摘要:用于(yú)高雷諾數流體(tǐ)測量的電磁流(liú)量計 ，其傳感器(qi)測量電極的表(biǎo)面粗糙度将會(huì)對電極附近的(de)流場産生影響(xiang)。根據電磁流量(liang)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(dà)的影❌響電磁📞流(liú)量計的測量信(xin)号,導緻測量結(jie)果産生誤💘差。該(gāi)文提出了一種(zhong)使電磁流量傳(chuan)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(yong)CFD方法分析了測(ce)量💜電極粗糙度(du)對流場的影響(xiǎng),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(gǎi)造方案🏃🏻,最後通(tōng)過流場仿真驗(yan)證了改造方案(àn)的可行性。結果(guǒ)表明☔,該文提出(chū)的方法可以很(hěn)好的解決測量(liàng)電極表面粗糙(cāo)度造成的測量(liàng)誤差問題。
0引言(yán)
　　電磁流量傳感(gǎn)器在測量高流(liu)速流體時,測量(liang)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(jí)靠近管壁和電(diàn)極部分的流體(tǐ),有一部分不參(cān)與運動,這部分(fen)流體叫做黏性(xìng)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(hou)度越小，當其厚(hou)度小于電極的(de)🔞粗糙度時,流體(ti)流過電極,受粗(cū)🔞糙度影響,電極(jí)附近的流場将(jiang)會改變,并且會(hui)産生旋渦，出🌈現(xiàn)各個方向的流(liú)🌈速分量,和軸向(xiang)方向相或相反(fǎn)附加的流速分(fen)量傳遞🌈到電極(jí)上将形成流速(su)噪聲,疊加到測(cè)量的流速中。根(gen)據權重函數理(li)論[2-4]可以知🈚道,測(ce)量電極附近流(liú)場的權重函數(shu)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(guǒ)造成很大的誤(wu)差[5]。爲了避免這(zhè)🙇‍♀️種誤差的🎯産生(sheng),就必須使🚶‍♀️電極(jí)的粗糙度小于(yú)黏性底層的厚(hòu)❓度,這樣對生産(chǎn)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(dào)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(zēng)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(tóng)應用場合的電(dian)磁流量傳感器(qi)上的選用與安(an)裝做了總結,列(lie)出了測量電極(jí)的常用材料與(yǔ)各種材料.形🔞狀(zhuàng)電極的應用特(tè)🏃🏻點和應用場合(hé)，表明測量電極(jí)的表面粗糙度(dù)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(qì)測量電極與絕(jué)緣襯裏的粗糙(cāo)度對☔測量的影(yǐng)響做👈了研究，通(tōng)過在試驗中發(fa)現當雷諾數達(da)到某--高🈲度,測量(liang)會出現一個上(shàng)升的誤差拐點(diǎn)⛹🏻‍♀️，在此基礎上應(ying)用測量管的粗(cu)糙度與邊界層(céng)厚度的關系，基(ji)于電礅流量傳(chuan)感器感應電勢(shi)的權重函數理(lǐ)論,解釋了這是(shi)一種流速噪聲(shēng)所引起的現象(xiàng)😄,并由此得出降(jiàng)低此類噪聲，需(xu)要在制造技術(shù)上提高傳感器(qì)👉測量管襯裏和(he)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(xiàn)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(jì)的測量精度,這(zhe)類方法雖然也(yě)‼️可以降低噪聲(sheng),但是由于👅電極(jí)的增加,是電磁(ci)流量計的結構(gou)變的更爲複雜(zá)，且會提高電磁(ci)流量計的生産(chan)成本。現有相關(guān)文獻并未提及(ji)用改造傳感器(qi)結構的方法來(lái)克服測🌈量電極(jí)表面粗糙度造(zào)成的測量誤差(chà)問🈲題。該文提出(chū)了一種方法:通(tōng)過改造測量電(diàn)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(shòu)測量電極表面(miàn)粗糙度的影響(xiang),從而實現避免(mian)測量電極表面(miàn)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(miàn)粗糙度對電磁(cí)流量傳感器測(ce)量的造成的影(yǐng)響,可以🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用CFD方法(fa)和電磁流量傳(chuán)感器的權重函(han)數[2]理論解釋。
　　在(zài)電磁流量傳感(gan)器測量電極爲(wei)理想光滑材料(liào)的🌈情況下,應用(yòng)CFD方法對電磁流(liu)量計管道流場(chang)進行分🚶‍♀️析,對⁉️于(yú)流動數‼️學模型(xing)的建立,需要有(yǒu)以下條件:
1)流體(ti)爲連續不可壓(yā)縮流體,物理特(te)性爲常數。
2)流體(tǐ)無相變,同時不(bú)考慮場中的空(kong)化現象。流體的(de)湍流流動😄可以(yi)應用RNGk-ε湍流模型(xing)[0]描述。把RNG方法"用(yòng)于N-S方程,并💘引入(rù)湍流動能k和耗(hao)散率ε,可以得到(dao)以下模型:


典型(xíng)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(nuò)數🐆流體仿真，邊(bian)界條件設定如(rú)下:電磁流量傳(chuan)感器測量管道(dao)📱直徑爲60mm;測量電(diàn)極直徑爲20mm;由于(yú)電磁流量計的(de)安裝位置前後(hou)有🈲直管段長度(dù)要♈求,因此,測量(liang)管道長度設爲(wei)1000mm;流體🏃🏻‍♂️介質爲水(shui);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(nuò)數計算公式[1,13]

其(qí)中，Us是管道内流(liú)體的平均流速(sù);D是管道直徑;μo是(shì)流體的🤞運🐆動黏(nian)度。
　　根據公式(4)可(kě)計算出流體雷(léi)諾數Re=300000,管道内流(liu)體的運動⁉️狀❄️态(tai)根據雷諾數判(pàn)别,據此可知此(cǐ)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(chuan)感🐕器的測量管(guan)道内流場進行(háng)CFD數❓值仿真,流場(chǎng)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(you)圖2可以看出,在(zài)管道流體平均(jun1)流速爲5m/s時,靠近(jìn)管🤞壁🈲和電極附(fu)近的部分流場(chǎng)流速極小，這部(bu)分即爲黏性底(di)層。


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

　　由圖3可以看(kan)出,此時黏性底(di)層厚度小于粗(cū)糙度,對比圖2,可(kě)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(bu)同🛀🏻。
　　根據電磁流(liú)量傳感器的權(quán)重函數理論可(ke)以分析測量電(dian)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(shu)理論[2]:在工作磁(ci)場中,電磁流量(liàng)傳感器測量管(guǎn)道内的所有流(liu)體微元♌切割磁(cí)感線都将産生(shēng)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(chǎn)生🈲的感應電動(dòng)勢對測量電極(ji)上拾取到的反(fan)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(néng)力的大小。SHERCLIFF給💁出(chu)了電磁流量傳(chuan)感器的二維權(quán)重函數表達式(shi):

　　其中，W爲權重函(han)數;R爲管道半徑(jing);x和y爲包含電極(ji)的管道🔞截㊙️面🔴二(èr)維平面坐标。由(you)此可得電磁流(liu)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(chù)W=1,在圓🏃‍♂️周處💛W減小(xiǎo)到0.5,而靠近電極(ji)附近W很大,電極(ji)處的權重函數(shu)W的值⛱️接近爲∞'c顯(xian)然,權重函數W表(biǎo)示在工作📞磁場(chǎng)在測量管道區(qū)域内,任何微小(xiǎo)流體微元切割(gē)磁感線所🔅産生(shēng)的感應電.勢對(duì)兩電極信号的(de)貢獻大小，越靠(kao)近電極處的權(quan)重函數值越大(da)。根據前述分析(xi)，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(gǎi)變,而測量電極(jí)附近的權重函(hán)數值又遠大于(yú)管道其他部分(fen)的權重函數值(zhi)，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(jue)電極粗糙度對(dui)測量影響的方(fang)法
　　綜上所述,電(dian)磁流量傳感器(qì)在測量高雷諾(nuò)數流體時,測量(liàng)電極的粗糙度(du)大于黏性底層(céng)的厚度,将會對(dui)測量造成很大(da)的誤差💰。如果采(cǎi)用對電極的深(shen)加工或者🙇‍♀️改變(biàn)電極的原料如(rú)采用貴金☂️屬等(děng)來減小粗糙度(du)的方法可以避(bi)免這種💞誤差,但(dàn)是這樣會增📞加(jia)電磁流量🏃🏻計的(de)制造成♋本,且如(rú)果被😘測流體含(han)有🐆固體顆粒,固(gù)體☂️顆粒對電極(ji)的撞擊，仍然會(huì)加大電極的粗(cū)糙度。因此,提出(chu)了一-種新的方(fang)法,來避免電極(jí)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(cè)量電極附⭐近的(de)管道口徑加寬(kuān),寬度遠大于電(diàn)極的表面粗💘糙(cāo)度,這樣測量⚽電(dian)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(yǐn)起的測量誤差(chà)。
　　改造原理具體(ti)體現爲:在電磁(ci)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(ji)串疊組成,并由(you)液體電極部分(fèn)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(dui)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(dài)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(zhong)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(biao)面粗糙度影響(xiang),同時☎️,測量管内(nèi)待測流體産生(shēng)的感應電勢可(kě)以通過液體電(diàn)極傳輸到固體(ti)電極。電♋磁流量(liàng)計轉換器的信(xìn)号測量單🔱元連(lian)接在固體電極(ji),測量待測液體(tǐ)流動所産生的(de)感應電勢信号(hào)。
　　應用CFD方法對流(liu)場進行數值仿(páng)真來驗證該方(fāng)法。在同樣🤟的邊(bian)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(shu)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(yun)圖如圖5所示;電(dian)極處的流場雲(yun)圖放大如圖6所(suo)示;對電極部分(fen)設定粗✌️糙度,此(ci)時電極處的流(liú)場圖如圖7所示(shi)🔞。

　　對比圖6與圖7可(ke)以看出,在平均(jun)流速爲5m/s的條件(jian)下,加寬電極處(chù)管道口徑後,測(cè)量電極附近的(de)流場基本不受(shòu)電極🙇🏻表面✏️粗糙(cao)度的影響,這樣(yang)可以避免電極(ji)的表面粗糙度(dù)對電磁㊙️流量傳(chuán)🙇🏻感器測🔴量所造(zao)成的誤差,從而(ér)㊙️證明了該方案(an)的可💯行性
3結論(lùn)
　　該文研究了電(diàn)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(lái),并用權重函數(shu)理論闡明了這(zhè)個影響會對電(dian)磁流量傳感器(qi)的測量結果造(zao)成很大的誤差(chà)。爲了💁解決這個(gè)問題,提出了加(jia)寬電磁流量計(jì)電極附近🙇🏻管道(dao)口徑,使其遠大(dà)于電極的粗糙(cāo)度💛,電磁流量計(ji)的測量電極就(jiù)可以看做爲由(yóu)一段固體電極(ji)和一段液體電(diàn)極串疊組成,并(bìng)由液體電極部(bu)分與測量管内(nei)待測液體相接(jiē)觸。該方法可使(shi)被測流體的流(liu)場不受測量電(dian)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(ke)行性,可以爲用(yong)于高雷諾數流(liu)體測量的電磁(cí)流量傳感器研(yán)發提供--定的理(li)論支撐。

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