0 引(yin)言
自法拉(la)第1832年進行(hang)的利用地(di)磁測量泰(tai)晤士河流(liu)速試驗,到(dao)1950年
工業電(dian)磁流量計(ji)
産品問世(shi),随着電子(zi)技術和計(ji)算機技術(shu)的飛速發(fa)展,電磁流(liu)量計
日趨(qu)成熟和完(wan)善,已經成(cheng)爲流量儀(yi)表中重要(yao)的和🌂受歡(huan)迎的品種(zhong)之一。
當年(nian)法拉第進(jin)行電磁流(liu)量計實驗(yan),僅三天就(jiu)以失敗告(gao)終。究其原(yuan)因之一是(shi)直流信号(hao)中包含有(you)漂移的直(zhi)流極⁉️化電(dian)壓,其值難(nan)以和信号(hao)分辨。盡管(guan)後來❓的電(dian)磁流量計(ji)👌經曆了交(jiao)流勵磁、低(di)頻矩形波(bo)勵磁🔅等技(ji)術進步與(yu)發展🥰,對于(yu)電磁感應(ying)引起的正(zheng)交幹💛擾、同(tong)相幹擾和(he)由于靜電(dian)感應引起(qi)的串模幹(gan)擾、共🤩模幹(gan)擾以及漿(jiang)🏒液對測量(liang)電極摩擦(ca)出現的尖(jian)狀幹💁擾所(suo)造成的零(ling)點不穩定(ding)與測量輸(shu)✂️出擺動等(deng)問題非常(chang)有效地給(gei)予解🐇決。但(dan)是,對于測(ce)量電🥰解質(zhi)流體㊙️,接地(di)(接液)部件(jian)與測量電(dian)極間産生(sheng)漂移的直(zhi)👨❤️👨流極化電(dian)壓依然存(cun)在,仍然會(hui)🌏影響到流(liu)量信🔴号的(de)基準🌏點穩(wen)定與否🈚,進(jin)而影響輸(shu)🈚出信号的(de)穩定性與(yu)可靠性。因(yin)而,對于流(liu)量信号的(de)基準有必(bi)要予以正(zheng)确認識,并(bing)采取✔️有效(xiao)解決措施(shi)。
由電學知(zhi)識可知,對(dui)作爲電動(dong)勢的電磁(ci)流量信号(hao)測量,重要(yao)的🆚是需要(yao)有一個穩(wen)定的電位(wei)差基準點(dian),也就是信(xin)号要良好(hao)接地。過去(qu)一些人往(wang)往隻追求(qiu)接地電阻(zu)盡量小,以(yi)爲這樣就(jiu)能夠得到(dao)穩定的流(liu)🌂量信号。其(qi)實不然,導(dao)電流體介(jie)質作爲信(xin)号的基準(zhun)點更爲重(zhong)要🌈。
從多年(nian)研究、應用(yong)電磁流量(liang)計的經驗(yan)出發,對現(xian)場遇到✔️的(de)這🥰類實際(ji)測量問題(ti)進行分析(xi),力圖認識(shi)導電流♉體(ti)作爲信🔱号(hao)的基準點(dian)的重要性(xing),并提供基(ji)準點接液(ye)💁的方法,供(gong)參考。
1 導電(dian)流體是流(liu)量信号電(dian)壓的基準(zhun)電位點
衆(zhong)所周知,對(dui)一個電壓(ya)信号,總有(you)一個基準(zhun)的“地”點和(he)一✉️個💋變化(hua)的“信号”端(duan)點,以構成(cheng)電位差。初(chu)期的電磁(ci)流量傳感(gan)器曾把一(yi)個測量電(dian)極作爲信(xin)号的“地”點(dian),另一♻️個測(ce)量電極作(zuo)🏒爲“信号👨❤️👨”點(dian)。這種信号(hao)傳輸稱爲(wei)“單端信号(hao)”,同其他電(dian)壓信号一(yi)樣,用圖1a可(ke)以說明。單(dan)端信号的(de)放大是把(ba)直流和交(jiao)流的各種(zhong)幹擾電⛱️壓(ya)和信号叠(die)加在一起(qi)同時輸入(ru)到放大器(qi)輸入端子(zi)。通常,我們(men)稱這些幹(gan)擾爲串模(mo)幹擾、正态(tai)幹擾或⭐橫(heng)向幹擾等(deng)。放大器很(hen)難把幹擾(rao)從信🌈号中(zhong)分開,這些(xie)幹擾信号(hao)往往幅度(du)很大,遠大(da)于毫伏級(ji)或微伏級(ji)的流量信(xin)号。于是,這(zhe)些幹擾就(jiu)造成了🆚放(fang)大信号的(de)失真,使得(de)✌️放大器飽(bao)和🈚、堵🈲塞,以(yi)至于不能(neng)工作。
現代(dai)電磁流量(liang)計的流量(liang)信号都是(shi)以差動形(xing)式由傳感(gan)✉️器傳輸到(dao)轉換放大(da)器的。如同(tong)其它差動(dong)電壓測量(liang)♻️,拾取電磁(ci)流量信号(hao)的兩個電(dian)極都不直(zhi)接接轉換(huan)放大器的(de)信号“地”,而(er)是把🥵“零電(dian)阻”的流體(ti)介質接到(dao)轉換🛀放大(da)器的信号(hao)“地”端❤️子上(shang)。圖1b所示是(shi)這種差動(dong)流量信号(hao)的等效電(dian)路。進入差(cha)動🔱信号放(fang)大器✔️兩信(xin)号端子的(de)信号對“地(di)”端子是幅(fu)度大小相(xiang)等、極性相(xiang)反,差動放(fang)大🧑🏾🤝🧑🏼器放大(da)的是兩電(dian)極信号端(duan)子的差值(zhi)。因此,對流(liu)量信号而(er)言,差動放(fang)大器呈放(fang)大狀态。然(ran)而,對幅度(du)大小相等(deng)、極性⁉️相同(tong)的共模幹(gan)擾,進入差(cha)動放大器(qi)差值幾乎(hu)♋爲零,輸出(chu)也就幾乎(hu)爲零。差動(dong)放大器對(dui)共模幹擾(rao)✌️呈衰減狀(zhuang)态。盡管由(you)于接地回(hui)路的地電(dian)流、極化電(dian)壓、勵磁電(dian)源與電極(ji)間的㊙️靜電(dian)耦合✌️等原(yuan)因,在差動(dong)流量信号(hao)中含有共(gong)模幹擾時(shi),隻要電壓(ya)放大器的(de)參數對稱(cheng),除非共模(mo)幹擾能夠(gou)轉化爲一(yi)定的串模(mo)幹擾,這些(xie)幹擾是不(bu)會影✨響信(xin)号放大的(de)。事實上,随(sui)着集成運(yun)放電🏃🏻路制(zhi)造技術的(de)發展,器件(jian)的共模抑(yi)制比越來(lai)越高,如果(guo)再采🚩用電(dian)源浮動電(dian)路等措施(shi),共模抑制(zhi)比❤️會更高(gao),測量的精(jing)度也就越(yue)來越高。
導(dao)電流體介(jie)質作爲信(xin)号的基準(zhun)點能夠把(ba)流量信号(hao)分🍉成差分(fen)的差動狀(zhuang)态,并且一(yi)再強調測(ce)量流體必(bi)需可靠地(di)接信号轉(zhuan)換放大器(qi)的接地端(duan)子。這是因(yin)爲差動信(xin)号的基準(zhun)點的變動(dong)會使原本(ben)電壓幅☔度(du)大小相㊙️等(deng)、極性相同(tong)的共模幹(gan)擾,變成幅(fu)度不等的(de)差模幹擾(rao)電壓,也就(jiu)是轉化爲(wei)串模幹擾(rao)。如前面🆚所(suo)述,這時的(de)差動放大(da)器對于抑(yi)制串模幹(gan)擾也就無(wu)能爲力了(le)。
2 可靠的信(xin)号基準與(yu)正确接地(di)
這裏再次(ci)強調,把被(bei)測量的液(ye)體導電介(jie)質視爲零(ling)電阻🐅,然後(hou)作爲差動(dong)流量信号(hao)的基準點(dian)。理論上講(jiang),基準點值(zhi)越小✂️越好(hao),越小其電(dian)阻值越接(jie)近于零,差(cha)動信号幅(fu)值分的就(jiu)越🐕相等。這(zhe)🆚就是說,被(bei)測導電流(liu)🙇♀️體應是在(zai)大面積的(de)🐪容器内,或(huo)者處在長(zhang)管線的管(guan)道中。在文(wen)獻[1]中已作(zuo)分析,流體(ti)的體電阻(zu)Rt可由電阻(zu)🔴率公式求(qiu)得:
這裏,導(dao)體長度是(shi)測量管道(dao)的内徑D,導(dao)體材料電(dian)阻率是電(dian)導率σ的倒(dao)數,管道長(zhang)度記作l。一(yi)般來說,液(ye)體輸送管(guan)道💛都與大(da)地相連。這(zhe)種假設流(liu)體的體電(dian)阻爲零的(de)要求,比較(jiao)容易做到(dao)。但在一些(xie)模拟試驗(yan)時,利用一(yi)桶水、一盆(pen)水,不一定(ding)能滿足這(zhe)一要求。
有(you)了導電液(ye)體作爲信(xin)号的基準(zhun),還必須用(yong)正确方✂️法(fa)把這🐆一基(ji)🍉準引到差(cha)動信号接(jie)線端子的(de)中點。實際(ji)應用中🤞,采(cai)用♈以下幾(ji)種方法将(jiang)測量流體(ti)介質作爲(wei)電磁流量(liang)計的信号(hao)基準點引(yin)出:
①流量傳(chuan)感器安裝(zhuang)在前後是(shi)金屬管道(dao)的管道中(zhong),這時導電(dian)流體可以(yi)通過流量(liang)傳感器前(qian)後的金屬(shu)管道與之(zhi)電連接,然(ran)後🚩用導線(xian)把前後管(guan)道與傳感(gan)器㊙️的接地(di)端子電連(lian)接起來。有(you)時候,這種(zhong)情況不一(yi)定完全能(neng)使傳感器(qi)與前後管(guan)道電連接(jie)良✔️好,因爲(wei)傳感器的(de)絕緣襯裏(li)及絕緣墊(nian)圈有可能(neng)仍然電隔(ge)離了傳感(gan)器與前後(hou)管道,這時(shi)需要用金(jin)屬導線将(jiang)前後管道(dao)與⛹🏻♀️傳感器(qi)✔️連接起來(lai)。
②在傳感器(qi)前後管道(dao)是非金屬(shu)或者金屬(shu)管道内壁(bi)襯有絕緣(yuan)襯裏的情(qing)況下,應用(yong)傳感器前(qian)後法蘭連(lian)有金屬接(jie)地環的流(liu)量計。導電(dian)流體依靠(kao)金屬接地(di)環(比較确(que)切地♉應稱(cheng)作🏒接液環(huan))與之連接(jie)。然後,用接(jie)地環與傳(chuan)感器信号(hao)💔地相連接(jie),對于被測(ce)💚流體電導(dao)率比較低(di)的✔️情況,由(you)于液體的(de)體電阻比(bi)較大,這時(shi)可以采用(yong)導電金屬(shu)短管代替(ti)接地環。
③有(you)些情況,譬(pi)如強腐蝕(shi)液體的測(ce)量,爲了節(jie)約昂貴的(de)金屬材料(liao),可以用接(jie)地(接液)電(dian)極的方法(fa)來連接基(ji)準到傳☔感(gan)器接地點(dian)。因⭕爲,這種(zhong)方式往往(wang)測量腐蝕(shi)液體的電(dian)導❗率比較(jiao)高,液體的(de)體電阻非(fei)常小,所以(yi)用一個🔴點(dian)電極來連(lian)接就行了(le)。
當然,在實(shi)際應用中(zhong),除了流體(ti)作爲信号(hao)基準接地(di)外,還要注(zhu)意到前後(hou)管道是金(jin)屬管道情(qing)況,前後管(guan)道應當與(yu)傳感器的(de)電連🔞接良(liang)好。這是因(yin)爲金屬管(guan)道中往🏃♀️往(wang)有地電流(liu)、雜🌏散電流(liu)、三相不平(ping)衡電流,這(zhe)些電流會(hui)👉在與傳感(gan)器測量管(guan)沒有良好(hao)電連接的(de)兩端管道(dao)中形成大(da)的電壓降(jiang),構成了大(da)的共模電(dian)💰壓,然後通(tong)過接地電(dian)阻加到信(xin)号電極上(shang)影響測量(liang)。還要注意(yi)🚶到,前後金(jin)屬管道爲(wei)防腐蝕的(de)目的或電(dian)解廢水測(ce)量時,可能(neng)通有陰極(ji)保護電流(liu)和大的直(zhi)流電流在(zai)⁉️管道中流(liu)過,這時前(qian)後應用低(di)電阻的大(da)🈚面積銅闆(pan)把前後金(jin)屬管道連(lian)接起來,使(shi)大電流由(you)✊銅闆旁路(lu)流🛀過,在傳(chuan)感器測量(liang)管上不形(xing)成大的壓(ya)降。
至于接(jie)地電阻,隻(zhi)要将傳感(gan)器、前後金(jin)屬管道、接(jie)地環按一(yi)點接😍地法(fa)的原則接(jie)大地,接地(di)電阻大小(xiao)要求并💁不(bu)嚴格。一般(ban)情況下,接(jie)地電阻在(zai)100Ω以下就可(ke)以,有防爆(bao)🌈要求應小(xiao)于10Ω。
3 直流噪(zao)聲
3.1 流體中(zhong)的極化電(dian)壓
我們知(zhi)道,電極埋(mai)在電解質(zhi)的液體中(zhong)将發生正(zheng)負離子的(de)定向移動(dong),在電極與(yu)流體介質(zhi)間會形成(cheng)一定的電(dian)場。這就是(shi)平常所說(shuo)的極化現(xian)象。這個現(xian)象可以通(tong)過一個💛實(shi)驗觀📞察。當(dang)用毫伏電(dian)壓表(數字(zi)式❓萬用表(biao)的電壓檔(dang))的試筆插(cha)入一杯水(shui)中,電壓表(biao)能讀出電(dian)壓值🧑🏾🤝🧑🏼。這是(shi)因爲電壓(ya)表試筆的(de)材質有差(cha)别💋,試筆上(shang)形成的極(ji)化電位不(bu)同,因而形(xing)成了電♌位(wei)差。電極與(yu)接地環(金(jin)屬管道⛱️、接(jie)地電極)材(cai)質不同,形(xing)成‼️的極化(hua)電壓大小(xiao)和方向将(jiang)不同。極化(hua)電壓是漂(piao)移🈚的直流(liu)電壓。圖2所(suo)示測量電(dian)極🌈、金屬管(guan)道(或者接(jie)地環、接地(di)電極)對流(liu)體(視爲0Ψ的(de)電阻)的電(dian)壓✂️分别爲(wei)e1,e2和e3。可以看(kan)出,e3是共模(mo)電壓,它們(men)✌️分别與差(cha)動的流量(liang)信☎️号e1和e2叠(die)加,進入轉(zhuan)換器的差(cha)動放大器(qi)。過大的極(ji)化電壓(例(li)如下面我(wo)們分析的(de)情況可能(neng)高達幾百(bai)mV)直接進入(ru)差動放大(da)器📞往往把(ba)放大器阻(zu)塞,流量信(xin)号❗不能放(fang)大。即使能(neng)放大,由于(yu)叠加的共(gong)模電壓是(shi)漂移變動(dong)的,因此流(liu)量信号🎯的(de)輸出擺動(dong)也很大。這(zhe)樣說來,如(ru)何降低極(ji)化電壓非(fei)常重要。
任何金屬(shu)浸入一種(zhong)電解溶液(ye)時,其帶電(dian)的正離子(zi)趨🌏向📞于溶(rong)解而金屬(shu)本身則保(bao)持負電荷(he),這就形成(cheng)了一定電(dian)位的電極(ji)🌈。這種電極(ji)在介質中(zhong)形成一個(ge)電位差,産(chan)生電流,使(shi)電極繼續(xu)溶解,即繼(ji)續腐蝕。這(zhe)就是電化(hua)🈚學的過程(cheng)。形成的電(dian)極的電位(wei)可用能斯(si)脫方程表(biao)示[2]:
式中:n爲(wei)該金屬的(de)化合價;T爲(wei)絕對溫度(du);R爲理想氣(qi)體的摩📐爾(er)常數,8.31焦耳(er)/摩爾·K;F爲法(fa)拉第常數(shu);C爲金屬離(li)子濃度的(de)常數;c爲溶(rong)液中金✉️屬(shu)離子的活(huo)度。
對于所(suo)研究的離(li)子标準溶(rong)液的電位(wei)稱爲标準(zhun)電位,用🐆E0表(biao)示,于📧是得(de)到金屬在(zai)25℃時電極電(dian)位爲
文獻(xian)[2]列出了相(xiang)對于标準(zhun)氫電極的(de)标準電位(wei)(見表1)。
按金(jin)屬材料學(xue)[3],在一種金(jin)屬中加入(ru)一其它合(he)金材料,能(neng)提高基體(ti)的電極電(dian)位。譬如在(zai)鐵素體中(zhong)溶解11.7%的鉻(ge)時,其電極(ji)電位将由(you)- 0.56V躍升爲+0.20V。加(jia)入大量的(de)鉻或鉻鎳(nie)合金使鋼(gang)能形成單(dan)相的奧氏(shi)體💜組織,以(yi)免形🏃♀️成微(wei)電池,降低(di)直流極化(hua)電壓,從而(er)顯著提高(gao)耐腐蝕性(xing)。
3.2 直流噪聲(sheng)的降低
按(an)上面介紹(shao)金屬材料(liao)的極化電(dian)位,并與圖(tu)2結合起❤️來(lai)🔞可以看出(chu),當在同一(yi)種電解質(zhi)流體中接(jie)觸兩種不(bu)同材質的(de)金🚶♀️屬,它🈲們(men)極化電位(wei)的方向和(he)大小不同(tong)。兩個金屬(shu)電極間的(de)🌈電壓大小(xiao)和極性随(sui)極化電位(wei)的方向和(he)大小而變(bian)。譬如,測量(liang)電極的材(cai)料是含鉻(ge)鎳的不鏽(xiu)鋼,它們對(dui)測量流體(ti)介質的電(dian)位是+ 0.2V;接♋液(ye)的前後管(guan)道是碳鋼(gang),對測量流(liu)體介質的(de)電位是- 0.58V。那(na)麽,由圖2可(ke)以計🐪算,測(ce)量電極對(dui)接液管道(dao)的電壓是(shi)+ 0.78V。如果不使(shi)用前後金(jin)屬管道作(zuo)爲基準點(dian)連接方㊙️式(shi),而使用接(jie)地環,接地(di)環的材料(liao)也使用與(yu)測♋量電極(ji)相同的含(han)鉻鎳的不(bu)鏽鋼,這時(shi)測量電極(ji)對基準㊙️點(dian)的電壓會(hui)變成0V。也就(jiu)是說✂️,降低(di)了直流共(gong)模幹擾。相(xiang)反,如果電(dian)極材料越(yue)貴重,譬如(ru)是钽或鉑(bo),金屬接液(ye)部件的材(cai)料是碳鋼(gang)或不鏽鋼(gang),測量電🈲極(ji)上的直流(liu)噪聲也很(hen)大。
在測量(liang)鹽酸、硫酸(suan)等腐蝕性(xing)很強的介(jie)質時,盡管(guan)測✌️量電極(ji)是钽或鉑(bo)能夠耐強(qiang)酸腐蝕;但(dan)金屬接液(ye)部件的材(cai)質是碳鋼(gang)、不鏽鋼,耐(nai)不了強酸(suan)的腐蝕,直(zhi)流噪聲也(ye)增大,會🔱發(fa)生輸出的(de)大幅度擺(bai)㊙️動。所以,在(zai)重視測量(liang)電極不被(bei)腐🛀🏻蝕的同(tong)時,必須注(zhu)意信号基(ji)準的接液(ye)環的材質(zhi)耐腐蝕。
從(cong)式(2)可以看(kan)到,極化電(dian)位受溫度(du)影響(式中(zhong),T是絕對🆚溫(wen)度)。這說明(ming)直流噪聲(sheng)與溫度有(you)關,是個漂(piao)移量。它的(de)存在将使(shi)流量計發(fa)生漂移和(he)擺動。因此(ci),除了降🏃♂️低(di)極化電壓(ya)外,轉換器(qi)🌏必須能夠(gou)有電💰容進(jin)行直流♉噪(zao)聲隔離,免(mian)于進入放(fang)大器被放(fang)大。
4 結束語(yu)
直流噪聲(sheng)對電磁流(liu)量信号的(de)基準的穩(wen)定性十分(fen)重要🔞。直流(liu)噪聲的成(cheng)因不限于(yu)接液部件(jian)金屬極化(hua)電壓♋(材料(liao)腐蝕),它還(hai)包含地磁(ci)感應電壓(ya)、溫差電勢(shi)、接觸電勢(shi)以及電極(ji)污染等諸(zhu)多方面的(de)原因。這裏(li),我們不多(duo)讨論。
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