摘要:用于高雷諾數(shù)流體測量的電磁流量計，其傳感器測量電極的表面粗糙度將會對電極附近的流場產(chǎn)生影響。根據(jù)電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)理論可知,電極附近流場的變化將極大的影響電磁流量計的測量信號,導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。該文提出了一種使電磁流量傳感器測量電極的表面粗糙度不影響流場的方法,首先應(yīng)用CFD方法分析了測量電極粗糙度對流場的影響,然后用權(quán)重函數(shù)理論分析了測量誤差產(chǎn)生的原因,提出了對電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)改造方案,最后通過流場仿真驗證了改造方案的可行性。結(jié)果表明,該文提出的方法可以很好的解決測量電極表面粗糙度造成的測量誤差問題。
0引言
電磁流量傳感器在測量高流速流體時,測量管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)很高,流體流動呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)，在湍流狀態(tài)下流場的邊緣部分即靠近管壁和電極部分的流體,有一部分不參與運(yùn)動,這部分流體叫做黏性底層中。黏性底層的厚度與流體雷諾數(shù)有關(guān),雷諾數(shù)越大,則黏性底層的厚度越小，當(dāng)其厚度小于電極的粗糙度時,流體流過電極,受粗糙度影響,電極附近的流場將會改變,并且會產(chǎn)生旋渦，出現(xiàn)各個方向的流速分量,和軸向方向相或相反附加的流速分量傳遞到電極上將形成流速噪聲,疊加到測量的流速中。根據(jù)權(quán)重函數(shù)理論[2-4]可以知道,測量電極附近流場的權(quán)重函數(shù)值很大，這部分流場即使微小的改變也將對電磁流量傳感器的測量結(jié)果造成很大的誤差[5]。為了避免這種誤差的產(chǎn)生,就必須使電極的粗糙度小于黏性底層的厚度,這樣對生產(chǎn)工藝的要求會提高,增加生產(chǎn)成本;并且測量電極持續(xù)受到流體中微小固體顆粒的撞擊,表面粗糙度不可避免的會增大。文獻(xiàn)[6]對電磁流量傳感器的電極材料、使用范圍及各種電極形狀在不同應(yīng)用場合的電磁流量傳感器上的選用與安裝做了總結(jié),列出了測量電極的常用材料與各種材料.形狀電極的應(yīng)用特點和應(yīng)用場合，表明測量電極的表面粗糙度是客觀存在的,然而文獻(xiàn)未提及電極表面粗糙度對測量的影響。文獻(xiàn)[7]對電磁流量傳感器測量電極與絕緣襯里的粗糙度對測量的影響做了研究，通過在試驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到某--高度,測量會出現(xiàn)一個上升的誤差拐點，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用測量管的粗糙度與邊界層厚度的關(guān)系，基于電礅流量傳感器感應(yīng)電勢的權(quán)重函數(shù)理論,解釋了這是一種流速噪聲所引起的現(xiàn)象,并由此得出降低此類噪聲，需要在制造技術(shù)上提高傳感器測量管襯里和電極粗糙度的結(jié)論,但并沒有給出具體的解決方案。國內(nèi)現(xiàn)有一些研究[8-9]提出采用多電極的方法可以提高電磁流量計的測量精度,這類方法雖然也可以降低噪聲,但是由于電極的增加,是電磁流量計的結(jié)構(gòu)變的更為復(fù)雜，且會提高電磁流量計的生產(chǎn)成本�，F(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)并未提及用改造傳感器結(jié)構(gòu)的方法來克服測量電極表面粗糙度造成的測量誤差問題。該文提出了一種方法:通過改造測量電極附近的電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)，使測量管道內(nèi)的流場不受測量電極表面粗糙度的影響,從而實現(xiàn)避免測量電極表面粗糙度引起測量誤.差的目的。
1電極表面粗糙度對電磁流量傳感器測量的影響
電極表面粗糙度對電磁流量傳感器測量的造成的影響,可以用CFD方法和電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)[2]理論解釋。
在電磁流量傳感器測量電極為理想光滑材料的情況下,應(yīng)用CFD方法對電磁流量計管道流場進(jìn)行分析,對于流動數(shù)學(xué)模型的建立,需要有以下條件:
1)流體為連續(xù)不可壓縮流體,物理特性為常數(shù)。
2)流體無相變,同時不考慮場中的空化現(xiàn)象。流體的湍流流動可以應(yīng)用RNGk-ε湍流模型[0]描述。把RNG方法"用于N-S方程,并引入湍流動能k和耗散率ε,可以得到以下模型:
典型值,通常η0=4.38,其他常數(shù)的取值為:cu=0.085，β=0.012c由于針對高雷諾數(shù)流體仿真，邊界條件設(shè)定如下:電磁流量傳感器測量管道直徑為60mm;測量電極直徑為20mm;由于電磁流量計的安裝位置前后有直管段長度要求,因此,測量管道長度設(shè)為1000mm;流體介質(zhì)為水;測量管道入口的平均流速為5m/s;設(shè)定流體的運(yùn)動粘度為1.0×10-6m2/s。根據(jù)管道流體雷諾數(shù)計算公式[1,13]
其中，Us是管道內(nèi)流體的平均流速;D是管道直徑;μo是流體的運(yùn)動黏度。
根據(jù)公式(4)可計算出流體雷諾數(shù)Re=300000,管道內(nèi)流體的運(yùn)動狀態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)判別,據(jù)此可知此時管道內(nèi)流體運(yùn)動狀態(tài)為湍流運(yùn)動。應(yīng)用Comsol對電磁流量計傳感器的測量管道內(nèi)流場進(jìn)行CFD數(shù)值仿真,流場云圖如圖1所示;對電極附近流場分布云圖放大如圖2所示。
由圖2可以看出,在管道流體平均流速為5m/s時,靠近管壁和電極附近的部分流場流速極小，這部分即為黏性底層。
在管道模型中，對測量電極部分設(shè)定表面粗糙度,且粗糙度大于黏性底層厚度,如圖3所示。
由圖3可以看出,此時黏性底層厚度小于粗糙度,對比圖2,可知流場受粗糙度的影響,在電極附近的分布有了明顯的不同。
根據(jù)電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)理論可以分析測量電極表面粗糙度對測量的影響。SHERCLIFFJA在1962年對電磁流量傳感器進(jìn)行了研究，提出了電磁流量傳感器的權(quán)重函數(shù)理論[2]:在工作磁場中,電磁流量傳感器測量管道內(nèi)的所有流體微元切割磁感線都將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,測量管內(nèi)的不同位置流體微元切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢對測量電極上拾取到的反映電磁流量傳感器測量管道內(nèi)流速信號的貢獻(xiàn)不一樣,權(quán)重函數(shù)則可以表明此貢獻(xiàn)能力的大小。SHERCLIFF給出了電磁流量傳感器的二維權(quán)重函數(shù)表達(dá)式:
其中，W為權(quán)重函數(shù);R為管道半徑;x和y為包含電極的管道截面二維平面坐標(biāo)。由此可得電磁流量傳感器二維權(quán)重函數(shù)分布，如圖42]所示。
根據(jù)圖4.上權(quán)重函數(shù)各點數(shù)值可以看出,在圓.心處W=1,在圓周處W減小到0.5,而靠近電極附近W很大,電極處的權(quán)重函數(shù)W的值接近為∞'c顯然,權(quán)重函數(shù)W表示在工作磁場在測量管道區(qū)域內(nèi),任何微小流體微元切割磁感線所產(chǎn)生的感應(yīng)電.勢對兩電極信號的貢獻(xiàn)大小，越靠近電極處的權(quán)重函數(shù)值越大。根據(jù)前述分析，由于測量電極表面粗糙度使靠近電極處的流場發(fā)生了改變,而測量電極附近的權(quán)重函數(shù)值又遠(yuǎn)大于管道其他部分的權(quán)重函數(shù)值，這樣電磁流量計的測量信號就會產(chǎn)生很大的誤差。
2解決電極粗糙度對測量影響的方法
綜上所述,電磁流量傳感器在測量高雷諾數(shù)流體時,測量電極的粗糙度大于黏性底層的厚度,將會對測量造成很大的誤差。如果采用對電極的深加工或者改變電極的原料如采用貴金屬等來減小粗糙度的方法可以避免這種誤差,但是這樣會增加電磁流量計的制造成本,且如果被測流體含有固體顆粒,固體顆粒對電極的撞擊，仍然會加大電極的粗糙度。因此,提出了一-種新的方法,來避免電極的粗糙度對流場的影響。具體思路和方案如下:
對電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,把測量電極附近的管道口徑加寬,寬度遠(yuǎn)大于電極的表面粗糙度,這樣測量電極的表面粗糙度就可以不影響管道流場,從而避免電極表面粗糙度所引起的測量誤差。
改造原理具體體現(xiàn)為:在電磁流量計傳感器測量管中的電極改變?yōu)橛梢欢喂腆w電極和一段液體電極串疊組成,并由液體電極部分與測量管內(nèi)待測液體相接觸。液體電極部分是管內(nèi)通往對應(yīng)固體電極.的充滿導(dǎo)電性流體的管道加寬部分組成。液體電極的導(dǎo)電性流體可以是待測流體灌人管道加寬部分所形成的液體。這樣,待測流體中在測量管內(nèi)流動時,其流場不直接受到電磁流量計傳感器的測量電極表面粗糙度影響,同時,測量管內(nèi)待測流體產(chǎn)生的感應(yīng)電勢可以通過液體電極傳輸?shù)焦腆w電極。電磁流量計轉(zhuǎn)換器的信號測量單元連接在固體電極,測量待測液體流動所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢信號。
應(yīng)用CFD方法對流場進(jìn)行數(shù)值仿真來驗證該方法。在同樣的邊界條件和初始條件下,設(shè)定管道直徑為60miimn,流體介質(zhì)為水，平均流速為5m/s,雷諾數(shù)為300000,對電極處的管道口徑加寬,電極處粗糙度為0,流速分布云圖如圖5所示;電極處的流場云圖放大如圖6所示;對電極部分設(shè)定粗糙度,此時電極處的流場圖如圖7所示。
對比圖6與圖7可以看出,在平均流速為5m/s的條件下,加寬電極處管道口徑后,測量電極附近的流場基本不受電極表面粗糙度的影響,這樣可以避免電極的表面粗糙度對電磁流量傳感器測量所造成的誤差,從而證明了該方案的可行性
3結(jié)論
該文研究了電磁流量傳感器的電極粗糙度在對高雷諾數(shù)流體流場的影響,通過仿真直觀的顯示出來,并用權(quán)重函數(shù)理論闡明了這個影響會對電磁流量傳感器的測量結(jié)果造成很大的誤差。為了解決這個問題,提出了加寬電磁流量計電極附近管道口徑,使其遠(yuǎn)大于電極的粗糙度,電磁流量計的測量電極就可以看做為由一段固體電極和一段液體電極串疊組成,并由液體電極部分與測量管內(nèi)待測液體相接觸。該方法可使被測流體的流場不受測量電極的表面粗糙度的影響。仿真結(jié)果表明，該方法有較好的可行性,可以為用于高雷諾數(shù)流體測量的電磁流量傳感器研發(fā)提供--定的理論支撐。
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