流體噪聲（shēng）的原因及襯裏和電極的表麵（miàn）粗糙度對流體噪聲的影響

智能電（diàn）磁流量計在應用中除了受周（zhōu）圍環境條件，電磁場、靜電場等因素產生（shēng）的噪聲影響外，被測介質的流體噪聲也是非常重要的影響（xiǎng）因（yīn）素（sù）。流體噪聲是一種（zhǒng）直流極化電（diàn）壓，在低頻矩形波勵磁方式中尤（yóu）為突出（chū），常見的有漿液噪聲（shēng）、流動噪聲和流速噪聲。

一、流體噪聲（shēng）的產生原因有下麵幾種情況

1、不鏽（xiù）鋼電極（jí）的耐腐蝕是在其表麵具有一個薄的（de）鈍化層，使得電化學反應達到平（píng）衡狀態。

    流體中的固體物撞（zhuàng）擊電極，使得電極表麵鈍化層被破壞（huài），失掉電化學平衡。而金屬材料與流體介質接觸具有重新恢複生成表麵鈍化層保持電化學（xué）平衡的能力。在達到點（diǎn）化學平衡期間，金屬和流體中的遊（yóu）離離（lí）子在信號電場作用下不斷進行著電化學反應。固體顆粒撞擊電極，不斷破壞保（bǎo）護的鈍化層；電化學反應（yīng）又反複生成鈍化層，於是形成了電極間的電位不斷大幅地度變化，這種變化的電位造成流量信號中的流體噪（zào）聲。這（zhè）種情況也即電磁（cí）流量計中（zhōng）通（tōng）常講的（de）漿液噪聲。理論和實踐表明，影響電化學反應信號（hào）電場變化的頻率升高，可使流體噪聲幅度迅速下降，這就是（shì）高頻勵磁和雙頻勵（lì）磁可以解決漿液測量的（de）原因。

2、流體摩擦襯裏和電極，流體中（zhōng）發生的正、負離子從電解質流體中分離。

   流量計襯裏和電（diàn）極表麵（miàn）越粗糙，遊離的離子濃度就越高。受電極信號電場的作（zuò）用，一部（bù）分離子（zǐ）會向電極移動，形成噪聲電（diàn）壓，這種噪聲被稱為流動（dòng）噪聲。流動噪聲在低電導率測量時表現比較突出（chū）。流動噪聲與外電場強度有關，高流速時感應信號越大，噪聲幅度也越大，輸出就會很不穩定。

3、流體電導率和pH值的急劇變化也會形成流動噪聲（shēng）。

    在（zài）電磁流量計上遊加藥表現的測量（liàng）不穩定就是典型例子。原因（yīn）是不同介質在不（bú）均勻混合時，流體中容易（yì）分離出正、負離子，受電極信號電場的作（zuò）用，一部分離子會向電極（jí）移動（dòng），形成了（le）流動噪聲電壓，造成輸出的不穩定。

4、由於（yú）高流速流動流體靠（kào）近襯裏和電極部位的層流邊界層厚度變得很薄。

    襯裏和電極的粗糙度高度突破了流速層流邊界（jiè）層的厚度，流體撞擊這部（bù）分粗糙度高度，發生流速發散和突變。有一（yī）部分（fèn）與測量管中心軸方向相同（或相反）的流速（sù）分量，受信號權重函數的作用，對電（diàn）極信號產生了很大影響，形成了大的正誤差，這就是流速噪聲。

    上述流體（tǐ）噪聲中的流動噪聲（shēng）和流速（sù）噪聲與測量管的襯裏和電極表麵粗糙（cāo）度直接有關（guān），極（jí）化電壓產生的（de）漿（jiāng）液（yè）噪（zào）聲（shēng）與電極表（biǎo）麵粗糙度也有很大關係（xì）。下麵就介紹一（yī）下襯裏和（hé）電極（jí）的表麵粗糙度（dù）對流（liú）體（tǐ）噪聲（shēng）的影響。

二、襯裏和電極的表麵粗糙度對流體噪聲的影響

    流體噪聲的高低與襯裏和（hé）電極表麵的粗（cū）糙（cāo）度有（yǒu）關。無論對（duì）漿液（yè）噪聲（shēng）、流動噪（zào）聲和流速噪聲這種關係都很（hěn）密切。很明顯，粗糙的襯裏和（hé）電極表麵會加大對流體的摩擦力，容易引（yǐn）起流體中離（lí）子分離（lí）的（de）加劇，給流動噪聲（shēng）產（chǎn）生（shēng）創造條件。光滑的襯（chèn）裏和電極表麵能夠讓流體順滑流過，減小流體（tǐ）與（yǔ）襯裏和（hé）電極的摩擦力，因此離子分離的（de）機會將大大減少（shǎo），流動噪聲也將減小。可（kě）以想象流體流動速（sù）度加快，襯裏（lǐ）和電極對流體的摩擦力也會加大，流體中（zhōng）離子分（fèn）離同樣（yàng）會加劇。再加上流體流（liú）速的加快，感（gǎn）應（yīng）電（diàn）勢增（zēng）大，電場對（duì）離子運動（dòng）的作（zuò）用力增大，因此流動噪（zào）聲要（yào）增大。所以，在有流動噪聲的情（qíng）況（kuàng）下（xià）流量計使用流速不宜過高。

     曾經有學著（zhe）和專家們討論過高雷（léi）諾數（即高流速）下電磁流量計（jì）測量管粗糙度對測量的影響。不鏽鋼網的PFA襯裏由於粗糙度zui低，剛度（dù）好，試驗條（tiáo）件下未出現流速噪聲形成誤差；橡膠襯裏的粗糙度（dù）高，出現流速噪聲誤差組zui早；聚氨酯襯裏盡管出現流速噪聲晚一些，但由於其強度不高，產生的誤差（chà）幅度（dù）zui大。這說明襯裏和電極粗糙度是產生流速噪聲的重要原（yuán）因。

    對於漿液噪聲，由於電極表麵覆（fù）蓋的一（yī）層鈍化膜僅有約1nm厚，如果電（diàn）極本身粗糙度較高，表麵高低不平（píng），鈍化膜就很難達到致密和厚薄均勻，這將對膜的穩定性（xìng）受到影響（xiǎng），進而也會影響到膜的保持和（hé）修複。流體和電極的電化學反應就（jiù）會不斷進行，就難以做到穩定的測量漿液流體。也就是說，電極表麵的粗糙度高低（dī），也直接影響到漿液噪聲的（de）產生與消除。   

    對於用於食（shí）品工業過程流量測量用的衛生型電磁流（liú）量計來說，PTFE或PFA氟塑料襯（chèn）裏是（shì）zui常用的，由於食品的電導率一般較低（dī）而且粘度較高，測量（liàng）時出（chū）現流動噪聲的可能性很高。這裏（lǐ），金屬管起接液環（huán）作用，用來把測量流（liú）體電連接（jiē）為信號的基準參考電位。接（jiē）液環（接液電極或流量計上、下遊連接金屬管道）如同電極，同樣受到被測流體的電化學作用產生流體噪（zào）聲，所以也需要受到高度重視，減小粗糙度高度。

    日（rì）本橫河公司2009年研究（jiū）開發的雙（shuāng）頻兩線製電磁流量（liàng）計，把（bǎ）降低襯裏和電極的粗糙度，完善電極鈍化膜作為提高傳感器信噪比的關（guān）鍵技術之一。對襯裏和電極粗糙度提出了Ra在 0.05～0.15μm範圍的鏡麵（miàn）要求。這（zhè）一措施使得傳感器感應信（xìn）號和傳（chuán）感器的信噪比提高1倍以上，因此在大幅度降低勵磁電流的情況下，兩線製雙頻勵磁電磁流量計（jì）能夠（gòu）獲得與四線製具有同樣優良的測量精（jīng）度。

    從法拉第1832年首（shǒu）次應（yīng）用地磁（cí）場和電磁感應方法測量（liàng）泰晤士河流速的失（shī）敗，到廣泛地應用電磁（cí）流量計測量導電液體流（liú）量（liàng）的今天，流（liú）體（tǐ）噪（zào）聲一直是電磁流（liú）量計要解決的重要技術問題之一。尤其在（zài）進入低頻矩形波勵磁時代（dài）以來，流體噪聲的影響表現得更為突出。往往有些（xiē）新裝配的流量計受電極極（jí）化的影響，輸出擺動需要（yào）經過長時間在水中（zhōng）浸泡才（cái）能消（xiāo）除。流體噪聲的大小直接影響到流（liú）量計測量的（de）靈（líng）敏度、線（xiàn）性度（dù）和穩定（dìng）性。因此，研究流體（tǐ）噪聲，探討其產生的原因，找（zhǎo）出降低流體噪聲的方法，提高傳（chuán）感（gǎn）器信噪比（bǐ），特別是對微弱勵磁電流（電磁水表、兩（liǎng）線製電磁流量計）的發展和低流速（0.1m/s以下）及高流速（15m/s以上）流量測量範圍的擴（kuò）展具有重大意（yì）義。

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