第五节 相关流量计的应用

一、作为单一的流量计应用于工业管道的流量测量

基于不同检测原理的传统流量计，如差压式流量计、容积式流量计、速度式(如超声波、涡轮、涡街、电磁等)流量计、变面积流量计等，巳广泛应用于工业生产各部门。其应用对象通常是"容易"测量的单相流体，而对"困难"流体的测量，如气—固两相流，油-气-—水三相流，这些流量计将不再适用，或者说应用上述单一一种流量计不能测量"困难"流体的流量。

相关流量计需要的测量信息仅是能代表流体存在或分布的"标记信号"。它可以采用完全不同的方法，如非接触、非侵入的超声波、微波或激光、电容等方法，去获取必要的信息。经过特殊考虑和设计的相关流量计，显然可以用于这些"困难"流体的流量。因其采用非接触或非侵入式的测量手段，所以相关流量计也可安装于条件苛刻、操作环境恶劣的流量测量场合，如高温、高压、腐蚀性大，安装困难等场合。

相关流量计在核工业中应用较多。图8.20所示显示了基于重水核反应器的一次回路中，所发出的离子辐射的相关流量计测得的结果与用孔板在同一管线上测得的流量的比较。这些结果肯定地证明了采用非侵入式测量手段的互相关技术的用处。而与之相对照的是孔板不仅是涉及对管道的侵入，以及压差测量用的一些连接件(它们具有泄漏的可能性)，而且孔板还会在管道中形成一种障碍。对于某些核反应器的操作者来说，这种情况可能是不可以接受的。

相关流量计在核工业中的另外一种应用，已经由Bazerghi和Serdula在1997年的一篇文章中叙述过了。他们采用Flemons研制成功的连续波超声相关流量计，并开发了一个扩展的估计程序。据称，他们已经得到了3%的测量精确度。如果采取特别仔细的安装，优于2%得精确度也是可能得到的。

二、作为速度测量仪表应用于冶金、轻工业部门

1961年，英国Butterfield等利用热轧带钢表面存在的微小凹凸不一致性在运动过程中所引起的随机噪声信号，首次提出并实现了热轧带钢速度的相关测量系统。这种测量方法的特点是，可直接利用运动带钢表面本身存在的微小凹凸不一致性所引起的随机噪声信号，而无需注入任何"标记"物。所使用的敏感器件"光源"不与带钢接触，因此对带钢的运动没有任何阻碍作用。Butterfield宣称，该装置在现场应用中得到了较好的测量结果。但是由于当时电子信号处理技术的水平比较低，信号处理设备及控制装置的时间滞后都比较大，因而其应用效果并不很理想。

后来Mesch等利用改进的光电扫描装置及电子信号处理电路改进了传感器、信号处理通道及相关器的性能，使整个系统的响应速度和精确度都有了很大提高。该系统至今仍在钢带、钢板、纸带、绕线，其他卷装制品等领域成功应用。

三、与密度传感器配合组成质量流量计

质量流量测量在两相输运过程，尤其是固相颗粒或粉体输运过程中的作用越来越受到人们的重视 。 Guennec和Alquier采用γ密度计在相距一定距离的两个截面处测量了水平液-固两相管线内混合物的浓度，结合两截面处浓度信号的相关处理得到了液-固两相流质量流量测量。Greiner采用电容相关获得了密相固体物料输运管道内物料的输运速度，并采用了γ密度计测量管道内固相的浓度，从而获得固相的质量流量。鉴于相关流量测量技术在两相质量流量测量中良好的应用趋势，一些大的公司相继推出商品化的两相质量流量计。

20世纪80年代德国Endress&Hauser公司开发了一种电容式煤粉质量流量计，采用电容式相关流量计测量混合物的速度，采用电容式浓度计测量混合物的浓度。两个测量值相结合可以获得煤粉的质量流量，但是热电厂煤粉以稀相运输，固-气质量比通常在1:3~5:1的范围内，在100°C时固相的体积比在0.01%这一数量级。在这样低的浓度下，由于零漂、湿度等因数的影响，电容浓度计难以正常工作。同时，由于电容传感器比较严重的空间滤波效应及严重的零漂，相关电容传感器的信噪比很低。而静电感应传感器具有较高的灵敏度，工作稳定，可用于高温、高湿、高压等恶劣环境下。

英国Teeside大学与ABB公司合作开发了一种静电式煤粉质量流量计，传感器包括三个浓度电极和两个对称放置在浓度电极之间的速度电极。煤粉的喷吹速度由两个已知间距的速度电极通过互相关方法测量，而浓度可采用一种新颖的电极排列和已获专利的信号处理技术获得。不管固相团是沿管道中心经过，还是靠近管壁经过，这种方法使得固相浓度测量相对独立于固相分布。

热电厂在线监测各支管煤粉的喷吹速度和各支管间的燃料的平衡状态，有助于实现锅炉内理想的燃料分布，改善其燃烧状况，从而可以极大地提高燃烧效率，也可以预防因煤粉喷吹不当引起的锅炉事故，提高锅炉运行安全性，同时也有助于减少灰分中炭的含量和氮氧化物等有害气体的排放。另外，实现燃煤锅炉煤粉喷吹状况的监测，还有助于热电厂通过优化炉子及磨煤机械的运行管理机制降低运行费用，达到节能降耗的目的。在燃煤发电非常普遍的我国，相信一种合适而有效的煤粉监测手段必然会受到人们的足够重视，而且相关流量测量技术必将在其中发挥重要的作用。

ABB公司开发的另一种煤粉质量流量计，仍然采用两个静电感应电极测量煤粉的流速， 采用γ密度计测量煤粉的密度，两者相结合可以获得煤粉的质量流量。与E+H公司的电容式质量流量计相比，这种流量计因采用静电感应式传感器测量煤粉流速，采用γ密度计测混合物的浓度，灵敏度高，工作稳定，系统基本不受混合物的湿度、压力等因素的影响，因而在稀相固体物料风力输运过程中得到了广泛的应用。

四、与其他测量技术相配合构成多相流量计

从20世纪80年代初开始，油-气-水三相流的测量就受到石油工业的关注。从那时起，相当大的投入被用于适合于工业环境应用的三相流量计的开发，从而出现了不少商用的多相流量计。根据测量原理的不同，这些流量计要么将流体在测量之前部分分离，要么将流体在测量之前均匀混合，也有的不进行任何额外的操作。无论何种处理，均是为了提高测量的准确性。在这若干种多相流量计当中，有几种是采用相关流量测量技术获得某一相或两相的流速，再结合其他的总量测量或浓度、密度等参数的测量获得各相的流量。如挪威Fluenta AS，壳牌Kongsberg Offshore AS、Multi-Fluid International AS以及英国Jiskoot Autocontrol Ltd/Imperial College等公司生产的多相流量计均属这一种。

但是由于多相流流型很复杂，相间界面及各相的形态变化很大，目前尚无一种多相流量计可以覆盖所有流型范围。通常情况，是某一种多相流量计覆盖着这几种流型，而另一种多相流量计覆盖那几种流型。大多数流量计的测量精确度在±10%左右，目前尚难以满足在各种流型下均达到±5%的要求。近年来发展起来的过程层析成像技术被认为是有可能实现这一目标的新技术。通过过程层析成像技术获取多相流的流动形态，进而可以在特定的流动条件下有针对性地优化多相流量计的操作，进而提高多相流量计的性能。发展新一代的多相流量计势在必然。