摘要:用于(yú)高雷諾數流(liú)體(tǐ)測量的電磁流(liú)量計 ，其(qí)傳感器測量電極的表(biǎo)面粗(cū)糙度将會(huì)對電極附近的(de)流場産生(shēng)影響(xiǎng)。根據(jù)電磁(cí)流量(liàng)傳感器的(de)權重函(hán)數(shù)理論可知(zhī),電極附近流場的變化将極大(dà)的影響(xiǎng)電磁流(liú)量計的(de)測(cè)量信(xìn)号(hào),導緻測(cè)量結(jié)果産(chǎn)生誤差。該(gāi)文提出了(le)一種(zhǒng)使電磁(cí)流量傳感器測量電極的表(biǎo)面粗糙度(dù)不影響流場的(de)方法(fǎ),首先應用(yòng)cfd方法分析了測量電(diàn)極粗糙度(dù)對(duì)流場的影響(xiǎng),然後(hòu)用權重函(hán)數理論(lùn)分析了測量(liàng)誤(wù)差(chà)産生(shēng)的原(yuán)因(yīn),提出了對電磁流量傳(chuán)感器的(de)結構改(gǎi)造方案,最後通過流場(chǎng)仿(páng)真驗(yàn)證了(le)改造方案(àn)的可行(háng)性。結果(guǒ)表明(míng),該(gāi)文提(tí)出(chū)的方法可以很(hěn)好的解決測量(liàng)電極表面粗糙(cāo)度造(zào)成的測量(liàng)誤差問題。
0引(yǐn)言(yán)
　　電磁流(liú)量傳感器在測量高流速流(liú)體時,測量管道内流(liú)體的(de)雷諾(nuò)數(shù)很(hěn)高,流(liú)體流動呈(chéng)現爲(wèi)湍流(liú)狀态，在湍(tuān)流狀态下流場的邊(biān)緣部分即(jí)靠近管(guǎn)壁和電極部分的流體,有一部(bù)分不參(cān)與運(yùn)動,這部分(fèn)流體叫(jiào)做黏性(xìng)底層中(zhōng)。黏性(xìng)底層的厚度與流體雷諾數有關,雷諾數越(yuè)大,則(zé)黏(nián)性底層(céng)的厚(hòu)度越小，當(dāng)其厚(hòu)度小于電(diàn)極的(de)粗糙度(dù)時,流體(tǐ)流過(guò)電極,受粗(cū)糙(cāo)度影響,電極(jí)附近的流(liú)場将會改(gǎi)變,并(bìng)且會産生(shēng)旋(xuán)渦，出現各個方向(xiàng)的流速分(fèn)量,和(hé)軸向(xiàng)方向(xiàng)相(xiàng)或(huò)相反附加(jiā)的流速分量傳(chuán)遞到電極(jí)上将(jiāng)形成流速(sù)噪聲,疊加到測(cè)量的流(liú)速中。根(gēn)據權(quán)重函數理(lǐ)論[2-4]可(kě)以(yǐ)知道,測(cè)量電極附(fù)近流(liú)場的(de)權重函數(shù)值很大，這部分流場(chǎng)即使微小(xiǎo)的改(gǎi)變也将對(duì)電磁(cí)流(liú)量傳感(gǎn)器的測量結果(guǒ)造成(chéng)很大的誤差[5]。爲了(le)避(bì)免這種誤(wù)差的産生(shēng),就必須使(shǐ)電極的粗(cū)糙度小于(yú)黏性底層的厚度,這樣對生産(chǎn)工藝的要求會提高(gāo),增(zēng)加生産(chǎn)成本;并(bìng)且(qiě)測量電極持續(xù)受到流體中微小固體顆粒(lì)的撞擊,表面(miàn)粗(cū)糙度不(bú)可避(bì)免的會增(zēng)大。文獻[6]對電磁(cí)流量(liàng)傳感(gǎn)器的(de)電極(jí)材(cái)料(liào)、使用(yòng)範圍(wéi)及各種電極形狀在不同(tóng)應用場合的電(diàn)磁流量傳(chuán)感器(qì)上的選用與安(ān)裝做了總(zǒng)結,列出了測量電極(jí)的常用材料與(yǔ)各種(zhǒng)材(cái)料.形狀(zhuàng)電極的應(yīng)用特點和應用場合(hé)，表明(míng)測量電極(jí)的表面粗糙度(dù)是客觀(guān)存在的,然而文獻未提(tí)及電極表面粗糙(cāo)度(dù)對測量的(de)影響(xiǎng)。文獻(xiàn)[7]對(duì)電磁流量傳(chuán)感器(qì)測量電(diàn)極(jí)與絕(jué)緣襯(chèn)裏(lǐ)的粗糙(cāo)度對測量(liàng)的影(yǐng)響做(zuò)了(le)研究，通(tōng)過在試(shì)驗(yàn)中發現當雷(léi)諾(nuò)數達(dá)到某(mǒu)--高度,測量(liàng)會出現(xiàn)一個上(shàng)升的誤差拐點，在此(cǐ)基(jī)礎上應(yīng)用測量管的粗(cū)糙度(dù)與邊界層(céng)厚度的(de)關(guān)系，基于電礅(dūn)流量傳(chuán)感器感(gǎn)應(yīng)電勢(shì)的權重函數理(lǐ)論,解釋了這是(shì)一種(zhǒng)流速噪聲(shēng)所引(yǐn)起的現象(xiàng),并由此(cǐ)得(dé)出降(jiàng)低此類噪(zào)聲，需要在(zài)制造(zào)技術(shù)上提高(gāo)傳(chuán)感器測量管襯(chèn)裏(lǐ)和(hé)電極粗糙度的結論,但(dàn)并沒有給出具體(tǐ)的解決(jué)方案。國(guó)内現(xiàn)有一些研究(jiū)[8-9]提(tí)出采用多電極(jí)的方法可(kě)以提(tí)高電(diàn)磁流量計(jì)的(de)測量(liàng)精度,這類方法雖然也可以降(jiàng)低噪聲(shēng),但是由于電極(jí)的增(zēng)加(jiā),是電磁(cí)流量(liàng)計的(de)結構(gòu)變的更爲複雜，且會提(tí)高電磁(cí)流量計的生産成本。現有(yǒu)相關(guān)文獻并(bìng)未(wèi)提及(jí)用改(gǎi)造傳感器(qì)結構的方(fāng)法來克服測量電極(jí)表面粗(cū)糙度造(zào)成的測量誤差(chà)問題。該文提出了一種方(fāng)法:通(tōng)過改造測量電極附(fù)近的(de)電磁(cí)流量傳感器結(jié)構，使測量管道(dào)内的(de)流(liú)場不受(shòu)測量電極表面粗糙度的(de)影響(xiǎng),從(cóng)而(ér)實現避免(miǎn)測量電極(jí)表面(miàn)粗糙度(dù)引起測(cè)量誤(wù).差的(de)目的(de)。
1電極(jí)表(biǎo)面粗糙(cāo)度(dù)對電磁(cí)流量傳感(gǎn)器測量(liàng)的(de)影響
　　電(diàn)極表面粗糙度(dù)對電磁(cí)流量(liàng)傳感(gǎn)器測(cè)量的(de)造(zào)成的影(yǐng)響,可以用(yòng)cfd方(fāng)法(fǎ)和電磁流量傳(chuán)感器的(de)權重函數[2]理(lǐ)論解釋。
　　在(zài)電磁流量(liàng)傳感(gǎn)器測(cè)量電極(jí)爲(wèi)理想光滑(huá)材料(liào)的情況下,應用cfd方法對電磁流(liú)量計(jì)管(guǎn)道(dào)流場(chǎng)進行分析(xī),對于流動數學(xué)模型的建立,需(xū)要有(yǒu)以下(xià)條件:
1)流體爲連續(xù)不(bú)可壓(yā)縮流體,物理特性爲常數。
2)流體(tǐ)無相變(biàn),同時不(bú)考慮場中的空化現(xiàn)象。流體的(de)湍流流動可(kě)以(yǐ)應用rngk-ε湍流模型(xíng)[0]描述。把(bǎ)rng方(fāng)法"用(yòng)于n-s方程,并引入(rù)湍流動(dòng)能(néng)k和耗散率(lǜ)ε,可以得(dé)到(dào)以下模型(xíng):


典型(xíng)值,通(tōng)常η0=4.38,其他常數的(de)取值爲:cu=0.085，β=0.012c由(yóu)于(yú)針對(duì)高雷諾(nuò)數流體(tǐ)仿(páng)真，邊(biān)界條(tiáo)件設定如(rú)下:電磁(cí)流量傳感器測量管道(dào)直徑爲60mm;測(cè)量電(diàn)極直徑爲20mm;由于(yú)電磁流(liú)量(liàng)計的(de)安裝位置前後(hòu)有直管段長度(dù)要(yào)求,因此(cǐ),測量(liàng)管道長度設爲(wèi)1000mm;流體介質(zhì)爲水;測量管道入口(kǒu)的平(píng)均流速爲(wèi)5m/s;設定(dìng)流體(tǐ)的運(yùn)動粘(zhān)度爲1.0×10-6m2/s。根據(jù)管道流體雷諾(nuò)數計算(suàn)公式[1,13]

其(qí)中，us是管道(dào)内流(liú)體的平均流速(sù);d是管道直徑(jìng);μo是(shì)流體的運動黏度。
　　根(gēn)據公(gōng)式(4)可(kě)計算出流體雷(léi)諾數re=300000,管道(dào)内流體的(de)運動狀(zhuàng)态根據(jù)雷諾(nuò)數判别,據此(cǐ)可知此(cǐ)時管道内(nèi)流體運動狀态爲湍(tuān)流運動(dòng)。應用(yòng)comsol對(duì)電磁(cí)流量(liàng)計傳(chuán)感器的(de)測(cè)量管(guǎn)道内流(liú)場進行(háng)cfd數(shù)值仿真,流場雲圖(tú)如圖1所(suǒ)示(shì);對電極附(fù)近流(liú)場分布(bù)雲圖放(fàng)大如(rú)圖2所(suǒ)示。
　　由(yóu)圖2可(kě)以看出,在(zài)管道流(liú)體(tǐ)平(píng)均(jun1)流速爲5m/s時,靠近(jìn)管壁和電極附(fù)近的部分流場(chǎng)流速極小，這部分即爲(wèi)黏性底(dǐ)層。


在管道(dào)模型中，對測量電極部分設定表面粗(cū)糙度,且粗糙(cāo)度大于黏性底(dǐ)層厚(hòu)度,如圖3所(suǒ)示。

　　由圖3可以看(kàn)出,此(cǐ)時黏(nián)性底(dǐ)層(céng)厚度小(xiǎo)于粗(cū)糙度(dù),對(duì)比(bǐ)圖(tú)2,可(kě)知流場受(shòu)粗糙度的影響,在電(diàn)極附(fù)近的(de)分布(bù)有了(le)明顯的不(bú)同。
　　根(gēn)據電(diàn)磁流量傳感器的權(quán)重函數理(lǐ)論可以分(fèn)析(xī)測量電(diàn)極表(biǎo)面粗(cū)糙度對測量的影響(xiǎng)。shercliffja在1962年對電(diàn)磁流(liú)量傳(chuán)感器進行(háng)了研(yán)究，提出了(le)電磁流量傳感(gǎn)器的權(quán)重函數理論(lùn)[2]:在工(gōng)作磁(cí)場中,電磁流量(liàng)傳感器測量管(guǎn)道内的(de)所有流(liú)體微元切割(gē)磁(cí)感線都将(jiāng)産生(shēng)感應電動勢,測(cè)量管(guǎn)内(nèi)的(de)不同(tóng)位置(zhì)流體(tǐ)微元(yuán)切割磁感線産(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢對測量電極(jí)上拾(shí)取到(dào)的反(fǎn)映電磁(cí)流量傳(chuán)感器(qì)測量管道(dào)内流速信号的貢獻(xiàn)不(bú)一樣,權(quán)重函數(shù)則(zé)可以(yǐ)表明此(cǐ)貢獻能(néng)力的大小。shercliff給出了電(diàn)磁(cí)流量傳(chuán)感器的二維權(quán)重函(hán)數(shù)表達式(shì):

　　其中，w爲權重函(hán)數;r爲管道半徑;x和y爲包含(hán)電極的管(guǎn)道(dào)截面二(èr)維平面坐标。由(yóu)此可得電磁流(liú)量傳感(gǎn)器(qì)二維(wéi)權重函數分布(bù)，如圖42]所示。
　　根據圖4.上(shàng)權重函數各點數(shù)值(zhí)可以(yǐ)看出,在圓.心處(chù)w=1,在圓周處(chù)w減小(xiǎo)到0.5,而(ér)靠近電極附近(jìn)w很大,電極(jí)處的(de)權重(zhòng)函數(shù)w的值接近爲(wèi)∞'c顯然,權重函數w表(biǎo)示在工作(zuò)磁場在測(cè)量管道區(qū)域(yù)内,任何微小(xiǎo)流體微元(yuán)切(qiē)割(gē)磁感(gǎn)線所産生(shēng)的感應電.勢對(duì)兩電極信(xìn)号的(de)貢獻大小(xiǎo)，越靠(kào)近電極處(chù)的權(quán)重函數值越大(dà)。根據前述分析，由于(yú)測量電極(jí)表面(miàn)粗糙度使(shǐ)靠近(jìn)電極處的(de)流場發生了改變,而測(cè)量電極附近(jìn)的權重函(hán)數(shù)值又遠大于(yú)管道(dào)其他部分的權(quán)重函(hán)數值(zhí)，這樣電磁流量計的測量信号(hào)就會産生很大(dà)的誤(wù)差。

2解決(jué)電極粗糙度對(duì)測量影響(xiǎng)的方(fāng)法
　　綜上所述,電(diàn)磁流量傳(chuán)感器(qì)在測(cè)量高雷諾(nuò)數流體時,測量電極的粗糙度(dù)大于黏性(xìng)底層(céng)的厚(hòu)度,将會對(duì)測量(liàng)造成很大(dà)的誤差(chà)。如果采(cǎi)用對電極的深加工或者(zhě)改變(biàn)電極(jí)的(de)原料如(rú)采用(yòng)貴金屬等(děng)來(lái)減小粗(cū)糙度(dù)的方(fāng)法可以避(bì)免這種誤(wù)差,但(dàn)是這(zhè)樣會增加(jiā)電磁流量計的制造(zào)成(chéng)本(běn),且如(rú)果被(bèi)測(cè)流體含有固體顆(kē)粒,固體顆粒對電極(jí)的撞(zhuàng)擊(jī)，仍然會(huì)加大電極的粗(cū)糙度(dù)。因(yīn)此,提出(chū)了一-種新(xīn)的方法,來(lái)避免電極的粗糙度(dù)對流場的影響(xiǎng)。具體(tǐ)思路和(hé)方(fāng)案(àn)如下:
　　對(duì)電磁流量傳感器(qì)的結構進行改造,把測(cè)量電極附近的(de)管道(dào)口徑加寬(kuān),寬度遠大于電極的表(biǎo)面粗糙(cāo)度,這樣測量電(diàn)極的表面粗糙(cāo)度就可以(yǐ)不(bú)影(yǐng)響管道流場,從(cóng)而避免電(diàn)極表面粗糙度所引(yǐn)起(qǐ)的測(cè)量誤差(chà)。
　　改造原理具(jù)體(tǐ)體現爲:在電磁流量計傳感器(qì)測量管中的電極(jí)改(gǎi)變爲由一(yī)段固體電極和(hé)一段液體電極(jí)串疊組成,并由(yóu)液體(tǐ)電極部分(fèn)與測量管(guǎn)内待測液(yè)體相接觸(chù)。液體電極部分是管内通(tōng)往對(duì)應固體電(diàn)極.的(de)充滿(mǎn)導(dǎo)電性流(liú)體的管道加寬(kuān)部分(fèn)組(zǔ)成。液體電極(jí)的導電性(xìng)流體(tǐ)可(kě)以是待測流體(tǐ)灌(guàn)人管(guǎn)道加寬部分所(suǒ)形成(chéng)的液體。這樣,待(dài)測(cè)流(liú)體中(zhōng)在測(cè)量管内流(liú)動時,其流場不(bú)直接受到(dào)電磁(cí)流量計(jì)傳(chuán)感器的測量(liàng)電極表面粗糙度影響(xiǎng),同(tóng)時,測量(liàng)管内(nèi)待測流(liú)體(tǐ)産(chǎn)生(shēng)的感(gǎn)應電(diàn)勢可以通(tōng)過液體電(diàn)極傳(chuán)輸(shū)到(dào)固體(tǐ)電極。電磁流量(liàng)計轉換器的信(xìn)号測量(liàng)單元連(lián)接在固體電極(jí),測量(liàng)待測(cè)液體(tǐ)流動所産生的(de)感應電勢(shì)信(xìn)号(hào)。
　　應用(yòng)cfd方法(fǎ)對流(liú)場進(jìn)行數值仿(páng)真來(lái)驗證該方(fāng)法。在同樣的邊(biān)界條件和初始條件(jiàn)下,設(shè)定管(guǎn)道直徑爲60miimn,流體(tǐ)介質(zhì)爲水，平均(jun1)流速(sù)爲5m/s,雷諾數(shù)爲300000,對電(diàn)極(jí)處的管道口徑(jìng)加寬(kuān),電極處(chù)粗(cū)糙度(dù)爲0,流(liú)速分(fèn)布雲圖如圖5所示;電(diàn)極處(chù)的流場雲圖放大如(rú)圖6所(suǒ)示;對電(diàn)極(jí)部分設定(dìng)粗(cū)糙(cāo)度,此(cǐ)時電極處的流(liú)場圖如圖7所示(shì)。

　　對比圖6與(yǔ)圖7可(kě)以看(kàn)出,在平均(jun1)流速(sù)爲5m/s的(de)條件下,加寬電極處(chù)管道口(kǒu)徑後,測量電極附(fù)近的(de)流場基本不受(shòu)電極(jí)表(biǎo)面粗糙(cāo)度的影響(xiǎng),這樣(yàng)可以避免電極的表(biǎo)面粗糙度(dù)對電(diàn)磁流量傳(chuán)感器測量所造成的(de)誤差,從而(ér)證明了該方(fāng)案(àn)的可行性
3結論(lùn)
　　該文(wén)研(yán)究了電(diàn)磁流量傳感器(qì)的電極粗糙度(dù)在對(duì)高(gāo)雷諾數(shù)流體流場的影(yǐng)響,通(tōng)過(guò)仿(páng)真直(zhí)觀的顯(xiǎn)示(shì)出來(lái),并用(yòng)權重函數(shù)理論闡明了這(zhè)個影(yǐng)響會對電(diàn)磁流量傳感器(qì)的測量(liàng)結果造(zào)成很(hěn)大的(de)誤差(chà)。爲了解決(jué)這(zhè)個問題,提出了加(jiā)寬電磁(cí)流量計(jì)電極(jí)附近管道口徑,使其遠大(dà)于電極的粗糙度,電磁流量計(jì)的測量(liàng)電(diàn)極就可以看做爲由一段固體電極(jí)和一段液體(tǐ)電(diàn)極串疊組成,并由液體電極部(bù)分與(yǔ)測(cè)量管内(nèi)待測(cè)液(yè)體相接(jiē)觸。該方(fāng)法(fǎ)可使(shǐ)被測流體(tǐ)的流(liú)場不受(shòu)測(cè)量電極的(de)表面(miàn)粗糙度的影響(xiǎng)。仿真(zhēn)結果表明(míng)，該(gāi)方(fāng)法有較好(hǎo)的可行性(xìng),可以爲用(yòng)于高(gāo)雷諾數流體測(cè)量的電磁(cí)流量傳感器研(yán)發提(tí)供(gòng)--定的理(lǐ)論支撐。

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