摘(zhāi)要:用于(yú)高雷諾(nuò)數流體(ti)測量的(de)電磁流(liu)量計 ，其(qí)傳感器(qì)測量電(diàn)極的表(biao)面粗糙(cao)度将會(hui)對電極(jí)附近的(de)流場♉産(chan)生影響(xiang)。根據電(diàn)磁流量(liang)傳感器(qì)的權重(zhòng)函數理(lǐ)論可知(zhi),電極附(fù)近🔱流場(chǎng)的變化(hua)将極大(da)的影響(xiang)電磁流(liú)量計的(de)測量信(xin)号,導緻(zhì)測量結(jie)果産生(sheng)誤🏃差。該(gai)文提出(chu)了一種(zhǒng)♍使電磁(cí)流量傳(chuán)感器測(ce)量電極(ji)的表面(mian)粗糙度(du)不影響(xiǎng)流場的(de)方法,首(shou)先應用(yòng)CFD方法☂️分(fèn)析了測(cè)量🔞電極(ji)粗糙度(dù)對流場(chang)的影響(xiang),然後🔞用(yong)權重函(han)數理論(lun)分析了(le)測量誤(wù)差産生(shēng)☂️的原因(yin),提出了(le)對電磁(cí)流量傳(chuan)感器的(de)結構改(gǎi)造方案(àn),最🏒後通(tōng)過流場(chǎng)仿真驗(yan)👨‍❤️‍👨證了改(gǎi)造方案(an)的可🌈行(hang)性。結果(guǒ)表明,該(gai)文提出(chū)的方法(fa)可以很(hen)好的解(jiě)決測量(liàng)電極表(biǎo)面粗糙(cao)度造成(chéng)的測量(liàng)誤差問(wen)題🛀🏻。
0引言(yán)
　　電磁流(liú)量傳感(gan)器在測(ce)量高流(liú)速流體(tǐ)時,測量(liang)管道内(nei)流🌈體的(de)雷諾數(shu)很高,流(liú)體流動(dòng)呈現爲(wei)湍流狀(zhuàng)态，在湍(tuān)流狀态(tai)下🌏流場(chang)的邊緣(yuán)部分即(ji)靠近管(guan)壁和電(diàn)極部分(fèn)🤩的流體(tǐ),有一部(bu)分不參(can)與運動(dong),這部分(fèn)流體叫(jiao)做黏性(xing)底層中(zhōng)。黏性底(di)層的厚(hòu)度與流(liú)體雷諾(nuò)數有關(guan),雷諾數(shu)越大,則(zé)黏性底(di)層的厚(hòu)度越小(xiǎo)，當其厚(hòu)度小于(yu)電極的(de)粗糙度(du)時,流體(tǐ)流過電(diàn)極,受粗(cu)糙度影(yǐng)響,電極(jí)附近的(de)💘流場将(jiang)會改變(bian),并且會(hui)産生旋(xuán)渦🧡，出現(xiàn)各個方(fāng)向的流(liú)速分量(liàng),和軸向(xiang)方向相(xiang)或相反(fǎn)附加的(de)流速分(fèn)量傳遞(di)到電極(jí)上将形(xíng)成流速(sù)🌈噪聲,疊(die)加到測(cè)量的流(liu)💘速中。根(gēn)㊙️據權重(zhòng)函數理(lǐ)🏃🏻論[2-4]可以(yǐ)知道,測(cè)量電極(ji)附近流(liú)場的權(quan)重函數(shu)值很大(da)，這部分(fen)流場♋即(ji)使微小(xiǎo)的改變(bian)也将對(duì)電磁流(liú)量傳感(gǎn)器的測(cè)量結果(guo)造成很(hěn)大的誤(wu)差[5]。爲了(le)避免這(zhe)種誤差(cha)的産生(sheng),就必須(xu)使🔴電極(jí)的粗糙(cāo)度小于(yu)黏性底(di)層的🐕厚(hòu)度,這樣(yang)對生産(chǎn)工藝的(de)要求會(huì)㊙️提高,增(zēng)加生産(chan)成本;并(bìng)且測量(liàng)電極持(chi)續受到(dào)流體中(zhōng)微小固(gù)體顆粒(li)的撞擊(ji),表面粗(cū)糙度不(bú)可避免(mian)的會增(zeng)大。文獻(xiàn)[6]對電磁(ci)流量傳(chuán)感器的(de)電極材(cai)料、使用(yong)範圍及(ji)各種電(diàn)極形狀(zhuang)在不同(tong)應用場(chǎng)合的電(diàn)磁🍉流量(liang)傳感器(qì)上的選(xuǎn)用與安(ān)裝做了(le)總結,列(lie)☁️出了測(cè)量電極(jí)的常用(yòng)材料與(yǔ)☔各種材(cái)料.形🛀🏻狀(zhuàng)電極的(de)應用特(te)點和應(ying)用場合(hé)，表明測(cè)量電極(jí)的表面(mian)粗糙度(dù)是客觀(guān)存在的(de),然而文(wén)獻未提(tí)🤩及電極(jí)表面粗(cu)糙度對(dui)測量的(de)影響。文(wén)獻[7]對電(dian)磁流量(liàng)傳☀️感器(qì)測量電(dian)極與絕(jue)緣襯裏(li)的粗糙(cao)度對測(ce)量的影(ying)響做了(le)研究，通(tong)過在試(shi)驗中發(fa)現當雷(léi)諾數達(da)到某--高(gao)🈲度,測量(liàng)會出現(xiàn)一個上(shang)升的誤(wù)差拐點(diǎn)✨，在此基(jī)礎上應(ying)用測量(liang)管的粗(cu)🌍糙度與(yu)邊界層(ceng)厚度的(de)關系，基(ji)于電礅(dun)流量傳(chuán)感器感(gan)應電勢(shì)的權重(zhòng)函數理(li)論,解釋(shi)了這是(shì)一種流(liú)速噪聲(shēng)所引起(qǐ)的現象(xiang)♍,并由此(cǐ)得出降(jiang)低此類(lei)噪聲，需(xu)要在制(zhi)造技術(shu)上提高(gāo)傳感器(qi)測量管(guan)襯裏和(he)電極粗(cū)糙度的(de)結論,但(dàn)并沒有(you)給出具(jù)體的解(jie)決方案(an)。國内現(xiàn)有一些(xiē)研究[8-9]提(ti)出采用(yòng)多電極(ji)的方法(fa)可以提(tí)高電磁(cí)流量計(ji)的測💋量(liang)精🔞度,這(zhè)類方法(fǎ)雖然也(ye)可以降(jiang)低噪聲(shēng),但是由(yóu)于電極(ji)的增🔴加(jia),是電磁(cí)流量計(ji)的結構(gou)變的更(geng)爲複雜(zá)，且會提(ti)高電磁(cí)流量計(ji)的生産(chan)成本。現(xiàn)有相關(guan)文獻并(bìng)未提及(ji)用改造(zào)傳感器(qì)⭐結構的(de)方法來(lái)克服測(cè)量電極(jí)表面粗(cū)糙度造(zao)成的測(cè)量誤差(cha)問題。該(gāi)文提出(chu)了一種(zhong)方法:通(tong)過改造(zào)測量電(dian)極附近(jin)的電磁(cí)流量傳(chuan)感器結(jié)構，使測(cè)量管道(dao)内的流(liu)場不受(shòu)測量電(diàn)極表面(mian)粗糙度(du)💔的影響(xiang),從而實(shí)現避免(mian)測量電(dian)極表面(miàn)🈲粗糙度(du)引起測(ce)量誤.差(chà)的🌈目☎️的(de)。
1電極表(biǎo)面粗糙(cāo)度對電(dian)磁流量(liang)傳感器(qi)測量的(de)影響
　　電(dian)極表面(mian)粗糙度(dù)對電磁(cí)流量傳(chuan)感器測(ce)量的造(zào)成的🤞影(ying)響,可以(yǐ)用CFD方法(fǎ)和電磁(ci)流量傳(chuán)感器的(de)權重函(han)數[2]理論(lùn)解釋。
　　在(zài)電磁流(liú)量傳感(gǎn)器測量(liàng)電極爲(wei)理想光(guang)滑材料(liao)的情況(kuàng)下,應用(yong)💚CFD方法對(dui)電磁流(liú)量計管(guǎn)道流場(chǎng)進行分(fen)析,對于(yu)流動數(shù)學模型(xing)的建立(lì),需要有(you)以下條(tiao)件:
1)流體(tǐ)爲連續(xu)不可壓(yā)縮流體(ti),物理特(te)性爲常(cháng)數。
2)流體(ti)無相變(bian),同時不(bu)考慮場(chang)中的空(kong)化現象(xiàng)。流體的(de)湍流流(liú)動可以(yǐ)應用RNGk-ε湍(tuān)流模型(xing)[0]描述。把(bǎ)RNG方法"用(yòng)于N-S方程(cheng),并引入(rù)湍流👉動(dong)能k和耗(hao)🈲散率ε,可(kě)以得到(dao)以下模(mo)型:


典型(xíng)值,通常(chang)η0=4.38,其他常(cháng)數的取(qǔ)值爲:cu=0.085，β=0.012c由(you)于針對(dui)高雷諾(nuo)數流體(ti)仿真，邊(bian)界條件(jian)設定如(ru)下:電磁(cí)流量傳(chuan)感器測(ce)量管道(dào)直徑爲(wei)60mm;測量電(dian)極直徑(jìng)爲20mm;由于(yú)電磁流(liu)量計的(de)安裝位(wei)置前後(hou)有直管(guǎn)段長度(dù)要求,因(yin)此,測量(liàng)管道長(zhang)度設爲(wei)1000mm;流體介(jiè)質爲水(shui);測量管(guan)道入口(kǒu)的平🙇🏻均(jun1)流速爲(wei)5m/s;設定流(liú)體的運(yùn)動粘度(du)爲1.0×10-6m2/s。根據(jù)管道流(liú)體雷諾(nuò)數計算(suan)公♈式[1,13]

其(qi)中，Us是管(guan)道内流(liú)體的平(ping)均流速(sù);D是管道(dào)直徑;μo是(shi)流體的(de)🌈運動黏(nian)度。
　　根據(jù)公式(4)可(kě)計算出(chu)流體雷(lei)諾數Re=300000,管(guan)道内流(liu)體的運(yùn)動狀态(tài)根🏃🏻據雷(lei)諾數判(pàn)别,據此(ci)可知此(ci)時管道(dào)内流體(tǐ)運💜動狀(zhuang)态爲湍(tuan)流運動(dong)。應用Comsol對(dui)電磁流(liu)量計傳(chuan)感器的(de)測量管(guan)道内流(liu)場進行(háng)CFD數值仿(pang)真❌,流場(chang)雲圖如(rú)圖1所示(shi);對電極(jí)附近流(liu)場分布(bù)雲圖放(fang)大如圖(tú)2所示。
　　由(yóu)圖2可以(yǐ)看出,在(zai)管道流(liú)體平均(jun1)流速爲(wèi)5m/s時,靠近(jìn)管壁和(hé)電極附(fu)✨近的部(bù)分流場(chang)流速極(ji)小，這部(bù)分即爲(wèi)🥵黏性底(di)層。


在管(guǎn)道模型(xíng)中，對測(ce)量電極(ji)部分設(shè)定表面(miàn)粗糙度(du),且粗糙(cao)❌度大于(yu)黏性底(di)層厚度(dù),如圖3所(suǒ)示。

　　由圖(tu)3可以看(kan)出,此時(shí)黏性底(dǐ)層厚度(dù)小于粗(cu)糙度,對(dui)比圖2,可(kě)知流場(chang)受粗糙(cao)度的影(yǐng)響,在電(dian)極附近(jin)的分布(bù)有了明(ming)顯的㊙️不(bu)同💛。
　　根據(jù)電磁流(liú)量傳感(gǎn)器的權(quán)重函數(shù)理論可(ke)以分析(xī)測量電(diàn)極表面(mian)粗糙度(dù)對測量(liang)的影響(xiǎng)。SHERCLIFFJA在1962年對(dui)電磁流(liú)量傳感(gan)器進行(hang)了☂️研究(jiu)，提出了(le)電磁流(liu)量傳感(gǎn)器的權(quán)重函數(shu)理論[2]:在(zài)工作磁(ci)場💛中,電(diàn)磁💞流量(liang)傳感器(qì)測量管(guǎn)道内的(de)所有流(liu)體微元(yuan)切割磁(ci)感🧡線都(dou)将産🔆生(sheng)感應電(diàn)動勢,測(ce)量管内(nèi)的不同(tóng)位置流(liu)體微元(yuan)切割磁(cí)感線産(chǎn)生的感(gǎn)應電動(dòng)勢對測(ce)量電極(jí)上拾取(qu)🐪到的反(fǎn)映🐅電磁(ci)流量傳(chuán)感器測(cè)量管道(dao)内流速(su)信号的(de)貢獻不(bu)一樣,權(quan)重函數(shu)則可以(yi)表明此(cǐ)貢獻能(neng)力📐的大(da)小。SHERCLIFF給出(chu)了電磁(ci)流量傳(chuán)感器的(de)二維權(quan)重函數(shù)😄表達式(shi):

　　其中，W爲(wei)權重函(hán)數;R爲管(guan)道半徑(jing);x和y爲包(bāo)含電極(ji)的管道(dào)截面二(èr)維平面(miàn)坐标。由(yóu)此可得(dé)電磁流(liu)量傳感(gǎn)器二維(wei)權重函(hán)數分布(bu)，如圖42]所(suǒ)示。
　　根據(ju)圖4.上權(quán)重函數(shù)各點數(shù)值可以(yi)看出,在(zai)圓.心處(chù)🐉W=1,在圓周(zhōu)處W減小(xiao)到0.5,而靠(kao)近電極(jí)附近W很(hěn)大,電極(ji)處的權(quan)重♌函數(shù)W的值接(jie)近爲∞'c顯(xian)然,權重(zhòng)函數W表(biǎo)示在工(gong)作磁場(chang)在測量(liang)管♉道區(qu)域内,任(rèn)何微小(xiao)流體微(wei)元切割(ge)❗磁感線(xiàn)所🏃産生(shēng)的感應(yīng)電.勢對(dui)🔴兩電極(ji)信号的(de)貢獻大(da)小，越靠(kào)近電極(ji)處的權(quán)重函數(shù)值越大(da)。根據前(qian)述🔴分析(xī)，由于測(cè)量電極(ji)表面粗(cu)糙度使(shǐ)靠近電(dian)極處的(de)流場發(fa)生了改(gǎi)變🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,而測(ce)量電極(ji)附近的(de)權重函(hán)數值👅又(yòu)遠大于(yú)管道其(qí)他部分(fèn)的權重(zhòng)函數值(zhi)✍️，這樣電(diàn)磁流量(liàng)計的測(cè)量信号(hao)就會産(chǎn)生很大(dà)的誤差(cha)。

2解決(jué)電極粗(cū)糙度對(dui)測量影(ying)響的方(fang)法
　　綜上(shang)所述,電(dian)磁流量(liang)傳感器(qì)在測量(liàng)高雷諾(nuò)數流體(tǐ)時,測量(liàng)電極的(de)粗糙度(dù)大于黏(nian)性底層(ceng)的厚度(du),将會對(dui)測量造(zao)成很❌大(dà)的誤差(cha)。如果采(cǎi)用對電(dian)極的深(shen)加工或(huo)者💚改變(biàn)電極的(de)原🔞料如(ru)采用貴(guì)金屬等(děng)來減小(xiǎo)粗糙度(du)的🍓方法(fa)可以避(bi)免這種(zhong)誤差,但(dan)是這樣(yàng)會增💁加(jiā)電磁流(liu)量計的(de)制造成(chéng)本,且如(ru)果被測(ce)流體含(han)有👉固體(tǐ)顆粒,固(gù)體💋顆粒(lì)對電極(jí)的撞擊(ji)，仍然會(huì)加📱大電(dian)極的粗(cu)糙😍度。因(yīn)此,提出(chū)了一-種(zhong)新的方(fang)法,來避(bi)免電極(ji)的粗糙(cao)度對流(liu)場🈲的影(yǐng)響。具體(tǐ)思路和(hé)方案如(rú)下:
　　對電(dian)磁流量(liàng)傳感器(qi)的結構(gòu)進行改(gǎi)造,把測(cè)量電極(ji)附近的(de)管道🏃‍♂️口(kǒu)徑加寬(kuān),寬度遠(yuǎn)大于電(dian)極的表(biao)面粗糙(cao)度,這樣(yang)測量🥰電(diàn)極的表(biǎo)面粗糙(cao)度就可(ke)以不影(yǐng)響管道(dào)流場,從(cóng)而避免(mian)電極表(biǎo)面♊粗糙(cāo)度所引(yin)起的測(ce)量誤差(cha)。
　　改造原(yuán)理具體(ti)體現爲(wei):在電磁(ci)流量計(ji)傳感器(qì)測量管(guan)中的✂️電(diàn)極♍改變(biàn)爲由一(yi)段固體(ti)電極和(he)一段液(yè)體📱電極(ji)串疊🏃‍♂️組(zǔ)成,并由(yóu)液體電(dian)極部分(fèn)與測量(liàng)管内待(dai)測液體(ti)相接觸(chù)。液體電(diàn)極部分(fèn)❓是管内(nèi)通往對(duì)應固體(tǐ)電極.的(de)💋充滿導(dǎo)電性流(liú)體的🙇🏻管(guǎn)道加寬(kuān)部分組(zu)成。液體(tǐ)電極的(de)導電性(xing)流體可(ke)以是待(dai)測流體(tǐ)灌人管(guan)道加寬(kuān)部分所(suo)形成的(de)液體。這(zhe)樣,待測(cè)流體中(zhōng)在測量(liang)管内流(liú)動時,其(qi)流場不(bú)直接受(shou)到電磁(cí)流量計(jì)傳感器(qi)的測量(liang)電極表(biao)面粗糙(cao)度影響(xiǎng),同時,測(ce)量管内(nei)🤟待測流(liú)體産生(shēng)的感應(yīng)電勢可(ke)以通過(guò)液體電(dian)極傳輸(shū)到固體(ti)電極。電(diàn)磁流量(liang)計轉換(huan)器的信(xin)号測量(liàng)單元連(lián)接在固(gu)體電極(ji),測量❤️待(dai)測液體(ti)流動所(suo)産生的(de)感應電(diàn)勢信号(hao)。
　　應用CFD方(fang)法對流(liú)場進行(hang)數值仿(pang)真來驗(yan)證該方(fang)法。在同(tóng)樣的邊(bian)界條件(jian)和初始(shǐ)條件下(xia),設定管(guan)道直徑(jìng)爲60miimn,流體(tǐ)介質🧑🏾‍🤝‍🧑🏼爲(wèi)水，平均(jun)💋流速爲(wèi)5m/s,雷諾數(shu)爲300000,對電(diàn)極處的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼管道口(kou)徑加寬(kuān),電極處(chù)粗糙度(dù)爲0,流速(su)分布雲(yun)圖如圖(tu)5所示;電(dian)極處的(de)流場雲(yun)圖放大(da)如圖6所(suo)示;對電(dian)極部分(fen)設定粗(cū)糙度,此(cǐ)時電極(jí)處的流(liu)場圖如(rú)圖7所示(shi)。

　　對比圖(tú)6與圖7可(kě)以看出(chu),在平均(jun)流速爲(wèi)5m/s的條件(jiàn)下,加寬(kuan)電極處(chu)管道口(kou)徑後,測(cè)量電極(jí)附近的(de)流場基(jī)本不受(shou)電極表(biǎo)面粗糙(cao)度的影(ying)響,這樣(yang)可以避(bi)免電極(jí)🔅的表面(miàn)粗糙度(dù)對電磁(ci)流量傳(chuán)感器測(ce)❌量所造(zao)成的誤(wù)差,從而(er)證明了(le)該方案(an)的可行(hang)性
3結論(lun)
　　該文研(yan)究了電(dian)磁流量(liang)傳感器(qì)的電極(ji)粗糙度(du)在對高(gāo)🐇雷諾數(shu)流體流(liú)場的影(yǐng)響,通過(guo)仿真直(zhi)觀的顯(xiǎn)示🐉出來(lái),并用權(quán)重函數(shù)理論📧闡(chan)明了這(zhe)個影響(xiang)會對電(dian)磁流量(liang)傳感器(qì)的測量(liàng)結果造(zào)成很大(da)的誤差(cha)。爲了🌐解(jie)決這個(gè)問題,提(tí)出了加(jiā)寬電磁(cí)流量計(jì)電極附(fu)近管道(dào)口徑,使(shi)其遠大(dà)于電極(ji)的粗糙(cao)度,電磁(ci)流量計(jì)的測量(liàng)電極就(jiù)可以看(kàn)做爲由(you)🔆一段固(gu)體電極(jí)🔆和一段(duan)液體電(dian)極串疊(die)組成,并(bing)由液體(tǐ)電極部(bu)分與測(ce)量管内(nèi)待測液(yè)體相接(jie)🏃‍♂️觸。該方(fāng)法可使(shi)被測🤞流(liú)體的流(liú)場不受(shou)測量電(dian)極的表(biao)面粗糙(cao)度的影(yǐng)響。仿真(zhen)結果表(biǎo)明，該方(fāng)法有較(jiào)好的可(kě)行性,可(ke)以爲用(yòng)于高雷(lei)諾數流(liu)體測量(liang)的電磁(cí)流量☔傳(chuan)😘感器研(yán)發提供(gòng)--定的理(li)🌂論支撐(cheng)。

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