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污水流量计衬里电极的表面粗糙度对噪声的影响

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污水流量计衬里电极的表面粗糙度对噪声的影响
点击次数: 发布时间:2018-08-03
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、流动噪声和流速高端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。
参考文献曾经讨论过高雷诺数(即高流速)下污水流量计测量管粗糙度对测量的影响,图5所示出不同衬里材料(主要表面粗糙度不同)的误差差别。可以看出,横河加不锈钢网的PFA衬里由于粗糙度最低,刚度好,试验条件下未出现高端流速噪声形成误差;橡胶衬里的粗糙度最高,出现高端流速噪声误差组最早;聚氨酯衬里尽管出现高端流速噪声晚一些,但由于其强度不高,产生的误差幅度最大。这说明衬里和电极粗糙度是产生高端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。
污水流量计生产厂商E+H公司的流量测量手册一书,它是用于食品工业生产过程流量测量用PTFE或PFA氟塑料衬里电 磁流量计的剖视图。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。可以看到,E+H公司的衬里和电极粗糙度要求为Ra0.3,入口和出口连接金属管的粗糙度要求为Ra0.8。Ra0.3和Ra0.8分别表示绝对粗糙度的平均高度为0.3μm和0.8μm。Ra0.3已经是由机械研磨或电解抛光到达的镜面粗糙度等级。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污水流量计,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,两线制双频励磁污水流量计能够得到与四线制具有同样优良的测量精度。
衬里和电极加工工艺方法讨论
1 衬里
为满足测量管粗糙度要求,需要根据流体种类选用优良的衬里材料。对不同的衬里材料更需要采用优良的加工工艺方法。目前常用的衬里材料有:氯丁橡胶、EPDM橡胶、聚氨酯、氟塑料PTFE和PFA。这里简述不同衬里的工艺要点,提请流量计制造者参考。
氯丁橡胶适于DN300以上大口径传感器,多用于测量水、污水、弱酸、弱碱介质流体。一般直接用胶片粘接貼附在不锈钢导管内壁,通过硫化制成。这种工艺,橡胶衬里的表面粗糙度一般比较高,操作时应特别注意搭接缝处的平整,但相对粗糙度要低。用于小口径的氯丁橡胶和EPDM橡胶衬里,则最好使用模具加压,貼附在导管内壁然后硫化,降低衬里表面粗糙度取决于模具芯棒的表面粗糙度和加压及硫化工艺。
当前,国内聚氨酯衬里多使用的是软质材料,采用浇灌的工艺办法,衬里粗糙度不仅取决于芯棒模具表面粗糙度,也会受到浇灌、排气、加热、冷却和材料成分、比例的影响。国外硬质聚氨酯多采用聚氨基甲酸乙脂橡胶,其成形的重要工艺要点是,除去注入过程中卷入的气泡、使化学反应(硬化、交联)得以稳定进行;采用离心浇注的工艺方法:保证原料在保管时处于干燥状态,均匀、顺滑地对原料进行混合、搅拌,为除去卷入原料的气泡,设定适当导管的旋转速度,良好地控制原料处理、硬化、交联的温度。
要求粗糙度低的衬里材料应使用氟塑料。用于配管、罐等容器的PTFE氟塑料衬里,通常是在金属管内衬入一个薄壁聚四氟乙烯管,或者是采用将聚四氟乙烯管插入,然后进行粘接的工艺方法。这种衬里主要的缺点是耐负压不高,受温度影响大,粘接往往不可靠。对于污水流量计,优良的氟塑料衬里是PFA。PFA主要采用的办法是注入熔融树脂,而后注塑(射出注塑法)。采用射出注塑法,属无接缝一体成形。PFA衬里的品质具有良好的耐化学药品性、耐热性、耐附着性(表面光洁度)。尤其是在耐化学药品性、耐热性方面,运用独特的制造技术,可减少内部应力与内在气泡,以避免产生裂纹,这样使流量计用在严酷的环境下时,仍具有很高的可靠性。为此,在PFA衬里制造过程中,重要的管理点是对注塑温度(树脂粘度、金属模具温度)、金属模具的冷却控制(冷却时间、温度)、树脂的压力控制。注塑温度设定要尽可能低,以减少PFA树脂的热劣化。注塑中,金属模具的温度要均匀地保持大于树脂熔点。由于需要进行高精度冷却控制,故应在金属模具中设置多个冷却回路,并进行相互独立的冷却控制操作。在进行冷却控制的同时,还应对树脂压力进行控制。
2 电极
电极处理包括抛光和钝化工艺。抛光有三种方法,机械抛光是不锈钢抛光的三种抛光(即机械抛光,化学抛光和电化学抛光)的第一道工序。接下来两者相结合,如机械抛光—化学抛光或机械抛光—电化学抛光。机械抛光用于初级抛光,将电极表面凹凸的不平度加工到一定的粗糙度,然后再进行化学抛光或电化学抛光。化学抛光和电化学抛光可以除去电极表面微观不平度,从而提高到镜面光亮,同时可以完成抛光和钝化两道工艺的目的,增加表面了铬含量,形成良好的钝化层。对于毛坯表面由于存在宏观不平度,要先用机械抛光方法达到Ra≤0.8µm的粗糙度,再用化学抛光或电化学抛光方法提升到Ra=0.05µm 以上的粗糙度,才能获取最后的光亮度,镜面光泽和良好的钝化层。
经过抛光和钝化处理的电极能够形成稳定的钝化层。但在储存、转运、装配时,一定要注意保持表面钝化层不被破坏。与污水流量计传感器传统地、简单地采用在水中浸泡(有时这种方法需要几天几夜时间),自然形成钝化层生产方式相比,经过抛光和钝化工艺处理的电极,能够获得稳定抗腐蚀性能的电极,相当高地提高了生产效率,是一种先进的生产工艺。

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