流體噪聲的原因及襯里和電極的表面粗糙度對(duì)流體噪聲的影響

智能電磁流量計(jì)在應(yīng)用中除了受周圍環(huán)境條件，電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)等因素產(chǎn)生的噪聲影響外，被測(cè)介質(zhì)的流體噪聲也是非常重要的影響因素。流體噪聲是一種直流極化電壓，在低頻矩形波勵(lì)磁方式中尤為突出，常見的有漿液噪聲、流動(dòng)噪聲和高端流速噪聲。

一、流體噪聲的產(chǎn)生原因有下面幾種情況

1、不銹鋼電極的耐腐蝕是在其表面具有一個(gè)極薄的鈍化層，使得電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。

    流體中的固體物撞擊電極，使得電極表面鈍化層被破壞，失掉電化學(xué)平衡。而金屬材料與流體介質(zhì)接觸具有重新恢復(fù)生成表面鈍化層保持電化學(xué)平衡的能力。在達(dá)到點(diǎn)化學(xué)平衡期間，金屬和流體中的游離離子在信號(hào)電場(chǎng)作用下不斷進(jìn)行著電化學(xué)反應(yīng)。固體顆粒撞擊電極，不斷破壞保護(hù)的鈍化層；電化學(xué)反應(yīng)又反復(fù)生成鈍化層，于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(hào)中的流體噪聲。這種情況也即電磁流量計(jì)中通常講的漿液噪聲。理論和實(shí)踐表明，影響電化學(xué)反應(yīng)信號(hào)電場(chǎng)變化的頻率升高，可使流體噪聲幅度迅速下降，這就是高頻勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁可以解決漿液測(cè)量的原因。

2、流體摩擦襯里和電極，流體中發(fā)生的正、負(fù)離子從電解質(zhì)流體中分離。

   流量計(jì)襯里和電極表面越粗糙，游離的離子濃度就越高。受電極信號(hào)電場(chǎng)的作用，一部分離子會(huì)向電極移動(dòng)，形成噪聲電壓，這種噪聲被稱為流動(dòng)噪聲。流動(dòng)噪聲在低電導(dǎo)率測(cè)量時(shí)表現(xiàn)比較突出。流動(dòng)噪聲與外電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，高流速時(shí)感應(yīng)信號(hào)越大，噪聲幅度也越大，輸出就會(huì)很不穩(wěn)定。

3、流體電導(dǎo)率和pH值的急劇變化也會(huì)形成流動(dòng)噪聲。

    在電磁流量計(jì)上游加藥表現(xiàn)的測(cè)量不穩(wěn)定就是典型例子。原因是不同介質(zhì)在不均勻混合時(shí)，流體中容易分離出正、負(fù)離子，受電極信號(hào)電場(chǎng)的作用，一部分離子會(huì)向電極移動(dòng)，形成了流動(dòng)噪聲電壓，造成輸出的不穩(wěn)定。

4、由于高流速流動(dòng)流體靠近襯里和電極部位的層流邊界層厚度變得很薄。

    襯里和電極的粗糙度高度突破了流速層流邊界層的厚度，流體撞擊這部分粗糙度高度，發(fā)生流速發(fā)散和突變。有一部分與測(cè)量管中心軸方向相同（或相反）的流速分量，受信號(hào)權(quán)重函數(shù)的作用，對(duì)電極信號(hào)產(chǎn)生了很大影響，形成了大的正誤差，這就是高端流速噪聲。

    上述流體噪聲中的流動(dòng)噪聲和高端流速噪聲與測(cè)量管的襯里和電極表面粗糙度直接有關(guān)，極化電壓產(chǎn)生的漿液噪聲與電極表面粗糙度也有很大關(guān)系。下面就介紹一下襯里和電極的表面粗糙度對(duì)流體噪聲的影響。

二、襯里和電極的表面粗糙度對(duì)流體噪聲的影響

    流體噪聲的高低與襯里和電極表面的粗糙度有關(guān)。無論對(duì)漿液噪聲、流動(dòng)噪聲和流速高端噪聲這種關(guān)系都很密切。很明顯，粗糙的襯里和電極表面會(huì)加大對(duì)流體的摩擦力，容易引起流體中離子分離的加劇，給流動(dòng)噪聲產(chǎn)生創(chuàng)造條件。光滑的襯里和電極表面能夠讓流體順滑流過，減小流體與襯里和電極的摩擦力，因此離子分離的機(jī)會(huì)將大大減少，流動(dòng)噪聲也將減小?？梢韵胂罅黧w流動(dòng)速度加快，襯里和電極對(duì)流體的摩擦力也會(huì)加大，流體中離子分離同樣會(huì)加劇。再加上流體流速的加快，感應(yīng)電勢(shì)增大，電場(chǎng)對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的作用力增大，因此流動(dòng)噪聲要增大。所以，在有流動(dòng)噪聲的情況下流量計(jì)使用流速不宜過高。

     曾經(jīng)有學(xué)著和專家們討論過高雷諾數(shù)（即高流速）下電磁流量計(jì)測(cè)量管粗糙度對(duì)測(cè)量的影響。不銹鋼網(wǎng)的PFA襯里由于粗糙度最低，剛度好，試驗(yàn)條件下未出現(xiàn)高端流速噪聲形成誤差；橡膠襯里的粗糙度最高，出現(xiàn)高端流速噪聲誤差組最早；聚氨酯襯里盡管出現(xiàn)高端流速噪聲晚一些，但由于其強(qiáng)度不高，產(chǎn)生的誤差幅度最大。這說明襯里和電極粗糙度是產(chǎn)生高端流速噪聲的重要原因。

    對(duì)于漿液噪聲，由于電極表面覆蓋的一層鈍化膜僅有約1nm厚，如果電極本身粗糙度較高，表面高低不平，鈍化膜就很難達(dá)到致密和厚薄均勻，這將對(duì)膜的穩(wěn)定性受到影響，進(jìn)而也會(huì)影響到膜的保持和修復(fù)。流體和電極的電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)不斷進(jìn)行，就難以做到穩(wěn)定的測(cè)量漿液流體。也就是說，電極表面的粗糙度高低，也直接影響到漿液噪聲的產(chǎn)生與消除。   

    對(duì)于用于食品工業(yè)生產(chǎn)過程流量測(cè)量用的衛(wèi)生型電磁流量計(jì)來說，PTFE或PFA氟塑料襯里是最常用的，由于食品的電導(dǎo)率一般較低而且粘度較高，測(cè)量時(shí)出現(xiàn)流動(dòng)噪聲的可能性很高。這里，金屬管起接液環(huán)作用，用來把測(cè)量流體電連接為信號(hào)的基準(zhǔn)參考電位。接液環(huán)（接液電極或流量計(jì)上、下游連接金屬管道）如同電極，同樣受到被測(cè)流體的電化學(xué)作用產(chǎn)生流體噪聲，所以也需要受到高度重視，減小粗糙度高度。

    日本橫河公司2009年研究開發(fā)的雙頻兩線制電磁流量計(jì)，把降低襯里和電極的粗糙度，完善電極鈍化膜作為提高傳感器信噪比的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)襯里和電極粗糙度提出了Ra在 0.05～0.15μm范圍的鏡面要求。這一措施使得傳感器感應(yīng)信號(hào)和傳感器的信噪比提高1倍以上，因此在大幅度降低勵(lì)磁電流的情況下，兩線制雙頻勵(lì)磁電磁流量計(jì)能夠得到與四線制具有同樣優(yōu)良的測(cè)量精度。

    從法拉第1832年首次應(yīng)用地磁場(chǎng)和電磁感應(yīng)方法測(cè)量泰晤士河流速的失敗，到廣泛地應(yīng)用電磁流量計(jì)測(cè)量導(dǎo)電液體流量的今天，流體噪聲一直是電磁流量計(jì)要解決的重要技術(shù)問題之一。尤其在進(jìn)入低頻矩形波勵(lì)磁時(shí)代以來，流體噪聲的影響表現(xiàn)得更為突出。往往有些新裝配的流量計(jì)受電極極化的影響，輸出擺動(dòng)需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡才能消除。流體噪聲的大小直接影響到流量計(jì)測(cè)量的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性。因此，研究流體噪聲，探討其產(chǎn)生的原因，找出降低流體噪聲的方法，提高傳感器信噪比，特別是對(duì)微弱勵(lì)磁電流（電磁水表、兩線制電磁流量計(jì)）的發(fā)展和低流速（0.1m/s以下）及高流速（15m/s以上）流量測(cè)量范圍的擴(kuò)展具有重大意義。