流体噪声的原因及衬里和电极的表面粗糙度对流体噪声的影响

来源：本站发布日期：2022-06-02 01:03:14|

智能电磁流量计在应用中除了受周围环境条件，电磁场、静电场等因素产生的噪声影响外，被测介质的流体噪声也是非常重要的影响因素。流体噪声是一种直流极化电压，在低频矩形波励磁方式中尤为突出，常见的有浆液噪声、流动噪声和流速噪声。

一、流体噪声的产生原因有下面几种情况

1、不锈钢电极的耐腐蚀是在其表面具有一个薄的钝化层，使得电化学反应达到平衡状态。

流体中的固体物撞击电极，使得电极表面钝化层被破坏，失掉电化学平衡。而金属材料与流体介质接触具有重新恢复生成表面钝化层保持电化学平衡的能力。在达到点化学平衡期间，金属和流体中的游离离子在信号电场作用下不断进行着电化学反应。固体颗粒撞击电极，不断破坏保护的钝化层；电化学反应又反复生成钝化层，于是形成了电极间的电位不断大幅地度变化，这种变化的电位造成流量信号中的流体噪声。这种情况也即电磁流量计中通常讲的浆液噪声。理论和实践表明，影响电化学反应信号电场变化的频率升高，可使流体噪声幅度迅速下降，这就是高频励磁和双频励磁可以解决浆液测量的原因。

2、流体摩擦衬里和电极，流体中发生的正、负离子从电解质流体中分离。

流量计衬里和电极表面越粗糙，游离的离子浓度就越高。受电极信号电场的作用，一部分离子会向电极移动，形成噪声电压，这种噪声被称为流动噪声。流动噪声在低电导率测量时表现比较突出。流动噪声与外电场强度有关，高流速时感应信号越大，噪声幅度也越大，输出就会很不稳定。

3、流体电导率和pH值的急剧变化也会形成流动噪声。

在电磁流量计上游加药表现的测量不稳定就是典型例子。原因是不同介质在不均匀混合时，流体中容易分离出正、负离子，受电极信号电场的作用，一部分离子会向电极移动，形成了流动噪声电压，造成输出的不稳定。

4、由于高流速流动流体靠近衬里和电极部位的层流边界层厚度变得很薄。

衬里和电极的粗糙度高度突破了流速层流边界层的厚度，流体撞击这部分粗糙度高度，发生流速发散和突变。有一部分与测量管中心轴方向相同（或相反）的流速分量，受信号权重函数的作用，对电极信号产生了很大影响，形成了大的正误差，这就是流速噪声。

上述流体噪声中的流动噪声和流速噪声与测量管的衬里和电极表面粗糙度直接有关，极化电压产生的浆液噪声与电极表面粗糙度也有很大关系。下面就介绍一下衬里和电极的表面粗糙度对流体噪声的影响。

二、衬里和电极的表面粗糙度对流体噪声的影响

流体噪声的高低与衬里和电极表面的粗糙度有关。无论对浆液噪声、流动噪声和流速噪声这种关系都很密切。很明显，粗糙的衬里和电极表面会加大对流体的摩擦力，容易引起流体中离子分离的加剧，给流动噪声产生创造条件。光滑的衬里和电极表面能够让流体顺滑流过，减小流体与衬里和电极的摩擦力，因此离子分离的机会将大大减少，流动噪声也将减小。可以想象流体流动速度加快，衬里和电极对流体的摩擦力也会加大，流体中离子分离同样会加剧。再加上流体流速的加快，感应电势增大，电场对离子运动的作用力增大，因此流动噪声要增大。所以，在有流动噪声的情况下流量计使用流速不宜过高。

曾经有学着和专家们讨论过高雷诺数（即高流速）下电磁流量计测量管粗糙度对测量的影响。不锈钢网的PFA衬里由于粗糙度zui低，刚度好，试验条件下未出现流速噪声形成误差；橡胶衬里的粗糙度高，出现流速噪声误差组zui早；聚氨酯衬里尽管出现流速噪声晚一些，但由于其强度不高，产生的误差幅度zui大。这说明衬里和电极粗糙度是产生流速噪声的重要原因。

对于浆液噪声，由于电极表面覆盖的一层钝化膜仅有约1nm厚，如果电极本身粗糙度较高，表面高低不平，钝化膜就很难达到致密和厚薄均匀，这将对膜的稳定性受到影响，进而也会影响到膜的保持和修复。流体和电极的电化学反应就会不断进行，就难以做到稳定的测量浆液流体。也就是说，电极表面的粗糙度高低，也直接影响到浆液噪声的产生与消除。

对于用于食品工业过程流量测量用的卫生型电磁流量计来说，PTFE或PFA氟塑料衬里是zui常用的，由于食品的电导率一般较低而且粘度较高，测量时出现流动噪声的可能性很高。这里，金属管起接液环作用，用来把测量流体电连接为信号的基准参考电位。接液环（接液电极或流量计上、下游连接金属管道）如同电极，同样受到被测流体的电化学作用产生流体噪声，所以也需要受到高度重视，减小粗糙度高度。

日本横河公司2009年研究开发的双频两线制电磁流量计，把降低衬里和电极的粗糙度，完善电极钝化膜作为提高传感器信噪比的关键技术之一。对衬里和电极粗糙度提出了Ra在 0.05～0.15μm范围的镜面要求。这一措施使得传感器感应信号和传感器的信噪比提高1倍以上，因此在大幅度降低励磁电流的情况下，两线制双频励磁电磁流量计能够获得与四线制具有同样优良的测量精度。

从法拉第1832年首次应用地磁场和电磁感应方法测量泰晤士河流速的失败，到广泛地应用电磁流量计测量导电液体流量的今天，流体噪声一直是电磁流量计要解决的重要技术问题之一。尤其在进入低频矩形波励磁时代以来，流体噪声的影响表现得更为突出。往往有些新装配的流量计受电极极化的影响，输出摆动需要经过长时间在水中浸泡才能消除。流体噪声的大小直接影响到流量计测量的灵敏度、线性度和稳定性。因此，研究流体噪声，探讨其产生的原因，找出降低流体噪声的方法，提高传感器信噪比，特别是对微弱励磁电流（电磁水表、两线制电磁流量计）的发展和低流速（0.1m/s以下）及高流速（15m/s以上）流量测量范围的扩展具有重大意义。

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