摘要:用于(yu)高雷諾數流體(ti)測量的電磁流(liú)量計 ，其傳感器(qi)測量電極的表(biao)面粗糙度将會(hui)對電極附💘近的(de)流✏️場産生影響(xiǎng)。根據電磁流量(liàng)傳感器的權重(zhong)函數理論可知(zhī),電極附近💃流場(chang)的變化将極大(da)的影響電磁流(liu)量計的測量信(xin)号,導🏃‍♀️緻測量結(jie)果産生誤差。該(gai)文提出了一種(zhong)✂️使電磁流🤟量傳(chuán)感器測量電極(ji)的表面粗糙💘度(du)不影響流場的(de)方法,首先應用(yòng)CFD方法分析了測(ce)量電極粗糙度(du)對流㊙️場的影響(xiang),然後用權重函(hán)數理論分析了(le)測量誤差産生(sheng)的原因,提出了(le)對👅電磁流量傳(chuan)感器的結構改(gai)造方案🚩,最後通(tong)過流場仿真驗(yàn)證了改造方案(an)的可⛱️行性。結果(guo)表明,該文提出(chu)的方法可以很(hěn)好的解決測量(liàng)電極🆚表面粗糙(cāo)度造成的測量(liang)誤差問題😄。
0引言(yán)
　　電磁流量傳感(gan)器在測量高流(liú)速流體時,測量(liàng)管道✂️内☎️流體的(de)🔴雷諾數很高,流(liu)體流動呈現爲(wèi)湍流狀态，在湍(tuan)👉流狀态下流場(chang)的邊緣部分即(ji)靠近管壁和電(dian)👨‍❤️‍👨極部分的流體(ti),有一部分不參(cān)與運動,這部分(fen)流體☂️叫做黏性(xing)🎯底層中。黏性底(di)層的厚度與流(liú)🔱體雷諾數有關(guan),雷諾數越大,則(ze)黏性🌐底層的厚(hòu)度🆚越小，當其厚(hou)💋度小于電極的(de)粗糙度時,流體(tǐ)流過電極,受粗(cu)糙度影響,電極(jí)附近的㊙️流場将(jiāng)會改變,并且會(huì)産生旋渦，出現(xian)各個方向的流(liu)速分量,和軸向(xiang)方向相或相反(fan)附加的流📧速分(fen)量傳遞到電極(jí)🐪上将形成流速(sù)噪聲⭐,疊加到測(cè)量的流速中。根(gen)據權重函數理(lǐ)論[2-4]可以知道,測(cè)量電極🔴附近流(liú)場的權重函數(shù)值很大，這部分(fen)流場即使微小(xiǎo)的改變也🔞将對(duì)❗電🔆磁流量傳感(gǎn)器的測量結果(guo)造成很大的誤(wù)差[5]。爲了避免這(zhe)種誤差的産生(sheng),就必須使電極(ji)的粗糙度小于(yú)黏性底層的厚(hou)度,這樣對生産(chan)工藝的要求會(huì)提高,增加生産(chǎn)成本;并且測量(liang)電極持續受到(dao)流體中微小固(gu)體顆粒的🎯撞擊(ji),表面粗❄️糙度不(bu)可避免的會增(zeng)大。文獻[6]對電磁(cí)流量傳感器的(de)電極材料、使用(yòng)範圍及各種電(dian)㊙️極形狀在不同(tong)應用場合的電(diàn)磁🈲流量傳感器(qì)上的選用與安(an)裝做了總結,列(lie)出了測量電極(ji)的常用材料與(yǔ)各種材料.形狀(zhuang)電極的應用特(te)❤️點和應用場合(he)，表明測量電極(jí)的表面粗糙度(du)是客觀存在的(de),然而文獻🍉未提(tí)💁及電極表面粗(cu)糙度對測量的(de)影響。文獻[7]對電(dian)磁流量傳♉感器(qi)測量電極與絕(jué)緣襯裏的粗糙(cao)度對測量的影(yǐng)響做了研究，通(tōng)過在試驗中發(fā)現當雷諾🈲數達(dá)到某--高🍉度,測量(liàng)💯會出現一個上(shang)升的誤差拐點(diǎn)，在此基礎上應(yīng)用測量管的粗(cū)糙度與邊界層(céng)厚度的關系，基(jī)于電礅流量傳(chuán)感器🍓感應電🚩勢(shì)的權重函數理(lǐ)論,解釋了這是(shì)一種流速噪聲(sheng)所引起的現象(xiàng),并由此得出降(jiàng)低此類噪聲，需(xū)要在制造技術(shu)上提高傳感器(qi)💯測❄️量管襯裏和(hé)電極粗糙度的(de)結論,但并🏃沒有(yǒu)給出具體的解(jie)決方案。國内現(xian)有一些研究[8-9]提(ti)出采用多電極(ji)的方法可以提(ti)高電磁流量計(ji)的測量精度,這(zhe)類方法雖然也(ye)可以降低噪聲(shēng),但是由于電極(jí)的增加,是電磁(ci)流量計的結🌈構(gòu)變的更爲複雜(zá)，且會提高電🌈磁(cí)流量計的生産(chǎn)成本。現有相關(guan)文獻并未提及(jí)用改造傳感器(qi)結構的方法來(lai)克服測📞量電極(ji)表面粗糙度造(zào)成的測量誤差(cha)問題。該文提出(chu)了一種方法:通(tong)過改造測量電(dian)🛀極附近的電磁(cí)流量傳感器結(jié)構，使測量管道(dao)内的流場不受(shou)測量電極表面(miàn)粗糙度的影響(xiǎng),從而實現避免(mian)測量📱電極表面(mian)🔱粗糙度引起測(cè)量誤.差的目的(de)。
1電極表面粗糙(cao)度對電磁流量(liang)傳感器測量的(de)影響
　　電極表面(mian)粗糙度對電磁(ci)流量傳感器測(cè)量的造成的💋影(yǐng)響🌐,可以用CFD方法(fǎ)和電磁流量傳(chuán)感器的權重函(han)㊙️數[2]理論解😘釋。
　　在(zai)電磁流量傳感(gǎn)器測量電極爲(wèi)理想光滑材料(liao)的情況💰下,應用(yong)CFD方法對電磁流(liu)量計管道流場(chǎng)進行分析,對于(yú)流動數學模型(xing)的建立,需要有(you)以下條件:
1)流體(tǐ)爲連續不可壓(yā)縮流體,物理特(tè)性爲常數。
2)流體(tǐ)無相變,同時不(bú)考慮場中的空(kōng)化現象。流體的(de)湍🏃🏻‍♂️流流動可以(yǐ)應用RNGk-ε湍流模型(xíng)[0]描述。把RNG方法"用(yòng)于N-S方程,并引入(ru)湍流🌈動能k和耗(hao)散率ε,可以得到(dao)以下模型:


典型(xing)值,通常η0=4.38,其他常(chang)數的取值爲:cu=0.085，β=0.012c由(yóu)于針對高雷諾(nuo)數流體仿真，邊(biān)界條件設定如(rú)下:電磁流量傳(chuán)感器測量🔅管道(dao)直徑爲60mm;測量電(dian)‼️極直徑爲20mm;由于(yu)電磁流量計的(de)安裝位置前後(hou)有直管段❤️長度(du)要求,因此,測量(liàng)管道長度設爲(wei)1000mm;流體介質爲水(shuǐ);測量管道入口(kǒu)的平📧均流速爲(wèi)5m/s;設定流體的運(yùn)動粘度爲1.0×10-6m2/s。根🌈據(jù)管道流體雷諾(nuo)數計算公式[1,13]

其(qi)中，Us是管道内流(liú)體的平均流速(sù);D是管道直徑;μo是(shi)流體的運動黏(nian)度。
　　根據公式(4)可(ke)計算出流體雷(lei)諾數Re=300000,管道内流(liú)體的運動狀态(tai)根💞據雷諾數判(pan)别,據此可知此(ci)時管道内流💯體(ti)運動狀态爲湍(tuān)流運動。應用Comsol對(duì)電磁流量計傳(chuán)感📐器的測量管(guǎn)道内流場進行(hang)CFD數值仿真,流場(chang)雲圖如圖1所示(shì);對🔴電極附近流(liú)場分布雲圖放(fàng)大如圖2所示✌️。
　　由(yóu)圖2可以看出,在(zai)管道流體平均(jun)流速爲5m/s時,靠近(jin)管壁和電極附(fu)近的部分流場(chang)流速極小，這部(bu)分即爲🔴黏性底(di)層。


在管道模型(xing)中，對測量電極(jí)部分設定表面(mian)粗糙度♉,且粗糙(cao)度大于黏性底(di)層厚度,如圖3所(suǒ)示。

　　由圖3可以看(kàn)出,此時黏性底(dǐ)層厚度小于粗(cu)糙度,對比圖2,可(ke)✍️知⭐流👌場受粗糙(cao)度的影響,在電(dian)極附近的分🌈布(bu)有了明顯的✔️不(bú)同。
　　根據電磁流(liú)量傳感器的權(quan)重函數理論可(ke)以分析🛀🏻測量電(diàn)極表面粗糙度(dù)對測量的影響(xiǎng)。SHERCLIFFJA在1962年對電磁流(liu)量傳感器進行(háng)了研究，提出了(le)電磁流量傳感(gan)器的權重函數(shù)理論[2]:在工作磁(ci)場中,電磁流量(liang)傳感器測量管(guǎn)道内的所有🙇🏻流(liú)體微元☎️切割磁(cí)感線都将産生(sheng)感應電動勢,測(cè)量管内的不同(tóng)位置流體微元(yuan)切🧑🏽‍🤝‍🧑🏻割磁感線産(chan)👄生⁉️的感應電動(dòng)勢對測量電極(jí)上拾取到的反(fǎn)映電磁流量傳(chuán)感器測量管💚道(dào)内流速信号💁的(de)貢獻不一樣,權(quan)重🌐函數則可以(yi)表明此貢獻能(neng)力的大小。SHERCLIFF給出(chū)了電磁流量傳(chuán)感器的二維權(quan)重函數表達式(shi):

　　其中，W爲權重函(han)數;R爲管道半徑(jìng);x和y爲包含電極(jí)的管道截面二(èr)🔅維🐕平面坐标。由(you)此可得電磁流(liú)量傳感器二維(wéi)權重函數分布(bu)😄，如圖42]所示。
　　根據(jù)圖4.上權重函數(shu)各點數值可以(yǐ)看出,在圓.心處(chu)W=1,在圓周💰處W減小(xiao)到0.5,而靠近電極(jí)附近W很大,電極(jí)處的權重函數(shu)W的值接近爲∞'c顯(xiǎn)然,權重函數W表(biao)示在工作磁場(chang)在🤟測量管道區(qū)域内,任何🧑🏽‍🤝‍🧑🏻微小(xiǎo)流㊙️體微元切割(ge)🈲磁感線所産生(sheng)的感應電.勢對(duì)兩電極信号的(de)貢獻大小，越靠(kào)近電極處的權(quán)重函數值越大(da)。根據前述分析(xī)，由于測❤️量電極(ji)表面粗糙🔞度使(shi)靠近電極處的(de)流場發生了改(gai)變,而測量電極(jí)附近的權重函(hán)數值又遠大于(yu)管道其他部分(fen)的權重函數值(zhí)，這樣電磁流量(liang)計的測量信号(hào)就會産生很大(dà)的誤差。

2解決(jué)電極粗糙度對(dui)測量影響的方(fang)法
　　綜上所述,電(diàn)磁流量傳感器(qi)在測量高雷諾(nuò)數流體時,測量(liang)電🏃‍♀️極的粗糙度(dù)大于黏性底層(ceng)的厚度,将會❄️對(dui)測量造成很大(dà)的誤差。如果采(cǎi)用對電極的深(shen)加工或者改變(bian)電極的原料如(rú)采用貴金屬等(děng)來減小粗糙度(dù)的方法可以🥰避(bi)免這種❌誤差,但(dan)是🌈這樣會增加(jia)電磁流量計的(de)制造成本,且如(ru)果被測流體含(han)有固體顆粒,固(gu)體顆粒對電極(ji)的撞擊，仍然會(hui)加大電極的粗(cu)糙度。因此😘,提出(chu)了一-種新的方(fāng)法,來避免電極(ji)的粗糙度對流(liú)場的影響。具體(tǐ)思路和方案如(rú)下:
　　對電磁流量(liàng)傳感器的結構(gòu)進行改造,把測(ce)量電極附近💰的(de)🌈管道口徑加寬(kuan),寬度遠大于電(diàn)極的表面粗糙(cāo)度,這樣測量🚶‍♀️電(diàn)極的表面粗糙(cāo)度就可以不影(ying)響☔管道流場,從(cóng)而避免電極表(biao)面粗糙度所引(yin)起的測量誤差(chà)。
　　改造原理具體(tǐ)體現爲:在電磁(cí)流量計傳感器(qì)測量管中的🔴電(dian)👌極改變爲由一(yi)段固體電極和(hé)一段液體電極(jí)🌈串疊組成,并由(yóu)液體電極部分(fen)與測量管内待(dài)測液體相接觸(chu)。液體電🌈極部分(fen)是管内通往對(duì)應固體電極.的(de)充滿導電性流(liu)體的👨‍❤️‍👨管道加寬(kuan)部分組成🏃🏻‍♂️。液體(tǐ)電極的導電性(xing)流體可以是待(dai)測🐉流體灌人管(guǎn)道加寬部分所(suo)形成的液體。這(zhe)樣,待測流體中(zhōng)在測🤞量管内流(liú)動時,其流場不(bú)直接受到電磁(ci)流量計傳感器(qì)的測量電極表(biǎo)面粗糙度影響(xiang),同時,測量管内(nèi)待測流體産生(sheng)的感應電勢可(ke)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻以通過液體電(dian)極傳輸到固體(tǐ)電極。電磁流量(liang)🥰計轉換器的信(xìn)号測量單🙇‍♀️元連(lian)接在固體電極(jí),測量🤟待測液體(tǐ)流動所産生的(de)感應電勢信号(hao)。
　　應用CFD方法對流(liú)場進行數值仿(páng)真來驗證該方(fang)法。在同樣的邊(biān)界條件和初始(shǐ)條件下,設定管(guan)道直徑爲60miimn,流體(ti)👈介質爲水，平均(jun1)流速🈚爲5m/s,雷諾數(shù)爲300000,對電極處的(de)管道口徑加寬(kuān),電極處粗糙度(dù)👅爲0,流速分布雲(yún)圖如圖5所示;電(dian)極處的流場雲(yun)圖放大如圖6所(suǒ)示;對電極👌部分(fen)設定粗糙度,此(ci)時電極處的流(liu)場圖如圖7所示(shì)。

　　對比圖6與圖7可(ke)以看出,在平均(jun1)流速爲5m/s的條件(jian)下,加🧑🏾‍🤝‍🧑🏼寬💞電極處(chu)管道口徑後,測(ce)量電極附近的(de)流場基本不受(shou)電極🐅表面粗糙(cao)🔞度的影響,這樣(yàng)可以避免電極(ji)的表面粗糙度(du)對電磁流量傳(chuan)感器測📞量所造(zào)成的誤差,從而(ér)證明了該方案(an)的可行性
3結論(lun)
　　該文研究了電(dian)磁流量傳感器(qì)的電極粗糙度(du)在對高雷諾數(shù)流體流場的影(yǐng)響,通過仿真直(zhí)觀的顯示出來(lai),并用權重函數(shù)理論闡明了這(zhè)個影響會對電(dian)磁流量傳感器(qì)的測量結果造(zao)成很大☂️的誤差(chà)。爲了解決這個(ge)問題,提出了加(jiā)寬電磁流量計(jì)電極附近管道(dào)口徑,使其遠大(da)于電極的粗糙(cao)度,電磁流量計(ji)的測量電極就(jiù)可以看做爲由(you)一段固體電極(ji)🙇‍♀️和一🍓段液體電(dian)極串疊組成,并(bing)⭐由液體電極部(bù)分與測量管内(nei)待測液體相接(jiē)觸。該方法可使(shǐ)被測流體的流(liu)場不受測量電(diàn)極的表面粗糙(cāo)度的影響。仿真(zhen)結果表明，該方(fang)法有較⚽好的可(kě)行性,可以爲用(yòng)于高雷諾🔴數流(liú)體測量的電磁(cí)流量❓傳感器研(yan)發提供--定的理(li)論支撐。

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