摘要:用于(yu)高雷諾數流(liú)體測量的電(diàn)磁流量計 ，其(qí)傳感器測量(liang)電極的表面(mian)粗糙度将會(huì)對電極附近(jin)的流場産生(shēng)影響。根據電(dian)磁流量傳感(gan)器的權重函(hán)數理論可知(zhi)🥰,電極附近流(liú)場的變化将(jiāng)極大的影響(xiǎng)電磁🌈流量計(ji)的測量信号(hào),導緻測量結(jie)果産生誤差(cha)。該文提出了(le)一種🔆使電磁(ci)流量傳感器(qi)測量電極🔞的(de)表面粗糙度(du)不影響流場(chǎng)的方法,首先(xian)應用CFD方法♉分(fen)析了測量電(diàn)極粗糙度對(duì)流場的影響(xiang),然後用權重(zhòng)函數理論分(fèn)析✨了測量誤(wù)差産生的原(yuan)因,提出了🍓對(dui)🤟電磁流量傳(chuan)感器的結構(gou)改造方案,最(zui)後通過流場(chǎng)仿真驗證了(le)改造方案的(de)可行性。結果(guǒ)表明,該文👈提(ti)出的方法可(ke)以♻️很好的🔴解(jie)決測量電極(ji)⭐表面粗糙度(dù)造成的測量(liàng)誤差問題。
0引(yin)言
　　電磁流量(liang)傳感器在測(cè)量高流速流(liú)體時,測量管(guan)道内🚶流體的(de)雷諾數很高(gao),流體流動呈(cheng)現爲湍流狀(zhuang)态，在湍流狀(zhuàng)态下流場🛀的(de)邊緣部分即(ji)靠近管壁和(hé)電🚶‍♀️極部分的(de)流體,有一部(bu)分不參與運(yun)動,這部分流(liú)體叫做黏性(xing)☔底層中。黏性(xing)底層的厚度(dù)與流體雷諾(nuo)數有關,雷諾(nuò)數越大,則黏(nián)性底層的厚(hou)度越小，當其(qí)厚度小于電(diàn)極的粗糙度(dù)時,流體流過(guo)電極,受粗糙(cāo)度影響,電極(ji)附近的流場(chang)将♍會改變,并(bìng)且會産生旋(xuan)渦，出現各個(gè)方向的流速(sù)分量,和軸向(xiang)方向相或相(xiang)反附加的流(liu)速分量傳遞(dì)到電極🌈上将(jiāng)形成流速🌈噪(zao)聲,疊加到測(ce)量的流速中(zhong)。根據權重函(hán)數理論[2-4]可以(yǐ)知道,測量電(dian)極附近流場(chǎng)的權重函數(shu)值很大，這部(bu)分流場即使(shǐ)微小的改變(biàn)也将對電📐磁(cí)流量傳感器(qi)的測量結果(guǒ)造成很大的(de)誤差[5]。爲了避(bì)免這種誤差(cha)的産生,就必(bi)須使🌈電極的(de)粗糙度小于(yú)黏性底層的(de)厚度,這樣對(dui)生産工藝♌的(de)要求會提高(gāo),增加生産成(chéng)本;并且測量(liang)電極持續受(shou)到流體中微(wei)小固體顆粒(li)的撞擊,表面(miàn)粗糙度不可(ke)避免的會增(zeng)大。文獻[6]對電(dian)磁📱流量傳感(gan)器的電極材(cai)料、使用範圍(wéi)及各種電極(jí)形狀在不同(tong)應用場合的(de)電磁流量傳(chuán)感器上的選(xuan)用與安裝做(zuo)了總結,列出(chū)了測量電極(ji)的常用材料(liao)與各種材料(liao).形狀電極的(de)應用特點和(hé)應用場合，表(biǎo)明測量電極(jí)的表面粗糙(cāo)度是客觀存(cún)在的,然而文(wen)獻🐇未提🐕及電(diàn)極表面粗糙(cao)度對測量的(de)影響。文獻[7]對(dui)電🥰磁流量傳(chuán)感器測量電(diàn)極與絕緣襯(chèn)裏的粗糙度(dù)對💔測量的影(yǐng)📧響做了研究(jiu)，通過在試驗(yàn)中發現當雷(lei)諾數達到某(mou)--高度,測量會(hui)出現一個上(shàng)升的誤差拐(guǎi)點，在此基礎(chǔ)上應👌用測量(liàng)管的粗糙度(dù)與邊界層厚(hòu)度的關系，基(ji)于電礅🌈流量(liang)傳感器感應(yīng)電💚勢🚩的權重(zhong)函數理論,解(jiě)釋了這是一(yi)種流速噪聲(shēng)所引起的現(xiàn)象,并由此得(de)出降低此類(lèi)噪聲，需要在(zai)制造技術上(shàng)提高傳感器(qì)測量管襯裏(lǐ)和🥵電極粗糙(cāo)度的結論,但(dan)并沒有給出(chu)具體的解決(jue)方案。國内現(xiàn)有一些研究(jiu)[8-9]提出采用多(duo)電極的✨方法(fǎ)可以提高電(diàn)磁👉流量計的(de)測量精度,這(zhè)類方法雖然(ran)也可以降🆚低(di)噪聲,但是由(you)于🍉電極的增(zēng)💞加,是電磁流(liú)量計的結構(gou)變的更爲複(fú)雜，且會提高(gao)電🈲磁流量計(ji)的生産成本(běn)。現有🐕相關文(wén)獻☎️并未提及(jí)用改造傳感(gan)器結構的方(fāng)法來克服測(cè)量電極表面(mian)粗糙度造✏️成(chéng)的測量誤差(cha)問題。該文提(tí)出了一種方(fāng)法:通過改造(zào)測量電🌈極附(fu)近的電磁❓流(liu)量傳感器結(jié)構，使測量管(guǎn)道内的流場(chang)🌏不受測量電(diàn)極表面粗糙(cao)度的影響🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,從(cong)而實現避免(mian)測量⛹🏻‍♀️電極表(biao)面🥰粗糙度引(yǐn)起測量誤.差(cha)的目的。
1電極(jí)表面粗糙度(dù)對電磁流量(liang)傳感器測量(liang)的影響
　　電極(ji)表面粗糙度(du)對電磁流量(liang)傳感器測量(liàng)的造成的影(ying)響,可以用CFD方(fāng)法和電磁流(liu)量傳感器的(de)權重函☀️數[2]理(lǐ)♊論解釋。
　　在電(dian)磁流量傳感(gǎn)器測量電極(jí)爲理想光滑(huá)材料的❄️情🏃🏻‍♂️況(kuang)👌下🔅,應用🏃CFD方法(fa)對電磁流量(liàng)計管道流場(chang)進行分析,對(duì)于流🏃🏻‍♂️動數學(xué)模型的建立(li),需要有以下(xia)條件:
1)流體爲(wei)連續不可壓(yā)縮流體,物理(li)特性爲常數(shu)。
2)流體無相變(bian),同時不考慮(lǜ)場中的空化(huà)現象。流體的(de)湍流流動可(ke)以應用RNGk-ε湍流(liu)模型[0]描述。把(bǎ)RNG方法"用于N-S方(fang)程,并❤️引入湍(tuan)流動能k和耗(hào)散率ε,可以得(dé)到以下模型(xíng):


典型值,通常(cháng)η0=4.38,其他常數的(de)取值爲:cu=0.085，β=0.012c由于(yu)針對高雷諾(nuo)數流⭐體仿㊙️真(zhēn)，邊界條件設(shè)定如下:電磁(cí)流量傳感器(qi)測量管道直(zhí)徑爲60mm;測量電(diàn)極直徑爲20mm;由(yóu)于電磁流量(liàng)計的安裝位(wèi)置♋前後有🈚直(zhi)管段長度要(yào)求,因此,測量(liàng)管道長度♌設(she)爲1000mm;流體介質(zhì)爲水;測量管(guan)道入口的平(píng)均流速爲5m/s;設(shè)🔞定流體的運(yun)💞動粘度爲1.0×10-6m2/s。根(gēn)據管道流體(tǐ)雷諾數計算(suàn)公式[1,13]

其中，Us是(shi)管道内流體(tǐ)的平均流速(sù);D是管道直徑(jing);μo是流體的運(yùn)動黏度。
　　根據(jù)公式(4)可計算(suan)出流體雷諾(nuò)數Re=300000,管道内流(liu)體的運動狀(zhuang)态根據雷諾(nuo)數判别,據此(ci)可知此時管(guǎn)道内流✏️體運(yùn)💋動狀态爲🐇湍(tuan)流運動。應用(yong)Comsol對電磁流量(liàng)計傳感器的(de)測量管道内(nèi)流場進行CFD數(shu)值仿真,流場(chang)雲圖如圖1所(suo)示;對電極附(fu)近流場分布(bù)雲圖放大♊如(ru)圖2所示。
　　由圖(tú)2可以看出,在(zai)管道流體平(ping)均流速爲5m/s時(shí),靠近管🔴壁和(he)電極👅附近的(de)部分流場流(liú)速極小，這部(bu)分即爲黏性(xìng)底層。


在管道(dào)模型中，對測(ce)量電極部分(fen)設定表面粗(cū)糙度,且粗糙(cao)度大于黏性(xìng)底層厚度,如(ru)圖3所示。

　　由圖(tu)3可以看出,此(ci)時黏性底層(ceng)厚度小于粗(cu)糙度,對🌈比圖(tú)2,可知流場受(shòu)粗糙度的影(ying)響,在電極附(fù)近的分布有(you)😄了明顯的不(bu)同。
　　根據電磁(cí)流量傳感器(qì)的權重函數(shù)理論可以分(fèn)析測量電極(ji)表面粗糙度(du)對測量的影(ying)響。SHERCLIFFJA在1962年對電(dian)磁✂️流量✌️傳感(gan)器進💘行了研(yán)究，提出了電(diàn)磁流量傳感(gan)器♌的權重🌍函(hán)數理論[2]:在工(gōng)作磁場中,電(diàn)磁流量傳感(gan)器測量管道(dào)内的所有🌐流(liú)體微元切割(ge)磁感線都将(jiāng)産生感應電(dian)動勢,測量管(guǎn)内的不同位(wei)置流體微元(yuán)切割磁感線(xian)産生的感應(ying)電動勢對測(ce)量電極上拾(shi)取到的反映(yìng)電磁流💃🏻量傳(chuán)感器測量管(guǎn)🏃‍♂️道内流速信(xìn)号🈚的貢獻不(bú)一樣,權重👅函(hán)數則可以表(biao)明此貢獻能(neng)力的大小。SHERCLIFF給(gěi)出了電磁流(liu)量傳感📞器的(de)二維權重函(han)數🌐表達式:

　　其(qí)中，W爲權重函(hán)數;R爲管道半(ban)徑;x和y爲包含(hán)電極的管道(dào)截面二維平(píng)面坐标。由此(cǐ)可得電磁流(liú)量傳感器二(er)維權重函數(shu)分布，如圖42]所(suo)示。
　　根據圖4.上(shàng)權重函數各(gè)點數值可以(yi)看出,在圓.心(xīn)處W=1,在圓周處(chu)💞W減小到0.5,而靠(kào)近電極附近(jìn)W很大,電極處(chu)的😄權重📐函數(shu)W的值接近爲(wèi)∞'c顯然,權重函(hán)數W表示在工(gong)作磁場在測(cè)量管道區域(yu)内,任何微小(xiao)流體微元切(qiē)割😍磁感線所(suo)産生的感應(ying)電.勢對兩電(dian)極信号的貢(gòng)獻大小，越靠(kao)近電極處的(de)權🚩重函數值(zhi)越大。根據前(qian)述㊙️分析，由于(yú)測量電極表(biǎo)面粗糙度使(shǐ)靠近電極處(chu)的流場發生(sheng)了改變🆚,而測(ce)量電極附近(jin)的權重函數(shù)值又遠大于(yu)管道其他部(bu)分的權重函(hán)數值，這樣電(dian)磁流量計的(de)測量信号就(jiù)會産生很大(dà)的誤差。

2解決電(dian)極粗糙度對(duì)測量影響的(de)方法
　　綜上所(suǒ)述,電磁流量(liàng)傳感器在測(cè)量高雷諾數(shu)流體👅時,測量(liang)電極的粗糙(cāo)度大于黏性(xìng)底層的厚度(du),将會對測量(liàng)造🍓成很⭐大的(de)誤差。如果采(cǎi)用對電極的(de)深加工或者(zhě)改變電極的(de)原料如采用(yòng)貴金屬等來(lái)減小粗糙度(du)的❗方法可以(yǐ)避免這種誤(wù)差,但是這樣(yàng)會增加電磁(cí)流量計的制(zhì)造成🌂本,且如(ru)果被測流體(tǐ)含有🛀🏻固體顆(kē)粒,固體顆粒(li)對電極的撞(zhuàng)擊，仍然會加(jia)大電極的粗(cū)糙度。因此,提(ti)出了一-種新(xin)的方法,來避(bì)免電極的粗(cu)糙度對流場(chang)的影響。具體(ti)思路和方案(an)如下:
　　對電磁(cí)流量傳感器(qi)的結構進行(háng)改造,把測量(liàng)電極附近的(de)管道口徑加(jiā)寬,寬度遠大(dà)于電極的表(biao)面粗糙度,這(zhe)樣🛀測量電極(ji)的表面粗糙(cāo)度就可以不(bú)影響💰管道流(liu)場,從而避免(mian)電極表面粗(cū)糙度所引起(qi)的測量誤差(chà)。
　　改造原理具(ju)體體現爲:在(zài)電磁流量計(jì)傳感器測量(liàng)管中的電❓極(ji)⛹🏻‍♀️改變爲由一(yī)段固體電極(jí)和一段液體(ti)電極串疊組(zu)成,并由液體(ti)電極部分與(yu)測量管内待(dai)測液體相接(jie)觸。液體電極(jí)部分是管内(nèi)通往對應固(gù)體電極.的充(chōng)滿導電性流(liu)體的管道加(jiā)寬部分組成(chéng)👌。液體電極的(de)導電性流體(tǐ)可以是待測(cè)流體灌人管(guan)道加寬部分(fen)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻所形成的液(ye)體。這💋樣,待測(cè)流體中在測(cè)量管内流✂️動(dong)時,其流場不(bú)直接受到電(dian)磁流量計傳(chuán)感器的測量(liang)電極表📱面粗(cu)糙度影響,同(tong)時,測量管内(nei)待測流體産(chǎn)生的感應電(dian)勢可以通過(guò)液體電極傳(chuan)輸到固體電(diàn)極。電磁流量(liàng)計轉換器的(de)信号測量單(dan)🏒元連接在固(gu)😘體電極,測量(liang)待測液體流(liú)動所産生的(de)感應電勢信(xin)号。
　　應用CFD方法(fǎ)對流場進行(háng)數值仿真來(lái)驗證該方法(fa)。在同樣的邊(bian)界條件和初(chu)始條件下,設(shè)定管道直徑(jing)爲60miimn,流體介質(zhi)☎️爲水，平均流(liu)速爲5m/s,雷諾數(shu)爲300000,對電極處(chù)的管道口徑(jìng)加寬,電極處(chù)粗糙度🌐爲0,流(liu)速分布雲圖(tú)如㊙️圖5所示;電(diàn)極處的流場(chǎng)雲圖放大如(rú)圖6所示;對電(dian)極🔞部分設定(ding)粗糙度,此時(shi)電極處的流(liu)場圖如圖7所(suo)示👄。

　　對比圖6與(yǔ)圖7可以看出(chū),在平均流速(sù)爲5m/s的條件下(xia),加寬電極💁處(chu)🚶管道口徑後(hòu),測量電極附(fù)近的流場基(jī)本不受電極(ji)表面粗糙度(dù)的影響,這樣(yang)可以避免電(diàn)極☀️的表面粗(cu)糙度💃🏻對電磁(cí)流量傳🌈感器(qì)測量所造成(cheng)的誤差,從而(ér)👣證明了該🔅方(fang)案的可行性(xing)
3結論
　　該文研(yan)究了電磁流(liú)量傳感器的(de)電極粗糙度(dù)在對高📧雷諾(nuo)數⭕流體流場(chǎng)的影響,通過(guò)仿真直觀的(de)顯示出來,并(bing)用權重函數(shù)理論闡明了(le)這個影響會(huì)對電磁流量(liang)👉傳感器🏃🏻‍♂️的測(cè)量🔞結果造👄成(cheng)很大的誤差(chà)。爲了解決這(zhè)個問題,提出(chu)㊙️了加寬電🏒磁(ci)流量計電極(jí)附近管道口(kou)徑,使其遠大(dà)于電極的粗(cū)糙度,電磁流(liú)量計🚩的測量(liang)電極就可以(yi)看做爲由一(yi)段固體電極(ji)和一🍉段液體(tǐ)電極串疊🧑🏽‍🤝‍🧑🏻組(zu)成,并🌈由液體(ti)電極部分與(yu)測量💛管内待(dài)測液體相接(jiē)🚩觸。該方法可(ke)使被測流體(tǐ)的流場不受(shou)測量電極的(de)表面粗糙度(du)的影響。仿真(zhēn)❓結果表明，該(gai)方法有較好(hǎo)的可行性,可(ke)以爲用于高(gao)雷諾💔數流體(ti)測量的電磁(ci)流量傳感器(qi)研發提供--定(dìng)的理論支撐(chēng)。

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