摘要:用于高雷諾數(shù)流體測(cè)量的電磁流量計(jì)，其傳感器測(cè)量電極的表面粗糙度將會(huì)對(duì)電極附近的流場(chǎng)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(chǎng)的變化將極大的影響電磁流量計(jì)的測(cè)量信號(hào),導(dǎo)致測(cè)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(cè)量電極的表面粗糙度不影響流場(chǎng)的方法,首先應(yīng)用CFD方法分析了測(cè)量電極粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響,然后用權(quán)重函數(shù)理論分析了測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因,提出了對(duì)電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)改造方案,最后通過(guò)流場(chǎng)仿真驗(yàn)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(cè)量電極表面粗糙度造成的測(cè)量誤差問(wèn)題。
0引言
電磁流量傳感器在測(cè)量高流速流體時(shí),測(cè)量管道內(nèi)流體的雷諾數(shù)很高,流體流動(dòng)呈現(xiàn)為湍流狀態(tài)，在湍流狀態(tài)下流場(chǎng)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(dòng),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(shí),流體流過(guò)電極,受粗糙度影響,電極附近的流場(chǎng)將會(huì)改變,并且會(huì)產(chǎn)生旋渦，出現(xiàn)各個(gè)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(cè)量的流速中。根據(jù)權(quán)重函數(shù)理論[2-4]可以知道,測(cè)量電極附近流場(chǎng)的權(quán)重函數(shù)值很大，這部分流場(chǎng)即使微小的改變也將對(duì)電磁流量傳感器的測(cè)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(duì)生產(chǎn)工藝的要求會(huì)提高,增加生產(chǎn)成本;并且測(cè)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(huì)增大。文獻(xiàn)[6]對(duì)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(chǎng)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(cè)量電極的常用材料與各種材料.形狀電極的應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，表明測(cè)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(duì)測(cè)量的影響。文獻(xiàn)[7]對(duì)電磁流量傳感器測(cè)量電極與絕緣襯里的粗糙度對(duì)測(cè)量的影響做了研究，通過(guò)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到某--高度,測(cè)量會(huì)出現(xiàn)一個(gè)上升的誤差拐點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用測(cè)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(shì)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(lèi)噪聲，需要在制造技術(shù)上提高傳感器測(cè)量管襯里和電極粗糙度的結(jié)論,但并沒(méi)有給出具體的解決方案。國(guó)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(jì)的測(cè)量精度,這類(lèi)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(jì)的結(jié)構(gòu)變的更為復(fù)雜，且會(huì)提高電磁流量計(jì)的生產(chǎn)成本。現(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(lái)克服測(cè)量電極表面粗糙度造成的測(cè)量誤差問(wèn)題。該文提出了一種方法:通過(guò)改造測(cè)量電極附近的電磁流量傳感器結(jié)構(gòu)，使測(cè)量管道內(nèi)的流場(chǎng)不受測(cè)量電極表面粗糙度的影響,從而實(shí)現(xiàn)避免測(cè)量電極表面粗糙度引起測(cè)量誤.差的目的。
1電極表面粗糙度對(duì)電磁流量傳感器測(cè)量的影響
電極表面粗糙度對(duì)電磁流量傳感器測(cè)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(cè)量電極為理想光滑材料的情況下,應(yīng)用CFD方法對(duì)電磁流量計(jì)管道流場(chǎng)進(jìn)行分析,對(duì)于流動(dòng)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(wú)相變,同時(shí)不考慮場(chǎng)中的空化現(xiàn)象。流體的湍流流動(dòng)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(dòng)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(duì)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(cè)量管道直徑為60mm;測(cè)量電極直徑為20mm;由于電磁流量計(jì)的安裝位置前后有直管段長(zhǎng)度要求,因此,測(cè)量管道長(zhǎng)度設(shè)為1000mm;流體介質(zhì)為水;測(cè)量管道入口的平均流速為5m/s;設(shè)定流體的運(yùn)動(dòng)粘度為1.0×10-6m2/s。根據(jù)管道流體雷諾數(shù)計(jì)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(dòng)黏度。
根據(jù)公式(4)可計(jì)算出流體雷諾數(shù)Re=300000,管道內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)根據(jù)雷諾數(shù)判別,據(jù)此可知此時(shí)管道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用Comsol對(duì)電磁流量計(jì)傳感器的測(cè)量管道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行CFD數(shù)值仿真,流場(chǎng)云圖如圖1所示;對(duì)電極附近流場(chǎng)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(shí),靠近管壁和電極附近的部分流場(chǎng)流速極小，這部分即為黏性底層。
在管道模型中，對(duì)測(cè)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(shí)黏性底層厚度小于粗糙度,對(duì)比圖2,可知流場(chǎng)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(cè)量電極表面粗糙度對(duì)測(cè)量的影響。SHERCLIFFJA在1962年對(duì)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(chǎng)中,電磁流量傳感器測(cè)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(dòng)勢(shì),測(cè)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(dòng)勢(shì)對(duì)測(cè)量電極上拾取到的反映電磁流量傳感器測(cè)量管道內(nèi)流速信號(hào)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(diǎn)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(chǎng)在測(cè)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(shì)對(duì)兩電極信號(hào)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(cè)量電極表面粗糙度使靠近電極處的流場(chǎng)發(fā)生了改變,而測(cè)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(jì)的測(cè)量信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。
2解決電極粗糙度對(duì)測(cè)量影響的方法
綜上所述,電磁流量傳感器在測(cè)量高雷諾數(shù)流體時(shí),測(cè)量電極的粗糙度大于黏性底層的厚度,將會(huì)對(duì)測(cè)量造成很大的誤差。如果采用對(duì)電極的深加工或者改變電極的原料如采用貴金屬等來(lái)減小粗糙度的方法可以避免這種誤差,但是這樣會(huì)增加電磁流量計(jì)的制造成本,且如果被測(cè)流體含有固體顆粒,固體顆粒對(duì)電極的撞擊，仍然會(huì)加大電極的粗糙度。因此,提出了一-種新的方法,來(lái)避免電極的粗糙度對(duì)流場(chǎng)的影響。具體思路和方案如下:
對(duì)電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,把測(cè)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(cè)量電極的表面粗糙度就可以不影響管道流場(chǎng),從而避免電極表面粗糙度所引起的測(cè)量誤差。
改造原理具體體現(xiàn)為:在電磁流量計(jì)傳感器測(cè)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(cè)量管內(nèi)待測(cè)液體相接觸。液體電極部分是管內(nèi)通往對(duì)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(cè)流體灌人管道加寬部分所形成的液體。這樣,待測(cè)流體中在測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)時(shí),其流場(chǎng)不直接受到電磁流量計(jì)傳感器的測(cè)量電極表面粗糙度影響,同時(shí),測(cè)量管內(nèi)待測(cè)流體產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)可以通過(guò)液體電極傳輸?shù)焦腆w電極。電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)測(cè)量單元連接在固體電極,測(cè)量待測(cè)液體流動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)。
應(yīng)用CFD方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真來(lái)驗(yàn)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(duì)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(chǎng)云圖放大如圖6所示;對(duì)電極部分設(shè)定粗糙度,此時(shí)電極處的流場(chǎng)圖如圖7所示。
對(duì)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(cè)量電極附近的流場(chǎng)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(duì)電磁流量傳感器測(cè)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(duì)高雷諾數(shù)流體流場(chǎng)的影響,通過(guò)仿真直觀的顯示出來(lái),并用權(quán)重函數(shù)理論闡明了這個(gè)影響會(huì)對(duì)電磁流量傳感器的測(cè)量結(jié)果造成很大的誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題,提出了加寬電磁流量計(jì)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(jì)的測(cè)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(cè)量管內(nèi)待測(cè)液體相接觸。該方法可使被測(cè)流體的流場(chǎng)不受測(cè)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(cè)量的電磁流量傳感器研發(fā)提供--定的理論支撐。
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