0　引(yin)言
　　自法拉第1832年進(jin)行的利用地磁測(cè)量泰晤士河流速(su)試驗,到1950年 工業電(dian)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(liú)量計 日趨成熟和(he)完善,已經成爲流(liu)量儀表中重要的(de)和🆚受歡💔迎♌的品種(zhong)之一。
　　當年法拉第(di)進行電磁流量計(ji)實驗,僅三天就以(yi)失敗告終。究🧑🏽‍🤝‍🧑🏻其原(yuan)因之一是直流信(xìn)号中包含有漂移(yí)的直♈流極㊙️化電壓(ya),其值難以和信号(hao)分辨。盡管後來的(de)電磁流量計❄️經曆(li)了⛱️交流勵磁、低頻(pin)矩形波勵磁🥰等技(jì)術進步與發展,對(duì)于電磁感應引起(qi)的正交幹擾、同相(xiang)幹擾和由于靜電(dian)感應引起的♌串模(mo)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(ce)量輸出擺動等問(wèn)題非常有效地給(gěi)予解決。但是,對于(yu)測量⛹🏻‍♀️電解質流體(tǐ),接地(接液)部件與(yǔ)測量電極間産生(shēng)漂移的直流極化(huà)電壓依然存在🧡,仍(réng)然會影響到流量(liang)信号的基準♊點穩(wen)定與否🈲,進而影響(xiang)輸出信号的穩定(dìng)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(yóu)電學知識可知,對(dui)作爲電動勢的電(diàn)磁流量信号測量(liang),重♋要🙇🏻的是需要有(you)一個穩定的電位(wei)差基準點,也就🌈是(shi)信号要良好接地(di)。過去一些人往往(wang)隻追求😍接地電阻(zu)盡量小,以爲這樣(yàng)就能夠得到穩定(dìng)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(yàn)出發,對現場遇到(dao)的這🈲類🍓實際測量(liang)問題進行分析,力(li)圖認識導電流體(tǐ)作爲信号的基準(zhun)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(hao)電壓的基準電位(wei)點
　　衆所周知,對一(yi)個電壓信号,總有(you)一個基準的“地”點(diǎn)和一個變化👌的“信(xin)号”端點,以構成電(dian)位差。初期的電♊磁(ci)流量傳感器曾把(bǎ)一個✂️測量電極作(zuo)爲信号的“地”點,另(ling)一👈個測量電極作(zuò)爲“信号”點。這種信(xin)号傳輸稱爲“單端(duan)信🐉号”,同其他電壓(yā)信号一樣,用圖1a可(ke)以說明。單端信号(hào)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(shu)入到放大器輸入(ru)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(dà)器💘很難把幹擾從(cóng)信号中分開,這些(xiē)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(liú)量計的流量信号(hao)都是以差動形式(shi)由🔱傳感🌈器傳輸到(dao)轉換放大器的。如(ru)同其它差動電壓(ya)測量,拾取電磁流(liu)量🏒信号的兩個電(diàn)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(dao)轉換放大器的信(xin)号“地”端子上。圖1b所(suǒ)示是這種差動流(liú)量信号的等效電(diàn)路。進入差動信号(hào)放大器兩信号端(duān)子的信号對“地”端(duan)子是幅度大小相(xiang)等、極性相反,差⛷️動(dòng)放大🔆器放大的是(shì)兩電❌極信号端子(zǐ)的差值。因此,對流(liu)量信号而言,差動(dòng)放大器🈚呈放大狀(zhuàng)态。然而,對幅度大(dà)小相等、極性相同(tóng)的共模幹❓擾,進入(ru)差動放大器差值(zhi)幾乎爲零,輸出也(yě)就幾乎爲零。差動(dòng)放大器對共模幹(gàn)擾呈衰減狀态。盡(jin)管由于接地回路(lù)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(shù)對稱🔴,除非共模幹(gàn)擾能夠轉化爲一(yi)定的串模幹擾,這(zhe)些幹擾是不會影(yǐng)響信号放大♻️的。事(shi)實上,随🈚着集成運(yùn)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(zhi)作爲信号的基準(zhǔn)點能夠把流量信(xìn)号🔱分成🏃🏻‍♂️差分🈲的差(cha)動狀态,并且一再(zai)強調測量流體必(bi)需可靠👄地接信号(hao)轉換放大器的接(jiē)地端子。這是因爲(wèi)差動信号的基準(zhun)點的變動會使原(yuan)本電壓幅度大小(xiǎo)相等、極性相同的(de)共模幹擾,變成幅(fú)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(yu)抑制串模幹擾也(yě)就無能爲力了。
2　可(kě)靠的信号基準與(yǔ)正确接地
　　這裏再(zài)次強調,把被測量(liang)的液體導電介質(zhi)視爲零👄電阻,然後(hòu)作爲差動流量信(xìn)号的基準點。理論(lun)上講,基準點值越(yuè)小越好,越小其電(diàn)阻值越接近于零(líng),差動信号幅值分(fèn)的就越相等。這就(jiu)是說,被測導電流(liu)體應是在大面積(ji)的容器内,或者處(chu)在長👅管線的管道(dao)中。在文獻[1]中已作(zuò)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(dào)的内徑D,導體材料(liao)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(yu)大地😘相連。這種假(jia)設流體的體電阻(zu)爲零的要求,比較(jiào)容易做到。但在一(yī)些🐪模拟試驗時,利(lì)用一桶水、一盆水(shui),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(zheng)确方法🤟把這一基(ji)準引到差動信号(hào)接線端子的中點(diǎn)。實際應用中✊,采用(yòng)以下幾種方法将(jiang)測量流體介質作(zuo)爲電磁流量計🍓的(de)信号基準點引出(chū):
①流量傳感器安裝(zhuāng)在前後是金屬管(guan)道的管道中,這時(shi)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(yòng)導線把前後管道(dào)與傳感器的接地(dì)端子電連接起來(lái)。有時候,這種情況(kuàng)不一定完全能使(shi)傳感器與前後管(guǎn)道電連接良好,因(yin)爲傳感器的絕緣(yuan)襯裏及絕緣墊圈(quan)有可能仍然電隔(gé)離了傳感器與前(qián)後管道,這時需要(yào)用金屬導線☀️将前(qián)✌️後管道與傳感器(qi)連接起㊙️來。
②在傳感(gǎn)器前後管道是非(fēi)金屬或者金屬管(guan)道内壁襯☔有🔱絕緣(yuan)襯裏的情況下,應(ying)用傳感器前後法(fa)蘭連有金屬接⛷️地(di)環的流量計。導電(diàn)流體依靠金屬接(jie)地🧡環(比較确切地(dì)應稱作接液環)與(yǔ)之連接。然後,用接(jie)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(you)于液體的體電阻(zu)比較大,這時可以(yi)采用導電💃🏻金屬短(duǎn)管代替接地環。
③有(yǒu)些情況,譬如強腐(fǔ)蝕液體的測量,爲(wèi)了節約昂貴的金(jīn)屬🐪材料,可以用接(jiē)地(接液)電極的方(fang)法來連接🧑🏾‍🤝‍🧑🏼基準到(dào)傳感器♊接地點。因(yīn)爲,這種方式往往(wǎng)測量腐蝕液體的(de)電導🈲率比較高,液(ye)體的體電阻非常(chang)小,所以用一個點(dian)電極來連接就行(háng)了。
　　當然,在實際應(ying)用中,除了流體作(zuo)爲信号基準接地(di)🐅外,還要注意到前(qian)後管道是金屬管(guǎn)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(zhōng)往往有地電流、雜(za)散電流、三相不平(píng)衡電流,這些電流(liú)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(ce)量。還要注意到,前(qián)後金屬管❗道爲防(fáng)腐蝕的目的或電(dian)解廢水測量時,可(kě)能通有陰極保護(hù)電流和大的直🛀🏻流(liu)電流在管道中流(liu)過,這時前✉️後應用(yòng)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(páng)路流過,在傳感器(qi)測量管上不形成(cheng)大的壓降。
　　至于接(jie)地電阻,隻要将傳(chuan)感器、前後金屬管(guǎn)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(kě)以,有防爆要求應(yīng)小于10Ω。
3　直流噪聲
3.1　流(liú)體中的極化電壓(yā)
　　我們知道,電極埋(mai)在電解質的液體(tǐ)中将發生正負離(li)💃🏻子的㊙️定🧑🏾‍🤝‍🧑🏼向移動,在(zài)電極與流體介質(zhì)間會形成一定的(de)電場。這就是平常(chang)所說的極化現象(xiàng)。這個現象可以通(tong)過一個實驗觀察(chá)。當用毫伏電壓表(biao)(數字式萬用表的(de)電壓檔)的試筆插(chā)入一杯水中♈,電壓(ya)表能❌讀出電壓值(zhi)。這是因爲電🐅壓表(biao)試筆的材質有差(cha)别,試筆上形成的(de)極化電位不同,因(yīn)而形成了電位差(cha)。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(ce)量電極、金屬管道(dao)(或者接地環、接地(dì)電極)對流體(視爲(wei)0Ψ的電阻)的電壓分(fen)别爲e1,e2和👈e3。可以看出(chū),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(jin)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(zhi)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(gòng)模電壓是漂移變(biàn)動的,因💋此流量信(xìn)号的輸出擺動也(yě)很大。這樣💯說來,如(rú)何降❌低極化電壓(ya)非常重要。

　　任(ren)何金屬浸入一種(zhǒng)電解溶液時,其帶(dài)電的正離子趨向(xiang)于⭐溶解而金屬本(běn)身則保持負電荷(hé),這就形成✂️了一定(ding)電🔴位的電極。這種(zhong)電極在介質中形(xíng)成一個電位差,産(chǎn)生電流,使電極繼(ji)續溶解,即繼續腐(fǔ)蝕。這😘就是電化學(xué)的過程。形成的電(diàn)極的電位可用能(neng)斯㊙️脫方程表示[2]:

　　式(shì)中:n爲該金屬的化(huà)合價;T爲絕對溫度(dù);R爲理想氣體的摩(mo)爾常數,8.31焦耳/摩爾(er)·K;F爲法拉第常數;C爲(wei)金屬離子濃度的(de)常數;c爲🌍溶液😄中金(jīn)屬離子的活度。
　　對(dui)于所研究的離子(zǐ)标準溶液的電位(wèi)稱爲标準電位❗,用(yòng)E0表示🛀🏻,于是得到金(jin)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(ji)的标準電位(見表(biǎo)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(dian)極電位。譬如在鐵(tie)素體中溶解11.7%的鉻(ge)時,其電極電位将(jiāng)由🈲- 0.56V躍升爲+0.20V。加入大(da)量的鉻或鉻鎳合(hé)金使鋼☀️能形成單(dān)相的奧氏體組織(zhī),以免形成微電池(chí),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(zao)聲的降低
　　按上面(miàn)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(dian)解質流體中接觸(chù)兩種不同材質的(de)金屬,它們極化電(diàn)位的方向和大小(xiǎo)不同。兩個金屬電(dian)極間的電壓大✊小(xiao)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(zhì)的電位是+ 0.2V;接液的(de)前後管道是碳鋼(gang),對測量流體介質(zhi)的電位是- 0.58V。那麽,由(yóu)圖👅2可以計算,測量(liang)電極對接液管道(dao)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(jiē)地環,接地環的材(cái)🛀料也使用與測量(liang)電極相同的含鉻(gè)鎳的不鏽鋼,這時(shi)測量電極對基準(zhun)點的電壓會變成(cheng)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(tan)或鉑,金屬接液部(bù)件的📧材料是碳鋼(gāng)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(xìng)很強的介質時,盡(jìn)管測量電極是钽(tan)🏃🏻或鉑能夠耐強酸(suan)腐蝕;但金屬接液(ye)部件的材質🐉是碳(tàn)鋼、不鏽鋼,耐不了(le)強酸的腐蝕,直流(liú)噪聲也增大,會發(fā)生輸🈲出的大幅度(dù)擺動。所以,在重㊙️視(shì)測量電極不被腐(fǔ)蝕的同時,必須注(zhu)意信号基準的接(jie)液環的材質耐腐(fu)蝕。
從式(2)可以看到(dao),極化電位受溫度(dù)影響(式中,T是絕對(dui)💚溫⭐度)。這說明直流(liú)噪聲與溫度有關(guān),是個漂移量。它的(de)存在将使流量計(ji)發生♋漂移和擺動(dòng)。因此,除了降低極(ji)化📐電壓外🌈,轉換器(qì)必須能夠有電容(rong)進行直流噪聲隔(gé)離,免于進入放大(da)器被放大。
4　結束語(yǔ)
　　 直流噪聲對電磁(ci)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(bao)含地磁感應電壓(yā)、溫差電勢💜、接觸電(diàn)勢以及電極污染(ran)等諸多方面的原(yuan)因。這裏✉️,我們不多(duo)讨論。

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