)穩(wěn)定性

 

有噪音

 

脈動(dòng),噪音大

 

未知

 

無(wú)動(dòng)脈,穩(wěn)定

 

檢查桿強(qiáng)度

 

中等

 

差

 

取決于流體方向

 

高

 

防堵性能

 

差

 

差

 

取決于負(fù)壓孔位置

 

好

 

K值計(jì)算公式

 

無(wú)

 

無(wú)

 

無(wú)

 

有

 

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

 

有限

 

較多

 

有限

 

較多

 

精度

 

差

 

高(加阻尼)

 

差

 

高

 

雙向測(cè)量

 

可行

 

可行

 

不行

 

不行

 

      1.3 材質(zhì)及安裝附件

 

      檢測(cè)桿材質(zhì)雖然可用普通碳鋼，但通常為不銹鋼。迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司的1295型均速管材質(zhì)除316SST不銹鋼外，還使用以下特殊材質(zhì)：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(zhì)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選用，以適應(yīng)有防腐性能要求的特殊場(chǎng)合。

 

　　安裝附件是均速管能用好的另一個(gè)關(guān)鍵，比如當(dāng)管徑加大時(shí)，可將檢測(cè)桿由單端支承改為雙端支承；為減少檢測(cè)桿的振動(dòng)，增加帶填料的壓緊裝置（如ProBar均速管）；也可以因以上兩個(gè)原因使用壓緊檢測(cè)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(cè)量，迪特里希標(biāo)準(zhǔn)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(gè)非焊接整體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，最大壓力40MPa，最高溫度1300℃。威里斯公司還生產(chǎn)一種在線快捷安裝系統(tǒng)，以便快速插入或取出均速管。

 

      2 均速管流量計(jì)的成套供貨

 

　　像其它節(jié)流裝置一樣，依靠一次檢測(cè)元件本身提高檢測(cè)精度、提高測(cè)量范圍比是有限的，所以目前均速管流量測(cè)量發(fā)展的另一個(gè)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(shí)，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(shí)提供。

 

　　迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司、威里斯公司、托巴公司率先為均速管配套設(shè)計(jì)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(cè)點(diǎn)溫度過(guò)高（迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司要求當(dāng)T>260℃）時(shí)，可增加連接管路，便于分離安裝差壓變送器。迪特里希標(biāo)準(zhǔn)公司選用了美國(guó)羅斯蒙特公司高精度3051型差壓變送器或3095型多參數(shù)質(zhì)量流量變送器組成ProBar均速管流量計(jì)，它可按多點(diǎn)流量標(biāo)定曲線編制11段折線函數(shù)程序，以進(jìn)行流量線性化補(bǔ)償，從而將不經(jīng)標(biāo)定時(shí)的1.1%精度提高到0.5%，量程比由不經(jīng)標(biāo)定的5∶1擴(kuò)大到10∶1。而3095型多參數(shù)質(zhì)量流量變送器還可在檢測(cè)均速管差壓的同時(shí)檢測(cè)流體的壓力和溫度，即在均速管內(nèi)裝Pt100鉑電阻。這樣可在一臺(tái)3095型變送器內(nèi)進(jìn)行流體3個(gè)參數(shù)的檢測(cè)，再通過(guò)3095型的組態(tài)，可完成流體流量的溫度壓力補(bǔ)償運(yùn)算和氣體膨脹系數(shù)的運(yùn)算，以提高流量檢測(cè)精度。對(duì)質(zhì)量流量來(lái)說(shuō)，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(biāo)準(zhǔn)公司還可向用戶配套提供顯示器或DARTII流量計(jì)算機(jī)。

 

　　威里斯公司可向用戶提供Veracalc流量計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算程序磁盤，作者在選型時(shí)已經(jīng)試用，它可以由用戶按要求輸入具體應(yīng)用對(duì)象的信息，如流體名稱、溫度、壓力、流量測(cè)量范圍（最大、常用、最?。┗驕y(cè)量差壓值、管徑、壁厚、單位制和結(jié)構(gòu)要求等數(shù)據(jù)，通過(guò)下拉式菜單完成儀表完整型號(hào)的選擇、差壓值計(jì)算（由流量計(jì)算差壓）或流量值計(jì)算（由差壓計(jì)算流量）。對(duì)于蒸氣流量計(jì)算來(lái)說(shuō)，可根據(jù)用戶輸入的參數(shù)計(jì)算蒸氣密度。作者感覺(jué)最滿意的地方是，當(dāng)威力巴均速管不能滿足用戶具體應(yīng)用對(duì)象的某些條件時(shí)或者用戶輸入某些不正確數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)算機(jī)屏幕上將顯示錯(cuò)誤信息的類型。再如，進(jìn)行過(guò)熱蒸氣密度計(jì)算時(shí)，如果輸入的壓力和溫度值并不在過(guò)熱蒸氣范圍內(nèi)，計(jì)算機(jī)屏幕上將提醒用戶流體狀態(tài)為液體，用戶需重新輸入數(shù)據(jù)。通過(guò)Veracalc計(jì)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(jié)果。

 

      3 結(jié)束語(yǔ)

 

　　隨著均速管流量測(cè)量的理論研究和應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，均速管的應(yīng)用前景是光明的。但均速管要取得更大的進(jìn)展還須對(duì)以下課題進(jìn)行深入研究：檢測(cè)桿斷面形狀、表面處理、材質(zhì)等方面新的探索；降低下限流速，擴(kuò)大流量測(cè)量范圍比；綜合提高均速管流量測(cè)量精度的措施。