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节能仪表——均速管流量计
毛新业
四川自控工程专业委员会
均速管流量计（国外称Annubar、Torbar、Probar、verabar、itabar……等），问世已三十余年，名称不同，截面各异，但都是基于皮托管测速原理，以测管道中直线上几点流速来推算流量的一种插入式流量仪表。它具有结构简单，价格低廉，装、拆方便，压损小等特点。从耗材少、运行费用低二方面来看都是一种节能仪表，在当前大力倡导建设节约型经济情况下，是一种值得推荐的流量仪表。
一、基本原理（图一）
流量Q是单位时间s通过管道中某一截面A的流体体积m3（或质量kg），即Q= m3/s=m2·m/s=A·V
因此，流量也可变换为管道截面A与流速V的乘积。但工业管道中的流速通常不是常数，只有将截面划分为许多单元面积Ai，乘以通过Ai的流速Vi，即流量Q=，但这种方法过于繁琐。幸好无论管道中流速分布多么复杂，在较长的直管段（一般应为30倍直径）后，在流体的粘性作用下，管内的流速分布将呈现对称于圆心的充分发展紊流。在这种情况，只需测直径方向上几点的流速，就可以准确地推算流量值。
采用皮托管测速原理，通过测流体的总静压，运用柏努利方程就可测量流体的流速值。均速管沿管道直径方向插入管道，迎流向有数对总压孔，由于流速不等，所测总压也不相等，在高压腔内平均后，通过高压阀接入变送器高压端；背流向一侧有数对背压孔，所测背压（如处于位流各背压值应基本相等）在低压腔平均后，通过低压阀接至变速器低压端，如忽略一些影响不大的因素，均速管的流量计算公式可表示为
……①
式①中：Q为流量（m3/h）；C为系数取决于各参数的单位；
D为管道内径（m）；ΔP平均后的高低压之差（Pa）;
ζ流体密度（kg/m3）。
二、主要特点
1、结构简单、重量轻巧，总共仅10多个零件。
2、适应范围宽阔。可适用于多种流体（气、液、蒸汽）；口径自25毫米至9米，压力上限可达40mPa；温度上限1000℃。
3、节能显著。不可恢复压损仅为孔板的几十分之一，年运行费用为孔板的1/40～1/50。
4、安装简便。仅需在管道上钻一个约40毫米圆孔，焊上安装座即可，不断流型可在低压情况下，不中断流程进行装、拆。
5、长期稳定性好。无可动部件。准确度不受粘污、腐蚀等的影响。在可保证直管段长度情况下可达±1%；在直管段长度达不到要求时，重复性也可达到0.2%，适用于工控系统。
6、准确度。在直管段长度无法满足时，由于具有取样性质，准确度难以高于±2%～3%，不宜作为计量仪表，特别是贸易核算情况。
7、防堵性。早期均速管，仅通过一细管取背压，易于堵塞，要求流体洁净度较高，新型均速管背压采用多点，且空腔较大，可改善易堵塞情况。
三、目前常用的几种均速管
均速管在上世纪60年代末期推向市场，最早检测杆截面为圆形，后发现流体在雷诺数Re＜105时，在圆截面上分离点为78°；而Re＞106时，分离点将转为130°，当Re处于105～106之间时，分离点不确定，因而使流量系数有近±10%的偏差。在70年代末期，国内外逐渐推出了分离点确定的菱形截面检测杆（国外称钻石Diamond）以取代圆截面。目前常用的有以下几种：
1、菱形—Ⅰ型（图2a），由美国DSI公司1978年推出。由于均速管一般使用在位流中，即管道横截面上没有横向流动，背压应相等，可仅取一点背压，用一根内径约3毫米的细管引至变送器，但现场流体大多不够洁净，常有堵塞故障发生。目前国内仍有厂家生产，国外早已弃而不用。
2、托巴管（图2b），由英国托巴（TFL）流量计公司1985年推出。在圆形检测杆上铣一个六角形，迫使流体在六角处分离。它与菱形—Ⅰ型没有本质的区别。至于说到其内部有“独特”的二次平均结构，就是菱形—Ⅰ型早期采用过的总压引出管，实践证明，不仅没有什么优异的性能，反而增大易于堵塞的弊病，这种结构早被国内外生产厂商所淘汰。国内某厂也推一种托巴管，其实就是在每个总压检测孔上焊一个弹头，检测杆仍为圆形。它既没有弹头型控制附面层的优点；又保留了圆截面分离点不确定的缺点。匠心何在？难以理解！
3、菱型—Ⅱ型
总压、背压检测孔均采用2～4对，在高、低压腔中平均后，分别引至差压变送器高低压端。美国DSI公司1984年推出的Probar均速管（图2c-1），它由三个型材（一个菱形、二个三角形）组合成检测杆。而德国intra-automation公司于上世纪90年代推出了一体化结构（图2C—2），称为Itabar均速管，检测杆内用隔板分为高低二个压力腔，强度好且不易泄漏，如采用高强度耐热钢，耐压可达40mPa，耐温可达1000℃。Probar及Itabar的检测杆都采取了复合结构，可将温度变送器插入检测杆组成一体化智能质量流量计。
4、弹头型（图2D）
1992年由美国Veris公司推出，称为Verabar（威力巴）。
Verabar在其弹头前端表面做了粗糙处理（x/Ks≈200），认为这样处理后可保证形成紊流附面层，提高测量准确度。附面层由层流转变为紊流虽会影响准确度，但这种影响相对其他因素来说是微不足道的，而弹头形及静压点的位置，却使其输出差压相对其他类型均速管偏低不少，影响了它在低密度、低流速情况下的选用。
5、T型（图2E）
2001年由美国DSI公司推出T型结构正对流向，有二排密集的总压检测孔（直径约2mm）或取压槽，背流向一测采用了二排背压孔。认为这样的设计可获得“更多”的速度分布，有利于提高准确度。其实总压孔即或是密集到变成了槽口，也只能测管道中某一直径方向的流速。而在直管道不够长，直径方向上的流速分布不足以反映整个截面时，这种设计毫无意义。用槽口代替总压孔，在几十年前就出现过，并未推行说明没有实用价值。其次，采用较小的总压孔（或槽）却易于堵塞，事实上并非如厂商所说T形检测杆正前方形成了高压区，粉尘不易进入。如真是这样，汽车挡风玻璃板上还有必要用雨刷吗？
四、定位——适用于检测、监控系统
均速管优点不少，如节能、结构简单、安装方便……，但正所谓“福兮祸所伏，祸兮福所倚”，这些优点也不可避免地会带来一些不足之处，如准确度不够高，易堵塞等。如前所述，均速管是一种插入式，具有取样性质的仪表，在直管段不能达到要求时，无论采用什么形式的检测杆都难以达到厂商所宣传的±1%精确度，而重复性却可优于0.5%。
20多年前，W·Rahmeyer等人已进行了验证。他们将均速管安装在阻力件（阀门、弯头……）后2～12D，即在非充分发展紊流条件下进行了系统的试验。试验表明，在直管段小于4～5D时，流量系数的偏差可达到±8%以上，而重复性却可优于1%。说明对于均速管这种取样性质的仪表，直管段长度对其准确度的影响至关重要，而对重复性的影响却微不足道！
在实际应用中，由于均速管特别适用于大管道，一般情况都难以保证足够长的直管段，即无法具有较高的准确度，均速管在流程工业中还有无立足之地？仪表一般有以下三种用途：
①用于贸易、经济核算的计量，准确度应放在首位。
②用于工控系统作为信号源头的检测，重复性是主要的。
③用于监控工艺流程是否正常工作，可靠性是优先考虑的。
例如：对于一个锅炉的燃烧系统，必需测空气流量来调控燃料量，以保证最佳的空气燃料比。这时如用均速管测空气，只要它的输出能反映空气的变化，二者呈一一对应的单值函数关系，不随意变化，即重复性好就可以了。至于空气的绝对量，人们无需知道。其次，均速管也适用于监控工艺流程是否正常，如我国西气东输1米直径的干线，并不涉及计量收费问题，所用的96支干线流量计，就采用了50支均速管（占52%）。
在大口径的流量检测、监控系统中，均速管以其显著的节能效果，优异的性价比，常作为首选仪表。
五、小结——扬长避短，各取所需。
流量仪表由于影响因素较多，相应的品种也十分多，当前还没有一种流量仪表可取代其他仪表而一统天下，对于每一种仪表来说都只能扬长避短，在己之长的领域中发挥作用。业界专家最近指出，由于准确度不够，均速管不宜作为计量、贸易结算的仪表，并建议：①将国内外均速管检测件选用一种作为标准形式；②建立流量系数数据库；③对现场安装条件进行试验研究。这些建议看来诱人，但实施却有难度，它由谁组织？由谁埋单？
近年来，有些流量仪表发展很快，据“Flow·Research”报告分析，近五年超声及哥氏流量计年销售增长率分别为10.4%及 6.9%。这二种仪表准确度都可达到±0.5%以上，完全可以胜任计量、贸易结算。均速管的研究、生产厂商应克服“家有弊帚，享之千金”的心态，莫将这种插入式仪表一定要用于计量、贸易结算领域，能不断总结应用中的问题，勇于创新，能在检测、监控领域中充分用好均速管，就是很大的贡献。
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四川自控工程专业委员会
均速管流量计（国外称Annubar、Torbar、Probar、verabar、itabar……等），问世已三十余年，名称不同，截面各异，但都是基于皮托管测速原理，以测管道中直线上几点流速来推算流量的一种插入式流量仪表。它具有结构简单，价格低廉，装、拆方便，压损小等特点。从耗材少、运行费用低二方面来看都是一种节能仪表，在当前大力倡导建设节约型经济情况下，是一种值得推荐的流量仪表。
一、基本原理（图一）
流量Q是单位时间s通过管道中某一截面A的流体体积m3（或质量kg），即Q= m3/s=m2·m/s=A·V
因此，流量也可变换为管道截面A与流速V的乘积。但工业管道中的流速通常不是常数，只有将截面划分为许多单元面积Ai，乘以通过Ai的流速Vi，即流量Q=，但这种方法过于繁琐。幸好无论管道中流速分布多么复杂，在较长的直管段（一般应为30倍直径）后，在流体的粘性作用下，管内的流速分布将呈现对称于圆心的充分发展紊流。在这种情况，只需测直径方向上几点的流速，就可以准确地推算流量值。
采用皮托管测速原理，通过测流体的总静压，运用柏努利方程就可测量流体的流速值。均速管沿管道直径方向插入管道，迎流向有数对总压孔，由于流速不等，所测总压也不相等，在高压腔内平均后，通过高压阀接入变送器高压端；背流向一侧有数对背压孔，所测背压（如处于位流各背压值应基本相等）在低压腔平均后，通过低压阀接至变速器低压端，如忽略一些影响不大的因素，均速管的流量计算公式可表示为
……①
式①中：Q为流量（m3/h）；C为系数取决于各参数的单位；
D为管道内径（m）；ΔP平均后的高低压之差（Pa）;
ζ流体密度（kg/m3）。
二、主要特点
1、结构简单、重量轻巧，总共仅10多个零件。
2、适应范围宽阔。可适用于多种流体（气、液、蒸汽）；口径自25毫米至9米，压力上限可达40mPa；温度上限1000℃。
3、节能显著。不可恢复压损仅为孔板的几十分之一，年运行费用为孔板的1/40～1/50。
4、安装简便。仅需在管道上钻一个约40毫米圆孔，焊上安装座即可，不断流型可在低压情况下，不中断流程进行装、拆。
5、长期稳定性好。无可动部件。准确度不受粘污、腐蚀等的影响。在可保证直管段长度情况下可达±1%；在直管段长度达不到要求时，重复性也可达到0.2%，适用于工控系统。
6、准确度。在直管段长度无法满足时，由于具有取样性质，准确度难以高于±2%～3%，不宜作为计量仪表，特别是贸易核算情况。
7、防堵性。早期均速管，仅通过一细管取背压，易于堵塞，要求流体洁净度较高，新型均速管背压采用多点，且空腔较大，可改善易堵塞情况。
三、目前常用的几种均速管
均速管在上世纪60年代末期推向市场，最早检测杆截面为圆形，后发现流体在雷诺数Re＜105时，在圆截面上分离点为78°；而Re＞106时，分离点将转为130°，当Re处于105～106之间时，分离点不确定，因而使流量系数有近±10%的偏差。在70年代末期，国内外逐渐推出了分离点确定的菱形截面检测杆（国外称钻石Diamond）以取代圆截面。目前常用的有以下几种：
1、菱形—Ⅰ型（图2a），由美国DSI公司1978年推出。由于均速管一般使用在位流中，即管道横截面上没有横向流动，背压应相等，可仅取一点背压，用一根内径约3毫米的细管引至变送器，但现场流体大多不够洁净，常有堵塞故障发生。目前国内仍有厂家生产，国外早已弃而不用。
2、托巴管（图2b），由英国托巴（TFL）流量计公司1985年推出。在圆形检测杆上铣一个六角形，迫使流体在六角处分离。它与菱形—Ⅰ型没有本质的区别。至于说到其内部有“独特”的二次平均结构，就是菱形—Ⅰ型早期采用过的总压引出管，实践证明，不仅没有什么优异的性能，反而增大易于堵塞的弊病，这种结构早被国内外生产厂商所淘汰。国内某厂也推一种托巴管，其实就是在每个总压检测孔上焊一个弹头，检测杆仍为圆形。它既没有弹头型控制附面层的优点；又保留了圆截面分离点不确定的缺点。匠心何在？难以理解！
3、菱型—Ⅱ型
总压、背压检测孔均采用2～4对，在高、低压腔中平均后，分别引至差压变送器高低压端。美国DSI公司1984年推出的Probar均速管（图2c-1），它由三个型材（一个菱形、二个三角形）组合成检测杆。而德国intra-automation公司于上世纪90年代推出了一体化结构（图2C—2），称为Itabar均速管，检测杆内用隔板分为高低二个压力腔，强度好且不易泄漏，如采用高强度耐热钢，耐压可达40mPa，耐温可达1000℃。Probar及Itabar的检测杆都采取了复合结构，可将温度变送器插入检测杆组成一体化智能质量流量计。
4、弹头型（图2D）
1992年由美国Veris公司推出，称为Verabar（威力巴）。
Verabar在其弹头前端表面做了粗糙处理（x/Ks≈200），认为这样处理后可保证形成紊流附面层，提高测量准确度。附面层由层流转变为紊流虽会影响准确度，但这种影响相对其他因素来说是微不足道的，而弹头形及静压点的位置，却使其输出差压相对其他类型均速管偏低不少，影响了它在低密度、低流速情况下的选用。
5、T型（图2E）
2001年由美国DSI公司推出T型结构正对流向，有二排密集的总压检测孔（直径约2mm）或取压槽，背流向一测采用了二排背压孔。认为这样的设计可获得“更多”的速度分布，有利于提高准确度。其实总压孔即或是密集到变成了槽口，也只能测管道中某一直径方向的流速。而在直管道不够长，直径方向上的流速分布不足以反映整个截面时，这种设计毫无意义。用槽口代替总压孔，在几十年前就出现过，并未推行说明没有实用价值。其次，采用较小的总压孔（或槽）却易于堵塞，事实上并非如厂商所说T形检测杆正前方形成了高压区，粉尘不易进入。如真是这样，汽车挡风玻璃板上还有必要用雨刷吗？
四、定位——适用于检测、监控系统
均速管优点不少，如节能、结构简单、安装方便……，但正所谓“福兮祸所伏，祸兮福所倚”，这些优点也不可避免地会带来一些不足之处，如准确度不够高，易堵塞等。如前所述，均速管是一种插入式，具有取样性质的仪表，在直管段不能达到要求时，无论采用什么形式的检测杆都难以达到厂商所宣传的±1%精确度，而重复性却可优于0.5%。
20多年前，W·Rahmeyer等人已进行了验证。他们将均速管安装在阻力件（阀门、弯头……）后2～12D，即在非充分发展紊流条件下进行了系统的试验。试验表明，在直管段小于4～5D时，流量系数的偏差可达到±8%以上，而重复性却可优于1%。说明对于均速管这种取样性质的仪表，直管段长度对其准确度的影响至关重要，而对重复性的影响却微不足道！
在实际应用中，由于均速管特别适用于大管道，一般情况都难以保证足够长的直管段，即无法具有较高的准确度，均速管在流程工业中还有无立足之地？仪表一般有以下三种用途：
①用于贸易、经济核算的计量，准确度应放在首位。
②用于工控系统作为信号源头的检测，重复性是主要的。
③用于监控工艺流程是否正常工作，可靠性是优先考虑的。
例如：对于一个锅炉的燃烧系统，必需测空气流量来调控燃料量，以保证最佳的空气燃料比。这时如用均速管测空气，只要它的输出能反映空气的变化，二者呈一一对应的单值函数关系，不随意变化，即重复性好就可以了。至于空气的绝对量，人们无需知道。其次，均速管也适用于监控工艺流程是否正常，如我国西气东输1米直径的干线，并不涉及计量收费问题，所用的96支干线流量计，就采用了50支均速管（占52%）。
在大口径的流量检测、监控系统中，均速管以其显著的节能效果，优异的性价比，常作为首选仪表。
五、小结——扬长避短，各取所需。
流量仪表由于影响因素较多，相应的品种也十分多，当前还没有一种流量仪表可取代其他仪表而一统天下，对于每一种仪表来说都只能扬长避短，在己之长的领域中发挥作用。业界专家最近指出，由于准确度不够，均速管不宜作为计量、贸易结算的仪表，并建议：①将国内外均速管检测件选用一种作为标准形式；②建立流量系数数据库；③对现场安装条件进行试验研究。这些建议看来诱人，但实施却有难度，它由谁组织？由谁埋单？
近年来，有些流量仪表发展很快，据“Flow·Research”报告分析，近五年超声及哥氏流量计年销售增长率分别为10.4%及 6.9%。这二种仪表准确度都可达到±0.5%以上，完全可以胜任计量、贸易结算。均速管的研究、生产厂商应克服“家有弊帚，享之千金”的心态，莫将这种插入式仪表一定要用于计量、贸易结算领域，能不断总结应用中的问题，勇于创新，能在检测、监控领域中充分用好均速管，就是很大的贡献。