皮托巴阿牛巴普洛巴威力巴，這些都是什么巴？

上期（long long ago）說到，如果我們迎著來流方向開孔，測量出流體流動產(chǎn)生的動壓，就能換算出流速和流量。市面上的這類動壓式流量計(jì)常常被稱作“巴”類流量計(jì)，比如皮托巴、阿牛巴、普洛巴、威力巴……它們的工作原理是什么？各種“巴”之間又有什么區(qū)別呢？

圖 1 Armstrong公司的威力巴（Verabar）流量傳感器

實(shí)際上，“巴”類流量計(jì)的無法直接測量出流體的動壓，它通過總壓減靜壓的方式來得到動壓值。下圖是簡化版的原理圖，用一個迎著來流方向的引壓管測量總壓，再用另一個不是迎著來流方向的引壓管測量靜壓，總壓減靜壓就得到了動壓。

圖 2 管道中流體總壓和靜壓的測量過程

這背后的核心假設(shè)是理想流體在流動過程中機(jī)械能守恒，其數(shù)學(xué)表達(dá)式就是伯努利方程。

式中的三部分的單位都是Pa，它們可以被拆分理解為：

在上圖中，迎著來流方向開孔處的流速降至0，而水平管路h維持不變，因此兩個引壓管所測量的壓力差就是由流速轉(zhuǎn)化而來的動壓，即：

這就是理想流體的動壓和流速的數(shù)學(xué)關(guān)系。對于真實(shí)流體通常需要乘上對應(yīng)的修正系數(shù)，但方程的基本形式是不變的。

這種利用動壓測量流速的思路來源于18世紀(jì)法國工程師Henri Pitot的發(fā)明，因此這類裝置被命名為皮托管（Pitot tube）。時至今日皮托管依舊是飛機(jī)上測量空速的重要元件，在機(jī)頭附近都能看見它的身影。

圖 3 空客A321的皮托管

回到我們的“巴”類流量計(jì)，它其實(shí)就是壓力單位“bar”的音譯，比如阿牛巴就是“Annubar”，威力巴就是“Verabar”等，這大概是代表了它們利用壓力來測量流量的核心原理。下面對幾種代表性的產(chǎn)品作簡單介紹。

1.    L型皮托管

L型皮托管通常用來測量風(fēng)速，配合一個數(shù)顯的差壓表構(gòu)成一套手持的測量設(shè)備。它的測壓結(jié)構(gòu)是最“傳統(tǒng)”的套管結(jié)構(gòu)，通過側(cè)面開孔的方式來測量靜壓。

圖 4 某品牌皮托管風(fēng)速儀

圖 5 L型皮托管

2.    S型皮托管

L型皮托管由于存在套管結(jié)構(gòu)，加工比較困難，因此大多數(shù)產(chǎn)品如今都改成了前后兩根管并在一起的形式，某種程度上像是S的形狀（哪兒S了？），因此得名。

圖 6 S型皮托管

3.    一體式皮托管流量計(jì)

在S型皮托管的基礎(chǔ)上，儀表廠商對皮托管的形狀做了進(jìn)一步改進(jìn)，取消了S型的彎折結(jié)構(gòu)，整體采用了直管設(shè)計(jì)，更加簡潔美觀。此外，原本需要額外配套的差壓變送器、積算儀等被整合到了一起，通過表頭可以實(shí)時顯示流量（包括溫度、壓力、質(zhì)量流量等）的數(shù)值，這就是將一次元件和二次元件集成到了一起的一體式皮托管流量計(jì)。常見的品牌有德國測司儀表（CS Instruments）和德國希爾思（SUTO）。

圖 7 德國希爾思（SUTO）S430皮托管流量計(jì)

這種直管取壓方式的好處是測量高濕度的氣體時不用擔(dān)心凝露堵塞的問題。由于總壓管的取壓點(diǎn)壓力比管內(nèi)靜壓更大（因?yàn)榧由狭藙訅褐担幱诮柡蜖顟B(tài)的含水氣體就有可能被“壓榨”出液態(tài)水，也就是凝露。垂直的取壓管可以讓凝露直接向下流走，因而相比傳統(tǒng)的水平取壓管具有一定的優(yōu)勢。

圖 8 希爾思皮托管流量計(jì)的垂直取壓孔設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)皮托管一樣，這種一體式流量計(jì)的取壓孔需要安裝在管路中心處，即實(shí)際感應(yīng)的流速不是管內(nèi)的平均流速，而是最大流速（因?yàn)楣鼙趯α黧w的粘滯作用）。雖然此差距可以通過標(biāo)定解決，但仍在一定程度上限制了它的精度（產(chǎn)品手冊寫的是±1.5%讀數(shù)±0.3%滿量程）。

圖 9 皮托管流量計(jì)的安裝位置

4.    均速管流量計(jì)

圖 10 均速管流量計(jì)工作原理

顧名思義，均速管流量計(jì)測量管內(nèi)流體的平均流速。它的測量裝置完全插入管內(nèi)，并通過多個取壓孔（或者直接是長條形狹縫）得到流體總壓的平均值。由于測量元件長得像笛子，故又名笛型流量計(jì)。代表產(chǎn)品有羅斯蒙特的阿牛巴（Annubar）系列和VERIS的威力巴（Verabar）系列等。

圖 11 羅斯蒙特（Rosemount）的阿牛巴系列流量計(jì)

圖 12 VERIS的威力巴（Verabar）系列流量計(jì)

可以看到，阿牛巴和威力巴最大的不同之處在于測量元件的幾何形狀，阿牛巴呈現(xiàn)T字型，以一個平板迎著來流方向，總壓孔變成了垂直方向的狹縫，靜壓孔開在兩邊背流處；威力巴則是一個子彈頭的形狀，整體更加流線型，靜壓孔開在兩側(cè)。此外它們還可能經(jīng)過特殊的表面處理，以改善邊界層的擾動情況。二者的整體測量精度都在1%左右。

以上就是市面上主流的幾種進(jìn)口“巴”類流量計(jì)，很多國產(chǎn)廠家也推出了同類的產(chǎn)品。雖然測量原理都一樣，但具體測量元件的設(shè)計(jì)差別很大，適用工況和測量表現(xiàn)也各不相同。加上流體力學(xué)本身又是個有些“玄乎”的學(xué)科，這讓巴類流量計(jì)的選型更難總結(jié)出一個普適的規(guī)律。唯一基本達(dá)成的共識是“巴”類流量計(jì)的壓損相比傳統(tǒng)的孔板或V錐流量計(jì)小很多，因此能達(dá)到節(jié)約能源的目的。具體到現(xiàn)場如何選型，還是仔細(xì)研究一下各家的產(chǎn)品手冊吧！