污水流量計(jì)襯里電極的表面粗糙度對(duì)噪聲的影響
點(diǎn)擊次數(shù)：2832 發(fā)布時(shí)間：2020-08-10 07:35:26
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(wú)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(guò)，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。可以想象流體流動(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(guò)高。
參考文獻(xiàn)曾經(jīng)討論過(guò)高雷諾數(shù)（即高流速）下污水流量計(jì)測(cè)量管粗糙度對(duì)測(cè)量的影響，圖5所示出不同襯里材料（主要表面粗糙度不同）的誤差差別。可以看出，橫河加不銹鋼網(wǎng)的PFA襯里由于粗糙度*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*高，出現(xiàn)高端流速噪聲誤差組*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*大。這說(shuō)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(shuō)，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。
污水流量計(jì)生產(chǎn)廠商E+H公司的流量測(cè)量手冊(cè)一書(shū)，它是用于食品工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程流量測(cè)量用PTFE或PFA氟塑料襯里電 磁流量計(jì)的剖視圖。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。可以看到，E+H公司的襯里和電極粗糙度要求為Ra0.3，入口和出口連接金屬管的粗糙度要求為Ra0.8。Ra0.3和Ra0.8分別表示絕對(duì)粗糙度的平均高度為0.3μm和0.8μm。Ra0.3已經(jīng)是由機(jī)械研磨或電解拋光到達(dá)的鏡面粗糙度等級(jí)。這里，金屬管起接液環(huán)作用，用來(lái)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(kāi)發(fā)的雙頻兩線制污水流量計(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)磁污水流量計(jì)能夠得到與四線制具有同樣優(yōu)良的測(cè)量精度。
襯里和電極加工工藝方法討論
1 襯里
為滿足測(cè)量管粗糙度要求，需要根據(jù)流體種類選用優(yōu)良的襯里材料。對(duì)不同的襯里材料更需要采用優(yōu)良的加工工藝方法。目前常用的襯里材料有：氯丁橡膠、EPDM橡膠、聚氨酯、氟塑料PTFE和PFA。這里簡(jiǎn)述不同襯里的工藝要點(diǎn)，提請(qǐng)流量計(jì)制造者參考。
氯丁橡膠適于DN300以上大口徑傳感器，多用于測(cè)量水、污水、弱酸、弱堿介質(zhì)流體。一般直接用膠片粘接貼附在不銹鋼導(dǎo)管內(nèi)壁，通過(guò)硫化制成。這種工藝，橡膠襯里的表面粗糙度一般比較高，操作時(shí)應(yīng)特別注意搭接縫處的平整，但相對(duì)粗糙度要低。用于小口徑的氯丁橡膠和EPDM橡膠襯里，則*好使用模具加壓，貼附在導(dǎo)管內(nèi)壁然后硫化，降低襯里表面粗糙度取決于模具芯棒的表面粗糙度和加壓及硫化工藝。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)聚氨酯襯里多使用的是軟質(zhì)材料，采用澆灌的工藝辦法，襯里粗糙度不僅取決于芯棒模具表面粗糙度，也會(huì)受到澆灌、排氣、加熱、冷卻和材料成分、比例的影響。國(guó)外硬質(zhì)聚氨酯多采用聚氨基甲酸乙脂橡膠，其成形的重要工藝要點(diǎn)是，除去注入過(guò)程中卷入的氣泡、使化學(xué)反應(yīng)（硬化、交聯(lián)）得以穩(wěn)定進(jìn)行；采用離心澆注的工藝方法：保證原料在保管時(shí)處于干燥狀態(tài)，均勻、順滑地對(duì)原料進(jìn)行混合、攪拌，為除去卷入原料的氣泡，設(shè)定適當(dāng)導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)速度，良好地控制原料處理、硬化、交聯(lián)的溫度。
要求粗糙度低的襯里材料應(yīng)使用氟塑料。用于配管、罐等容器的PTFE氟塑料襯里，通常是在金屬管內(nèi)襯入一個(gè)薄壁聚四氟乙烯管，或者是采用將聚四氟乙烯管插入，然后進(jìn)行粘接的工藝方法。這種襯里主要的缺點(diǎn)是耐負(fù)壓不高，受溫度影響大，粘接往往不可靠。對(duì)于污水流量計(jì)，優(yōu)良的氟塑料襯里是PFA。PFA主要采用的辦法是注入熔融樹(shù)脂，而后注塑（射出注塑法）。采用射出注塑法，屬無(wú)接縫一體成形。PFA襯里的品質(zhì)具有良好的耐化學(xué)藥品性、耐熱性、耐附著性（表面光潔度）。尤其是在耐化學(xué)藥品性、耐熱性方面，運(yùn)用獨(dú)特的制造技術(shù)，可減少內(nèi)部應(yīng)力與內(nèi)在氣泡，以避免產(chǎn)生裂紋，這樣使流量計(jì)用在嚴(yán)酷的環(huán)境下時(shí)，仍具有很高的可靠性。為此，在PFA襯里制造過(guò)程中，重要的管理點(diǎn)是對(duì)注塑溫度（樹(shù)脂粘度、金屬模具溫度）、金屬模具的冷卻控制（冷卻時(shí)間、溫度）、樹(shù)脂的壓力控制。注塑溫度設(shè)定要盡可能低，以減少PFA樹(shù)脂的熱劣化。注塑中，金屬模具的溫度要均勻地保持大于樹(shù)脂熔點(diǎn)。由于需要進(jìn)行高精度冷卻控制，故應(yīng)在金屬模具中設(shè)置多個(gè)冷卻回路，并進(jìn)行相互獨(dú)立的冷卻控制操作。在進(jìn)行冷卻控制的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)樹(shù)脂壓力進(jìn)行控制。
2 電極
電極處理包括拋光和鈍化工藝。拋光有三種方法，機(jī)械拋光是不銹鋼拋光的三種拋光（即機(jī)械拋光，化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光）的*一道工序。接下來(lái)兩者相結(jié)合，如機(jī)械拋光—化學(xué)拋光或機(jī)械拋光—電化學(xué)拋光。機(jī)械拋光用于初級(jí)拋光，將電極表面凹凸的不平度加工到一定的粗糙度，然后再進(jìn)行化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光。化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光可以除去電極表面微觀不平度，從而提高到鏡面光亮，同時(shí)可以完成拋光和鈍化兩道工藝的目的，增加表面了鉻含量，形成良好的鈍化層。對(duì)于毛坯表面由于存在宏觀不平度，要先用機(jī)械拋光方法達(dá)到Ra≤0.8µm的粗糙度，再用化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光方法提升到Ra=0.05µm 以上的粗糙度，才能獲取*后的光亮度，鏡面光澤和良好的鈍化層。
經(jīng)過(guò)拋光和鈍化處理的電極能夠形成穩(wěn)定的鈍化層。但在儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配時(shí)，一定要注意保持表面鈍化層不被破壞。與污水流量計(jì)傳感器傳統(tǒng)地、簡(jiǎn)單地采用在水中浸泡（有時(shí)這種方法需要****時(shí)間），自然形成鈍化層生產(chǎn)方式相比，經(jīng)過(guò)拋光和鈍化工藝處理的電極，能夠獲得穩(wěn)定抗腐蝕性能的電極，相當(dāng)高地提高了生產(chǎn)效率，是一種先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。
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流體噪聲的高低與襯里和電極表面的粗糙度有關(guān)。無(wú)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(guò)，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。可以想象流體流動(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(guò)高。
參考文獻(xiàn)曾經(jīng)討論過(guò)高雷諾數(shù)（即高流速）下污水流量計(jì)測(cè)量管粗糙度對(duì)測(cè)量的影響，圖5所示出不同襯里材料（主要表面粗糙度不同）的誤差差別。可以看出，橫河加不銹鋼網(wǎng)的PFA襯里由于粗糙度*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*高，出現(xiàn)高端流速噪聲誤差組*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*大。這說(shuō)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(shuō)，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。
污水流量計(jì)生產(chǎn)廠商E+H公司的流量測(cè)量手冊(cè)一書(shū)，它是用于食品工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程流量測(cè)量用PTFE或PFA氟塑料襯里電 磁流量計(jì)的剖視圖。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。可以看到，E+H公司的襯里和電極粗糙度要求為Ra0.3，入口和出口連接金屬管的粗糙度要求為Ra0.8。Ra0.3和Ra0.8分別表示絕對(duì)粗糙度的平均高度為0.3μm和0.8μm。Ra0.3已經(jīng)是由機(jī)械研磨或電解拋光到達(dá)的鏡面粗糙度等級(jí)。這里，金屬管起接液環(huán)作用，用來(lái)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(kāi)發(fā)的雙頻兩線制污水流量計(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)磁污水流量計(jì)能夠得到與四線制具有同樣優(yōu)良的測(cè)量精度。
襯里和電極加工工藝方法討論
1 襯里
為滿足測(cè)量管粗糙度要求，需要根據(jù)流體種類選用優(yōu)良的襯里材料。對(duì)不同的襯里材料更需要采用優(yōu)良的加工工藝方法。目前常用的襯里材料有：氯丁橡膠、EPDM橡膠、聚氨酯、氟塑料PTFE和PFA。這里簡(jiǎn)述不同襯里的工藝要點(diǎn)，提請(qǐng)流量計(jì)制造者參考。
氯丁橡膠適于DN300以上大口徑傳感器，多用于測(cè)量水、污水、弱酸、弱堿介質(zhì)流體。一般直接用膠片粘接貼附在不銹鋼導(dǎo)管內(nèi)壁，通過(guò)硫化制成。這種工藝，橡膠襯里的表面粗糙度一般比較高，操作時(shí)應(yīng)特別注意搭接縫處的平整，但相對(duì)粗糙度要低。用于小口徑的氯丁橡膠和EPDM橡膠襯里，則*好使用模具加壓，貼附在導(dǎo)管內(nèi)壁然后硫化，降低襯里表面粗糙度取決于模具芯棒的表面粗糙度和加壓及硫化工藝。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)聚氨酯襯里多使用的是軟質(zhì)材料，采用澆灌的工藝辦法，襯里粗糙度不僅取決于芯棒模具表面粗糙度，也會(huì)受到澆灌、排氣、加熱、冷卻和材料成分、比例的影響。國(guó)外硬質(zhì)聚氨酯多采用聚氨基甲酸乙脂橡膠，其成形的重要工藝要點(diǎn)是，除去注入過(guò)程中卷入的氣泡、使化學(xué)反應(yīng)（硬化、交聯(lián)）得以穩(wěn)定進(jìn)行；采用離心澆注的工藝方法：保證原料在保管時(shí)處于干燥狀態(tài)，均勻、順滑地對(duì)原料進(jìn)行混合、攪拌，為除去卷入原料的氣泡，設(shè)定適當(dāng)導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)速度，良好地控制原料處理、硬化、交聯(lián)的溫度。
要求粗糙度低的襯里材料應(yīng)使用氟塑料。用于配管、罐等容器的PTFE氟塑料襯里，通常是在金屬管內(nèi)襯入一個(gè)薄壁聚四氟乙烯管，或者是采用將聚四氟乙烯管插入，然后進(jìn)行粘接的工藝方法。這種襯里主要的缺點(diǎn)是耐負(fù)壓不高，受溫度影響大，粘接往往不可靠。對(duì)于污水流量計(jì)，優(yōu)良的氟塑料襯里是PFA。PFA主要采用的辦法是注入熔融樹(shù)脂，而后注塑（射出注塑法）。采用射出注塑法，屬無(wú)接縫一體成形。PFA襯里的品質(zhì)具有良好的耐化學(xué)藥品性、耐熱性、耐附著性（表面光潔度）。尤其是在耐化學(xué)藥品性、耐熱性方面，運(yùn)用獨(dú)特的制造技術(shù)，可減少內(nèi)部應(yīng)力與內(nèi)在氣泡，以避免產(chǎn)生裂紋，這樣使流量計(jì)用在嚴(yán)酷的環(huán)境下時(shí)，仍具有很高的可靠性。為此，在PFA襯里制造過(guò)程中，重要的管理點(diǎn)是對(duì)注塑溫度（樹(shù)脂粘度、金屬模具溫度）、金屬模具的冷卻控制（冷卻時(shí)間、溫度）、樹(shù)脂的壓力控制。注塑溫度設(shè)定要盡可能低，以減少PFA樹(shù)脂的熱劣化。注塑中，金屬模具的溫度要均勻地保持大于樹(shù)脂熔點(diǎn)。由于需要進(jìn)行高精度冷卻控制，故應(yīng)在金屬模具中設(shè)置多個(gè)冷卻回路，并進(jìn)行相互獨(dú)立的冷卻控制操作。在進(jìn)行冷卻控制的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)樹(shù)脂壓力進(jìn)行控制。
2 電極
電極處理包括拋光和鈍化工藝。拋光有三種方法，機(jī)械拋光是不銹鋼拋光的三種拋光（即機(jī)械拋光，化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光）的*一道工序。接下來(lái)兩者相結(jié)合，如機(jī)械拋光—化學(xué)拋光或機(jī)械拋光—電化學(xué)拋光。機(jī)械拋光用于初級(jí)拋光，將電極表面凹凸的不平度加工到一定的粗糙度，然后再進(jìn)行化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光。化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光可以除去電極表面微觀不平度，從而提高到鏡面光亮，同時(shí)可以完成拋光和鈍化兩道工藝的目的，增加表面了鉻含量，形成良好的鈍化層。對(duì)于毛坯表面由于存在宏觀不平度，要先用機(jī)械拋光方法達(dá)到Ra≤0.8µm的粗糙度，再用化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光方法提升到Ra=0.05µm 以上的粗糙度，才能獲取*后的光亮度，鏡面光澤和良好的鈍化層。
經(jīng)過(guò)拋光和鈍化處理的電極能夠形成穩(wěn)定的鈍化層。但在儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配時(shí)，一定要注意保持表面鈍化層不被破壞。與污水流量計(jì)傳感器傳統(tǒng)地、簡(jiǎn)單地采用在水中浸泡（有時(shí)這種方法需要****時(shí)間），自然形成鈍化層生產(chǎn)方式相比，經(jīng)過(guò)拋光和鈍化工藝處理的電極，能夠獲得穩(wěn)定抗腐蝕性能的電極，相當(dāng)高地提高了生產(chǎn)效率，是一種先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。
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