0　引(yin)言
　　自法拉第1832年進(jìn)行的利用地磁測(cè)量泰晤士河流速(sù)試驗,到1950年 工業電(diàn)磁流量計 産品問(wen)世,随着電子技術(shu)和計算機技術的(de)飛速發展,電磁流(liu)量計 日趨成熟和(hé)完善,已經成爲流(liu)量儀表中重要的(de)和受歡迎的品種(zhǒng)之一。
　　當年法拉第(dì)進行電磁流量計(jì)實驗,僅三天就以(yi)失敗告終。究其原(yuán)因之一是直流信(xin)号中包含有漂移(yí)的直流極化電壓(ya),其值難以和信号(hào)分辨。盡管後來的(de)電磁流量計✏️經曆(lì)了交流勵磁、低頻(pín)矩形波勵磁等技(jì)術進步與發展,對(duì)于電磁感應引起(qǐ)的正交幹擾、同相(xiang)幹擾和由于靜電(dian)感應引起的串模(mó)幹擾、共模幹擾以(yǐ)及🐉漿液對測量電(dian)極摩擦出現的尖(jiān)📱狀幹擾所造成⛹🏻‍♀️的(de)零點不穩定與測(cè)量輸出擺動等問(wen)題非常有效地給(gěi)予解決。但是,對于(yu)測量電解質流體(ti),接地(接液)部件與(yǔ)測量電極間産生(sheng)漂移的直♍流極🤩化(huà)電壓依然存在,仍(réng)然會影響到流量(liàng)信号的基準點穩(wěn)定與否,進而影響(xiǎng)輸🤩出信号的穩定(ding)性與可靠性。因而(ér),對于流量信号的(de)基準有必要予以(yi)正确認識,并采取(qǔ)👅有效解決措施。
　　由(you)電學知識可知,對(dui)作爲電動勢的電(dian)磁流量信号💯測量(liàng),重要的是需要有(yǒu)一個穩定的電位(wei)差基準點,也就是(shì)信号要良好接地(di)。過去一些人往往(wang)隻追求🔞接地電阻(zǔ)盡量小,以爲這樣(yang)就能夠得到穩定(ding)的流量信号。其實(shí)不然,導電流體介(jiè)㊙️質作爲信号的基(ji)準點更爲重要。
　　從(cóng)多年研究、應用電(dian)磁流量計的經驗(yan)出發,對現場遇到(dào)的這類⁉️實際測量(liàng)問題進行分析,力(lì)圖認識導電流體(ti)作🌈爲信号的基準(zhǔn)點的重要性,并提(tí)供基準點接液的(de)方法,供參考。
1　導電(dian)流體是流量信号(hào)電壓的基準電位(wei)點
　　衆所周知,對一(yi)個電壓信号,總有(yǒu)一個基準的“地”點(dian)♋和一個變化的“信(xin)号”端點,以構成電(diàn)位差。初期的電💞磁(cí)流量傳感器曾把(bǎ)一個🏃‍♀️測量電極作(zuò)爲信号的“地”點,另(lìng)一個測量電極作(zuo)爲“信号”點。這種信(xin)号傳輸稱㊙️爲“單端(duān)信号”,同其他電壓(ya)信号一樣,用圖1a可(ke)以說明。單端信号(hao)的放大是把直流(liu)和交流的各種幹(gàn)擾電壓和信号叠(dié)加在一起同時輸(shū)入到放大器輸入(rù)端子。通常,我們稱(cheng)這些幹擾爲串模(mó)幹擾、正态幹擾或(huò)☂️橫向幹擾等。放大(da)器㊙️很難把幹擾從(cong)信号中分開,這📱些(xie)幹擾信🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号往往幅(fu)度很大,遠🌐大于毫(hao)伏級或微伏級的(de)流量信号。于是,這(zhè)些幹擾就造成了(le)放大信号❄️的失真(zhēn),使得放大器飽和(hé)💃🏻、堵塞,以至于不能(neng)工作。
　　現代電磁流(liu)量計的流量信号(hào)都是以差動形式(shi)由傳感器傳輸到(dào)轉換放大器的。如(rú)同其它差動電壓(yā)測量,拾取電磁流(liu)量信号的兩個電(dian)極都不直接接轉(zhuǎn)換放大器的信号(hào)“地”,而是把“零電阻(zu)”的流體介質接到(dào)轉換放大器的信(xin)号“地”端✂️子上。圖1b所(suo)✂️示是這種差動流(liú)量信号的等效電(dian)路。進入差動信号(hao)放大器✏️兩信号端(duan)子的🔴信号對“地”端(duān)子✍️是幅度大小相(xiàng)等、極性相反,差動(dòng)放大器放大的是(shi)兩電極信号端子(zǐ)的差值。因此,對流(liú)量信号而言,差動(dòng)放大器呈放大狀(zhuang)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼态。然而,對幅度大(dà)小相等、極性相同(tong)的共模幹擾,進入(rù)差動放大器差值(zhí)幾乎爲零,輸出也(ye)就幾乎爲零。差動(dong)放大器對共模幹(gan)擾呈衰減狀态。盡(jin)管由于接☔地回路(lu)的地電流、極化電(dian)壓、勵磁電源與電(dian)極間的靜電耦合(he)♻️等原因,在差動流(liu)量信号中含有共(gòng)模幹☎️擾時,隻要電(dian)壓放大器的參數(shu)對稱,除非共模幹(gàn)擾⛹🏻‍♀️能夠轉化爲一(yī)定的🌐串模幹擾,這(zhè)些幹擾是不會影(ying)響信号放大的。事(shì)實上,随着集成運(yun)放電♉路制造技術(shù)的發展,器件的共(gòng)模抑❤️制比越來越(yue)高,如果再采🌈用電(diàn)源浮動電路等👌措(cuo)施,共模抑制比會(huì)更高🈲,測量的精度(du)也就越來越高。

　　導電流體介質(zhì)作爲信号的基準(zhǔn)點能夠把流量信(xin)号分💃成差分的差(cha)動狀态,并且一再(zai)強調測量流體必(bì)需可靠地接信号(hao)轉換♈放大器的接(jie)地端子。這是因爲(wèi)差動信号的基準(zhǔn)點的變動會使原(yuán)本電壓幅度大小(xiao)相等、極性相同的(de)共模幹擾,變成幅(fu)度不等❌的差模幹(gan)擾🧑🏽‍🤝‍🧑🏻電壓,也就是轉(zhuǎn)化爲串模⚽幹擾。如(rú)前面所述,這時的(de)✂️差動放大器對于(yú)⭐抑制串模幹擾也(ye)就無能爲力了。
2　可(ke)靠的信号基準與(yǔ)正确接地
　　這裏再(zai)次強調,把被測量(liàng)的液體導電介質(zhi)視爲零電阻,然後(hòu)作爲差動流量信(xin)号的基準點。理論(lùn)上講,基準點值越(yue)小越好,越小其電(dian)阻值越接近于零(ling),差動信号幅值分(fèn)的就越相等。這就(jiù)是說,被測導電流(liú)體應是在大面積(jī)的容器内,或者處(chù)在長管線的管🌍道(dao)中。在文獻[1]中已作(zuo)分析,流體的體電(dian)阻Rt可由電阻率公(gōng)式求得:

　　這裏,導體(ti)長度是測量管道(dao)的内徑D,導體材料(liào)電阻率是電導率(lǜ)σ的倒數,管道長度(dù)記作l。一般來說,液(ye)體輸送管道都與(yǔ)大地相連。這種假(jia)設流體的體電阻(zǔ)爲零的要求,比較(jiao)容易做到。但在一(yī)些模拟試驗時,利(lì)用一桶水、一盆水(shuǐ),不一定能滿足這(zhe)一🌈要求。
有了導電(diàn)液體作爲信号的(de)基準,還必須用正(zhèng)确方🐅法把這一基(jī)💛準引到差動信号(hao)接線端子的中點(diǎn)。實際應用中,采用(yong)以下幾種方法将(jiāng)測量流體介質作(zuò)✌️爲電磁流量計😄的(de)信号基準點引出(chū):
①流量傳感器安裝(zhuang)在前後是金屬管(guǎn)道的管道中,這時(shí)導電流體可以通(tōng)過流量傳感器前(qián)後的金屬管道與(yu)之電連接,然後用(yong)導線把前後管道(dào)與傳感器📞的接地(di)😍端子電⚽連接起來(lai)。有時候,這種情況(kuàng)不一定完全能使(shi)傳感器與前後管(guan)道電連接良💛好,因(yin)爲傳☎️感器的絕緣(yuan)襯裏及絕緣墊圈(quān)有可能仍然電隔(gé)離‼️了傳感器與前(qian)後管道,這時需要(yào)用金屬導線将前(qian)後管道與🐪傳感器(qì)連接起來。
②在傳感(gǎn)器前後管道是非(fēi)金屬或者金屬管(guǎn)道内壁襯有🔞絕緣(yuán)襯👅裏的情況下,應(ying)用傳感器前後法(fǎ)蘭連有金屬接地(dì)環的流🔞量計。導電(diàn)流體依靠金屬接(jiē)地環(比較确切地(dì)應稱作接液環)與(yǔ)之連接。然後,用接(jiē)地環與傳感器信(xin)号地相連接,對于(yu)被測流體電導率(lü)比較低的情況,由(yóu)于液⛹🏻‍♀️體的體電阻(zu)比較大,這時🌈可以(yǐ)采用導電金屬短(duǎn)管代替接地環。
③有(you)些情況,譬如強腐(fǔ)蝕液體的測量,爲(wei)了節約昂貴的金(jīn)屬🈲材料,可以用接(jiē)地(接液)電極的方(fāng)法來連接基準到(dào)傳感器接地點。因(yīn)💋爲,這種方式往往(wang)測量腐蝕液體的(de)電導率比較高,液(yè)體的體電阻非常(cháng)小,所以用一個點(dian)電極來連接就行(hang)了。
　　當然,在實際應(ying)用中,除了流體作(zuò)爲信号基準接地(dì)外,還要💋注意到前(qian)後管道是金屬管(guan)道情況,前後管道(dào)應當與傳感器的(de)♋電連👌接良好。這是(shì)因爲金屬管😄道中(zhong)往往有地電流、雜(za)散電流、三相不平(ping)衡電流,這✔️些電流(liu)會☎️在與傳感‼️器測(cè)量管沒有良好🍉電(dian)連接的兩端管道(dào)中形成大的電壓(yā)降,構成了大的共(gong)模電📱壓,然後通過(guò)接地電阻加到信(xin)号電極上影響測(cè)量。還要注意到,前(qian)後金屬管道爲防(fang)腐🏃蝕的目的或電(diàn)解廢水測量時,可(ke)能通有陰極保護(hu)電流和大的直流(liu)電流在管道中流(liú)過,這時前👈後應用(yong)低電阻🥵的大面積(jī)銅闆把前後🌐金屬(shu)管道連接起來,使(shǐ)大電流由👈銅闆旁(pang)路流過,在傳感器(qi)測量管上不形成(cheng)大的壓降。
　　至于接(jiē)地電阻,隻要将傳(chuan)感器、前後金屬管(guan)道、接地環按一點(dian)💋接地法的原則接(jiē)大地,接地電阻大(dà)小要求并不嚴格(gé)。一💰般情況下⛱️,接地(dì)電阻在100Ω以下就可(ke)以,有防爆要求應(ying)小于10Ω。
3　直流噪聲
3.1　流(liu)體中的極化電壓(yā)
　　我們知道,電極埋(mái)在電解質的液體(tǐ)中将發生正負離(lí)🈚子🤩的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻定向🛀🏻移動,在(zai)電極與流體介質(zhi)間會形成一定的(de)電場。這就是平❌常(chang)所說的極化現象(xiang)。這個現象可以通(tōng)過一個實驗觀察(cha)。當用毫伏電壓表(biao)(數字式萬用表的(de)🐆電壓檔)的試筆插(cha)入🈚一杯水中😍,電壓(yā)表能讀出電壓值(zhí)。這是因爲電壓表(biǎo)試筆的材質有差(chà)别📱,試筆上形成的(de)極化電位不同,因(yin)而形成了電位差(chà)。電極與接✉️地環(金(jin)屬管道、接地電極(ji))材質不同,形成的(de)極化電壓大小和(he)方向将不同。極化(hua)電壓是漂移的直(zhi)流電壓。圖2所示測(cè)量電極、金屬管道(dao)(或者接地環、接地(di)電極)對流體(視爲(wei)0Ψ的電阻)的電壓分(fèn)别爲e1,e2和e3。可以看出(chu),e3是🐕共模電壓,它♻️們(men)分别與差動的流(liú)量信号e1和e2叠加,進(jìn)入轉換器的差動(dong)放🤩大器。過大的極(ji)化電壓(例如✊下面(mian)我們分析的情況(kuàng)可能高🐕達幾百mV)直(zhí)㊙️接進入差動放🌈大(da)器✨往往把放大器(qi)阻塞,流量信号不(bu)能放大。即使能放(fàng)大,由于叠加的共(gong)模電壓是漂移變(bian)動的,因💁此流量信(xin)号的輸出擺動也(ye)很大。這樣說來,如(ru)何降低極化電壓(yā)🤟非常🈚重要。

　　任(ren)何金屬浸入一種(zhǒng)電解溶液時,其帶(dai)電的正離子趨⛷️向(xiàng)于溶解而金屬本(běn)身則保持負電荷(he),這就形成了一❗定(dìng)電位的電極。這種(zhǒng)✂️電極在介質中形(xing)成一個電位差,産(chǎn)生電流,使電極繼(ji)續溶解,即繼續腐(fu)蝕。這就是電化學(xue)的過程。形成的電(dian)極的電位可用能(neng)斯脫方程表示[2]:

　　式(shi)中:n爲該金屬的化(hua)合價;T爲絕對溫度(du);R爲理想氣體的💁摩(mó)爾常數,8.31焦耳/摩爾(er)·K;F爲法拉第常數;C爲(wèi)金屬離子濃度的(de)常數;c爲溶液⛷️中金(jīn)屬離子的活度。
　　對(duì)于所研究的離子(zi)标準溶液的電位(wèi)稱爲标準電位,用(yong)🌈E0表示,于🈲是得到金(jīn)屬在25℃時電極電位(wei)爲

　　文獻[2]列出了相(xiàng)對于标準氫電極(jí)的标準電位(見表(biao)1)。

　　按金屬材料學[3],在(zai)一種金屬中加入(ru)一其它合金材♈料(liào),能🏃‍♀️提高基體的電(diàn)極電位。譬如在鐵(tiě)素體中溶解11.7%的鉻(gè)時,其🔞電極電位将(jiang)由- 0.56V躍升爲+0.20V。加入大(da)量的鉻或鉻鎳合(he)金使鋼能形成☎️單(dan)相的奧氏體組織(zhī),以免形成微電池(chi)🔴,降低直流極化電(dian)壓,從而顯著提高(gao)耐腐📱蝕性。
3.2　直流噪(zào)聲的降低
　　按上面(mian)介紹金屬材料的(de)極化電位,并與圖(tu)2結合起來可以看(kan)出,當在同一種電(diàn)解質流體中接觸(chù)兩種不同材質的(de)金屬,它們極化電(dian)位的方向和大小(xiao)不同。兩個金屬電(diàn)☀️極間的❌電壓大💋小(xiǎo)和極性随極化電(diàn)位的方向和大小(xiǎo)而🚶變。譬如,測量電(dian)極的材料是含❤️鉻(ge)鎳的不鏽鋼,它們(men)對測量流體介質(zhi)的電位是+ 0.2V;接☂️液的(de)前後管道是碳鋼(gāng),對測量流體介質(zhi)的電位是- 0.58V。那麽,由(you)圖2可以計算,測量(liang)電極對接💜液管道(dào)的電壓是🌈+ 0.78V。如果不(bú)使用前後金屬管(guan)道作爲基準點連(lián)接方式,而使用接(jie)地環,接地環的材(cai)料也使用與測量(liang)電極相同的含鉻(ge)鎳🏃🏻的不鏽🧑🏽‍🤝‍🧑🏻鋼,這時(shi)測量電極對基準(zhun)點的電壓會變成(chéng)0V。也就是說,降低了(le)直流共模幹擾。相(xiàng)反,如果電極材料(liao)越貴重,譬如是钽(tǎn)或鉑,金屬接液部(bù)件的材料是碳鋼(gang)或不鏽鋼,測量✂️電(dian)極上的直流噪聲(shēng)也很大🍉。
　　在測量鹽(yan)酸、硫酸等腐蝕性(xing)很強的介質時,盡(jin)管測❄️量電極是钽(tǎn)或鉑能夠耐強酸(suan)腐蝕;但金屬接液(ye)部件的材質是碳(tan)鋼、不💋鏽鋼,耐不了(le)強酸的腐蝕,直流(liu)噪聲也增大,會發(fā)生輸出的大幅度(du)擺動。所以,在重視(shi)測量電極不被腐(fǔ)蝕的同時,必須注(zhu)意信号基準的接(jiē)液環的材質耐腐(fǔ)蝕。
從式(2)可以看到(dào),極化電位受溫度(du)影響(式中,T是絕對(duì)溫度)。這🏃‍♀️說🏃‍♀️明直流(liú)噪聲與溫度有關(guan),是個漂移量。它的(de)存在将使流量計(jì)發生⚽漂移和擺動(dong)。因此,除了降🔱低極(ji)化電壓外,轉換器(qi)必須能夠有電容(róng)進行直流噪聲隔(ge)離,免于進入放大(da)器被💞放大。
4　結束語(yǔ)
　　 直流噪聲對電磁(cí)流量信号的基準(zhǔn)的穩定性十分重(zhong)要。直流噪💜聲的成(chéng)因不限于接液部(bù)件金屬極化電壓(ya)(材料腐蝕),它還包(bāo)含🔴地磁感應電壓(yā)、溫差電勢🔆、接觸電(diàn)勢以及電極污染(rǎn)等諸多方面的原(yuan)因。這裏,我們不多(duo)讨論。

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