在20種常用流量儀表中，均速管流量計(jì)的排序處于8~9位；我國西氣東輸?shù)氖兰o(jì)工程中，在干線內(nèi)徑為一米的管道上，選用了50臺(tái)Emerson的均速管流量計(jì)，占總量96臺(tái)的52%。本文就近年來業(yè)內(nèi)人士對(duì)均速管較為關(guān)注的幾個(gè)問題提出以下看法，供大家參考。
前言
自上世紀(jì)60年代末均速管流量計(jì)問世以來，雖不斷改進(jìn)（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(cè)速原理，以測(cè)管道中直徑（圓管）或長與寬（矩形管）上幾點(diǎn)的流速來推算流量的一種插入式流量儀表。因其結(jié)構(gòu)簡單，裝、拆方便，價(jià)格低廉及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在無需準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)行貿(mào)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(tuán)聯(lián)合對(duì)近兩年全球流量儀表市場(chǎng)的調(diào)查表明：在20種常用流量儀表中，均速管流量計(jì)的排序處于8~9位；我國西氣東輸?shù)氖兰o(jì)工程中，在干線內(nèi)徑為一米的管道上，選用了50臺(tái)Emerson的均速管流量計(jì)，占總量96臺(tái)的52%；此外，美國的Verabar均速管流量計(jì)在國內(nèi)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(chǎn)均速管在大陸市場(chǎng)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(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的情況，不遺余力推陳出新，不斷改進(jìn)；而國內(nèi)廠家，產(chǎn)品開發(fā)乏力，一味仿制，幾乎還生產(chǎn)、銷售國外10多年前已淘汰的產(chǎn)品，這些情況令人深思。本文就近年來業(yè)內(nèi)人士對(duì)均速管較為關(guān)注的幾個(gè)問題提出以下看法，供大家參考。
熱點(diǎn)之一 ——檢測(cè)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(cè)桿為圓截面；迎流向有多個(gè)總壓孔，背流向?yàn)榈蛪嚎祝恢虚g用板隔開，后認(rèn)為均速管既處于位流，整個(gè)截面靜壓應(yīng)相等，改為僅在檢測(cè)桿中央背流向一側(cè)鉆一個(gè)背壓孔，用細(xì)管將背壓傳至差壓變送器低壓端，取消了隔板，簡化了結(jié)構(gòu)。
2、 菱形-Ⅰ
上世紀(jì)70年代末期，圓截面使用多年后，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)處于105~106之間時(shí)，流體在圓管上分離點(diǎn)將從78u移至130u，即所謂“阻力危機(jī)”現(xiàn)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(cè)為銳角，分離點(diǎn)確定，排除了阻力危機(jī)。其他結(jié)構(gòu)不變。
3、 菱形-Ⅱ
菱形-Ⅰ使用7、8年后，又發(fā)現(xiàn)背壓孔的傳壓細(xì)管，由于內(nèi)徑僅3毫米，易堵塞。美國Dieterich公司又推出了由3個(gè)腔體所組成的檢測(cè)桿截面，總壓孔由兩對(duì)改為3到4對(duì)，背壓孔與總壓孔一一對(duì)應(yīng)，取消了總背壓引出管，這種結(jié)構(gòu)即或有一二個(gè)背壓孔被堵，也不會(huì)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(cè)桿形狀，如對(duì)稱翼型、扁圓形、橢圓形（Preso）等。其實(shí)均速管的永久壓損僅幾十帕，可忽略不計(jì)，不必小題大做。而這類截面形狀低壓多取自兩側(cè)，卻帶來輸出差壓過低的弊病，揚(yáng)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(jié)構(gòu)測(cè)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(qiáng)度，但僅限于一個(gè)型號(hào)，用于特殊場(chǎng)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(cè)量精確度。實(shí)際估算附面層對(duì)準(zhǔn)確度的影響是可忽略不計(jì)的。彈頭型的低壓取自兩側(cè)，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(jié)構(gòu)（該公司稱485型Annubar）。在T形檢測(cè)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(shè)計(jì)，精確度將會(huì)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(gè)低壓孔。這種結(jié)構(gòu)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(huì)上宣稱有許多優(yōu)點(diǎn)，而從截面形狀及結(jié)構(gòu)上與菱形-Ⅱ相比并無本質(zhì)區(qū)別。它仍是一種插入式流量儀表，無法擺脫只測(cè)管道中直徑上幾點(diǎn)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(dá)±0.6%，缺乏說服力，令人難以置信。但其材料的選用卻有看點(diǎn)，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(dá)1000℃以上，且可適用于各種腐蝕性介質(zhì)。
熱點(diǎn)之二——檢測(cè)孔的數(shù)量與位置
均速管是一種插入式、具有取樣性質(zhì)的流量計(jì)。早期曾有在均速管直徑方向測(cè)十余點(diǎn)總壓，但測(cè)點(diǎn)再多也只能反映某一直徑上的流速分布，而不是整個(gè)截面。
取樣具有實(shí)際意義的前提是均速管前具有20~30D（D為管內(nèi)徑）的直管段，這時(shí)管內(nèi)的流動(dòng)為充分發(fā)展管流，流速分布的等速線為對(duì)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(cè)直徑上幾點(diǎn)流速才可能反映整個(gè)截面的情況。而究竟測(cè)直徑上哪幾點(diǎn)的流速眾說紛紜，大致有以下5種（見表1）。
表1中所依據(jù)的流速分布，按尼庫拉茲（Nikuradse）所提出的充分發(fā)展紊流數(shù)學(xué)模型。上世紀(jì)90年代初，對(duì)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(shí)際情況有較大差異（特別是在管壁附近），所以應(yīng)增加到3對(duì)總壓孔，而目前在較大管徑時(shí)也有用4對(duì)的。其分布按對(duì)數(shù)—契比雪夫法（見表2），并已為ISO TC30所確認(rèn)：
對(duì)于低壓孔的位置與數(shù)量，由于均速管處于位流，在橫截面上無橫向流動(dòng)，各點(diǎn)靜壓相等，因而取一點(diǎn)及多點(diǎn)均可，不涉及精確度問題，只是取多點(diǎn)不易堵塞，而取自檢測(cè)桿背部將比取自兩側(cè)可獲得更大的差壓。
長期以來，人們都認(rèn)為：各總壓孔所測(cè)總壓反映了管道中的流速分布，由于流速不等，所測(cè)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(shí)際并非如此，由于各點(diǎn)總壓不等，在高壓腔中會(huì)有流動(dòng)，甚至在孔的邊緣還會(huì)有渦流，這都將產(chǎn)生壓損。1975年，William.H.等人曾對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試、研究，也提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，但這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式中還存在一些系數(shù)有待實(shí)驗(yàn)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(shù)量，均速管最終還是需通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來確定流量系數(shù)K。由于隨著流量的變化（即Re的變化）時(shí)，流速分布在靠近管壁處的變化將比管道中心大，對(duì)數(shù)—契比雪夫的總壓分布，在靠近管壁處要多一個(gè)測(cè)點(diǎn)，以適應(yīng)這種變化，也更為合理。
易忽視的熱點(diǎn)——管道
30多年來，廠商對(duì)以上兩個(gè)問題都不遺余力，進(jìn)行了大量的創(chuàng)新。但就均速管本身而言，僅是一個(gè)多點(diǎn)流速計(jì)，它只有插入管道中才能測(cè)流量，才可稱為流量計(jì)。況且，管道對(duì)均速管的流量測(cè)量的影響舉足輕重，不可忽視，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：
1、 直管段長度
均速管前直管道長度必須達(dá)到20~30D，以保證流速分布為充分發(fā)展紊流，只有這樣，僅測(cè)幾點(diǎn)的流速才可能推算流經(jīng)整個(gè)截面的流量。否則，管道中的流動(dòng)將如圖3所示，比較復(fù)雜（在其他阻力件后，情況也類似），流速分布不僅不對(duì)稱于軸線，還會(huì)有橫向流動(dòng)（二次流）及漩渦，僅測(cè)直徑上幾點(diǎn)流速能說明什么問題？又如何保證測(cè)量的準(zhǔn)確度？
2、 管道內(nèi)徑
均速管只能測(cè)流速，要測(cè)流量必須乘管道截面（圓管要測(cè)內(nèi)徑，矩形管需測(cè)寬與高）。而它又是一種插入式儀表，實(shí)際應(yīng)用中，往往很難或并不認(rèn)真測(cè)內(nèi)徑。
ISO7145就認(rèn)為，在無法測(cè)內(nèi)徑時(shí)，允許用軟尺測(cè)管道外徑的周長、估計(jì)壁厚來確定內(nèi)徑，這樣做當(dāng)然更無法確認(rèn)管道內(nèi)壁的腐蝕、積垢等情況的影響。如此確定的管內(nèi)徑，怎么能保證準(zhǔn)確，而從下面分析可看出管內(nèi)徑的準(zhǔn)確與否，將成為影響均速管流量測(cè)量準(zhǔn)確度舉足輕重的因素。
流量準(zhǔn)確度的估算
如僅考慮主要因素，均速管計(jì)算公式可簡化為：
①式中QV為容積流量；C取決于各參數(shù)單位的系數(shù)；D為管道內(nèi)徑；DP為輸出差壓；x為流體密度。由①式推導(dǎo)的流量不確定度為
從上所述，制造廠對(duì)均速管檢測(cè)桿的形狀、測(cè)點(diǎn)位置，做了不懈的努力，它們只會(huì)影響輸出差壓Dp的大小，而從②式中可知管內(nèi)徑D的相對(duì)誤差sD/D對(duì)流量精確度的影響將數(shù)倍于差壓Dp的誤差sDp/Dp。
此外，公式①中的流量系數(shù)K即使廠商逐臺(tái)標(biāo)定，也是在實(shí)驗(yàn)室的特定條件下得到的，而現(xiàn)場(chǎng)往往達(dá)不到試驗(yàn)室的流場(chǎng)條件，這時(shí)采用廠商提供的流量系數(shù)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(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試表明，在直管段不到4～5D時(shí)，流量系數(shù)的偏差將達(dá)到±8%以上。
上述分析進(jìn)一步說明了，管道（包含內(nèi)徑D及直管段長度L）是影響均速管流量測(cè)量準(zhǔn)確度的主要因素！
在工控系統(tǒng)中的位置
現(xiàn)場(chǎng)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(duì)誤差可能達(dá)到±8%的嚴(yán)酷事實(shí)！均速管在工控系統(tǒng)中還有無立足之地？
均速管在工控系統(tǒng)中只是一個(gè)提供信息源的檢測(cè)環(huán)節(jié)，它的輸出所反映的流量信息，應(yīng)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(fù)性的重要性往往大于準(zhǔn)確度。例如，在鍋爐的燃燒調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，應(yīng)測(cè)空氣流量，并以此調(diào)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(shù)關(guān)系，且不隨意變化，即重復(fù)性較好就可以了。至于空氣量的確切值是多少（準(zhǔn)確度）并非系統(tǒng)所關(guān)心的問題。也就是說，只要不涉及物流的結(jié)算（貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)評(píng)估等），準(zhǔn)確度就是非主要考慮的問題。
30多年來對(duì)均速管的研究表明，在直管段達(dá)不到要求情況下，其誤差可達(dá)到±8%以上，但重復(fù)性往往可做到0.5%。只要使用目的不是貿(mào)易結(jié)算（如天然氣的計(jì)量），而是用于工控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、監(jiān)控，均速管就以其結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)卻不可避免地為它帶來了以下3個(gè)缺點(diǎn)：
1、準(zhǔn)確度較低
多年來，均速管發(fā)展的型號(hào)近20種之多，由于是插入形式，只能通過檢測(cè)桿來反映流速，無論在上面取了多少個(gè)測(cè)點(diǎn)，也只能反映管道截面上直徑（或?qū)?、高）上的流速分布，在直管道達(dá)不到要求時(shí)，這些點(diǎn)失去代表意義，準(zhǔn)確度難以優(yōu)于±3%。
2、輸出差壓小
均速管是根據(jù)皮托管測(cè)速原理，通過測(cè)總靜壓來推算流量，常用于大口徑測(cè)氣體情況，這時(shí)輸出差壓僅幾十帕（幾毫米水柱）。這是它的原理與結(jié)構(gòu)所決定的，研制廠家多年來雖不遺余力在檢測(cè)桿上大做文章，但收獲有限，最新推出的T形結(jié)構(gòu)，即使按廠商所說提高了20%輸出差壓，從實(shí)用角度來看所提高的輸出差壓也無濟(jì)于事。
3、易于堵塞
由于必須通過檢測(cè)孔來測(cè)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(jìn)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(duì)以上存在的問題不懈努力，做了不少改進(jìn)，但如不跳出舊的模式，就難取得突破性的進(jìn)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(bǔ)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(xiàng)專利（CN852045298）確有些效果，但不明顯，最近在此基礎(chǔ)上又做了改進(jìn)，正申報(bào)專利，以期對(duì)均速管的推廣應(yīng)用盡微薄之力。
