0　引言
　　自法拉第(di)1832年進行的利用(yòng)地磁測量泰晤(wù)士河流速試驗(yan),到1950年 工業電磁(cí)流量計 産品問(wèn)世,随着電子技(jì)術和計算機技(ji)術的飛速發展(zhǎn),電磁流量計 日(ri)趨成熟和完善(shàn),已經成爲流量(liàng)儀表中重要的(de)和受歡🥰迎的品(pin)種之一。
　　當年法(fǎ)拉第進行電磁(ci)流量計實驗,僅(jǐn)三天就以失✌️敗(bài)告🔞終⭐。究其原因(yin)之一是直流信(xìn)号中包含有漂(piao)移的直流極化(hua)電🍓壓,其值難以(yǐ)和信号分辨。盡(jin)管後來的電磁(cí)流量計😄經曆了(le)交流勵磁、低頻(pín)矩形波勵磁等(deng)技術進步與發(fa)展,對于電磁感(gǎn)應引起的正交(jiāo)幹擾、同相幹擾(rao)和由于靜電感(gǎn)應引起的串模(mo)幹擾、共模幹擾(rǎo)以及💁漿液對測(ce)量電極摩擦出(chu)現的尖狀幹擾(rǎo)所造成的零點(diǎn)不穩定與測量(liang)輸出擺動等問(wen)題非常有效地(dì)給予解決。但是(shì),對于測量電解(jiě)質流體✨,接地(接(jiē)液)部件與測量(liàng)電極間産生漂(piāo)移的直流極✉️化(huà)電壓依然存在(zai),仍然會影響到(dào)流量信号的基(ji)準點穩定與否(fǒu),進而影響輸❤️出(chū)信号的穩定性(xìng)與可靠👅性。因而(ér),對于流量信号(hao)的✉️基準㊙️有必要(yao)予以正确認識(shi),并采取有效解(jiě)決措施。
　　由電學(xué)知識可知,對作(zuò)爲電動勢的電(diàn)磁流量信号測(cè)量,重要的🐪是需(xū)要有一個穩定(ding)的電位差基準(zhun)點,也就是信号(hào)要良好接地。過(guò)去一些人往往(wang)隻追求接地電(diàn)阻盡量小,以爲(wei)這樣就能夠得(dé)♊到穩定的流量(liang)信号。其實不然(ran),導電流體介💚質(zhi)作爲信号的基(jī)準✔️點更爲重要(yào)。
　　從多年研究、應(ying)用電磁流量計(ji)的經驗出發,對(duì)現場遇到的這(zhè)類實際測量問(wèn)題進行分析,力(lì)圖認識導電流(liu)體作爲信♻️号的(de)基準㊙️點的重要(yao)性,并提供基準(zhǔn)點接液的方法(fa),供參考。
1　導電流(liú)體是流量信号(hao)電壓的基準電(diàn)位點
　　衆所周知(zhi),對一個電壓信(xìn)号,總有一個基(jī)準的“地”點和一(yi)個變化🛀的“信号(hao)”端點,以構成電(dian)位差。初期的電(dian)磁流量傳感器(qì)曾把一個測量(liang)電極作爲信号(hao)的“地”點,另一個(ge)測量電極作爲(wèi)“信号”點。這種信(xìn)号傳輸稱㊙️爲“單(dan)端信号”,同其他(tā)電壓信号♌一樣(yàng),用圖🤞1a可以說明(ming)。單端信号的放(fang)大是把直流和(hé)交流的各種幹(gàn)擾電壓和信号(hào)叠加在一起同(tong)時輸入到放大(dà)器輸入端子。通(tōng)常,我們稱這些(xiē)幹擾爲串模幹(gan)擾、正态幹擾或(huò)橫向幹擾等。放(fàng)大器很難把幹(gan)擾從信号中分(fen)開,這😍些幹擾信(xìn)号往往幅度很(hen)大,遠⛱️大于毫伏(fú)級或微伏🔴級的(de)流量信号。于是(shì),這些幹擾就造(zao)成了放大信号(hào)的失真,使得放(fang)大器飽和、堵塞(sāi),以至于不能工(gōng)作。
　　現代電磁流(liú)量計的流量信(xin)号都是以差動(dòng)形式由傳感器(qì)傳輸到轉換放(fàng)大器的。如同其(qí)它差動電壓測(cè)量,拾取電磁💞流(liú)量🐇信号的兩個(ge)電極都不直接(jie)接轉換放大器(qì)的信号“地”,而是(shi)把“零電阻”的流(liu)體介質接到轉(zhuan)換放大器的信(xin)号“地”端🔅子上。圖(tu)1b所示是這種差(cha)動流量信号的(de)等效電路。進入(ru)差動信号放大(dà)器兩信号端子(zi)的信号對“地”端(duan)子是幅度大小(xiao)相等、極性相反(fǎn),差動放大器放(fàng)大的是兩電🈲極(ji)信号端子的差(chà)值。因此,對流量(liàng)信号而言,差動(dòng)放大器呈放大(da)狀态。然而,對🔞幅(fu)度大小相等、極(jí)性相同的共模(mo)幹擾,進入差動(dong)放大器差🤩值幾(jǐ)乎爲零,輸出也(ye)就幾乎爲零。差(chà)動放大器🎯對共(gòng)模幹擾呈衰減(jiǎn)狀态。盡管由于(yú)接🧡地回路的地(di)電流、極化電壓(ya)、勵磁⭐電源與電(diàn)極間的靜電耦(ou)合🥰等原因,在差(cha)動流量信号中(zhong)含有共模幹擾(rao)時,隻要電壓放(fàng)大‼️器的參數對(dui)稱,除非共模幹(gan)擾🚩能夠轉化爲(wei)一定的串模幹(gan)擾,這些幹擾是(shì)不會影響信号(hao)放大💞的。事實上(shang),随着集成運放(fang)電路制造技♊術(shù)的發展,器件的(de)共模抑制比越(yuè)來越高,如果再(zài)采用電源浮動(dòng)電路等措施,共(gòng)模抑制比會更(geng)高,測量的精度(du)也就越來越高(gao)。

　　導電(dian)流體介質作爲(wei)信号的基準點(dian)能夠把流量信(xin)🈚号分成差分的(de)差動狀态,并且(qiě)一再強調測量(liang)流體必需可靠(kao)😄地接信号轉換(huàn)放大器的接地(dì)端子。這是❓因爲(wèi)差動信号的基(ji)準點的變💋動會(hui)使原本電壓幅(fú)度大小相等、極(jí)性相同的共模(mó)幹擾,變成幅度(du)不等🐆的差模幹(gan)擾電壓,也就是(shi)轉化爲串模幹(gan)擾。如前面所述(shu),這時的🌐差動放(fàng)大器對于抑制(zhì)串模幹擾也就(jiu)無能爲力了。
2　可(ke)靠的信号基準(zhǔn)與正确接地
　　這(zhe)裏再次強調,把(bǎ)被測量的液體(ti)導電介質視爲(wei)零🙇‍♀️電阻,然後作(zuò)㊙️爲差動流量信(xin)号的基準點。理(lǐ)論上講,基準點(dian)值越小越好,越(yuè)小其電阻值越(yue)接近于零,差動(dòng)信号幅值分💘的(de)就越相等。這就(jiù)是說,被測導電(diàn)流體應是在大(da)面積的容器内(nèi),或者處在長管(guan)線的管道中。在(zài)文獻[1]中已作分(fen)析,流體的體電(dian)阻Rt可由電阻率(lǜ)公式求得:

　　這裏(lǐ),導體長度是測(ce)量管道的内徑(jìng)D,導體材料電阻(zǔ)率是電☔導率σ的(de)倒數,管道長度(du)記作l。一般來說(shuō),液體👄輸送🔆管道(dào)都與♋大地相連(lian)。這種假設流體(ti)的體電阻爲零(líng)的🥰要求,比🧑🏾‍🤝‍🧑🏼較容(róng)易做到。但✨在一(yi)些模拟試驗時(shí),利用一桶水、一(yi)盆水,不一定能(néng)滿足這一要求(qiu)。
有了導電液體(tǐ)作爲信号的基(ji)準,還必須用正(zheng)确方法把🤞這一(yī)基準引到差動(dòng)信号接線端子(zi)的中點。實際應(ying)用中👨‍❤️‍👨,采用以下(xia)幾種方法将測(cè)量流體介質作(zuo)爲電磁流量計(jì)的信号基準點(diǎn)引出:
①流量傳感(gǎn)器安裝在前後(hòu)是金屬管道的(de)管道中,這時🔞導(dao)電流體可以通(tong)過流量傳感器(qì)前後的金屬管(guan)道與之電連接(jiē),然後🎯用導線把(bǎ)前後管道與傳(chuan)感器的接地端(duan)子電連接起來(lái)。有時📧候,這種⛷️情(qing)況不一定完全(quan)能使🧡傳感器與(yǔ)前後管道電連(lian)接良好,因爲傳(chuan)❄️感器的絕緣⛱️襯(chèn)裏及絕緣墊圈(quān)有可能仍然電(diàn)隔離了傳感器(qì)與前後管道,這(zhe)時需要用金屬(shǔ)導線将前後管(guan)道與傳感器連(lian)接起來。
②在傳感(gan)器前後管道是(shi)非金屬或者金(jīn)屬管道内壁襯(chen)有絕緣襯裏的(de)情況下,應用傳(chuán)感器前後法蘭(lán)連有金屬接地(dì)環的流量計💰。導(dǎo)電流體依靠金(jīn)屬接地環(比較(jiào)确切地應稱作(zuo)接液環)與之連(lian)接。然後,用接地(dì)環與傳感器信(xìn)号地相連接❓,對(duì)于被測流體電(diàn)導率比較低的(de)情況,由于液體(tǐ)的體電阻比較(jiao)大,這時可以采(cǎi)用導電金屬短(duan)管代替接地環(huan)。
③有些情況,譬如(ru)強腐蝕液體的(de)測量,爲了節約(yue)昂貴的金屬材(cái)料,可以用接地(dì)(接液)電極的方(fang)法來連接基準(zhǔn)到傳感器接地(dì)點。因爲,這種方(fāng)式往往測量腐(fu)蝕液體的電導(dǎo)率比較高,液體(tǐ)的體電阻非常(chang)小,所以用一個(gè)點電極來⭐連接(jie)就行了。
　　當然,在(zài)實際應用中,除(chu)了流體作爲信(xìn)号基準接地外(wài),還要注意到前(qián)後管道是金屬(shǔ)管道情況,前後(hou)管道應當與傳(chuán)感器的電連接(jie)良好。這是因爲(wèi)金屬管道中往(wang)往有地電流、雜(zá)散電流、三相不(bu)平衡電流,這些(xie)電流會在與傳(chuan)感器測量管沒(méi)有良好電連接(jiē)的兩端管道中(zhong)形成大的電壓(ya)降,構成了大的(de)共模電👈壓,然後(hou)通過接🚩地電阻(zǔ)加到信号電極(ji)上影響測量。還(hái)要注意到,前後(hòu)金屬管道爲防(fang)腐蝕的目的或(huo)電解廢水測量(liang)時,可能🌈通有陰(yīn)極保護電☔流🈚和(he)大的直流電流(liu)在📱管道中流過(guò),這時前後應用(yong)低電阻的大面(mian)積銅闆把前後(hou)金屬管道連接(jie)起來,使大電流(liu)由👈銅闆旁路流(liu)過,在傳感器測(ce)量管上不形成(chéng)大的壓降。
　　至于(yu)接地電阻,隻要(yao)将傳感器、前後(hòu)金屬管道、接地(di)環按一🏃‍♀️點🈲接地(dì)法的原則接大(dà)地,接地電阻大(da)小要求并不嚴(yan)格。一☎️般情⛹🏻‍♀️況下(xià),接地電阻在100Ω以(yǐ)下就可以,有防(fang)爆要求應小于(yu)10Ω。
3　直流噪聲
3.1　流體(tǐ)中的極化電壓(ya)
　　我們知道,電極(jí)埋在電解質的(de)液體中将發生(shēng)正負🈲離子🏃‍♀️的🔆定(ding)✔️向移動,在電極(jí)與流體介質間(jiān)會形成一定的(de)電場。這就是平(píng)😍常所說的極化(hua)現象。這個現象(xiang)㊙️可以通過一個(ge)實驗觀察。當用(yong)毫伏電壓表(數(shu)字式萬用表的(de)電壓檔)的試筆(bǐ)插入一杯水中(zhōng),電壓表能讀出(chu)電壓值。這是因(yin)爲電壓表試筆(bǐ)的材質有差别(bié)🤩,試筆上形成的(de)極化電位不同(tong),因而形成了電(dian)☂️位差。電極與接(jiē)地環(金屬管道(dao)、接地電極)材質(zhì)不同,形成的極(ji)化電壓大小和(hé)♈方向将不同。極(ji)化電壓是漂移(yí)的直流電壓。圖(tú)2所示測量電極(jí)、金屬管道(或者(zhě)接地環、接地電(dian)極)對流體(視爲(wei)♉0Ψ的電阻)的電壓(ya)🐆分别爲e1,e2和e3。可以(yi)看出,e3是💋共模電(dian)壓,它們分别與(yu)差動的流量信(xìn)号e1和e2叠加,進入(rù)轉換器的🐕差動(dong)放大器。過大的(de)極化電壓(例如(rú)⁉️下面我們分析(xi)的情況可能高(gāo)👄達幾百mV)直接進(jìn)入差動放大器(qi)往往把放大器(qi)阻塞,流量信号(hào)不能放大。即使(shi)能放🔱大,由于叠(die)加的共模電壓(ya)是漂移變動的(de),因此流量信号(hao)的輸出擺動也(ye)很大。這樣說來(lái),如何降低極化(hua)電壓非常👄重要(yao)。

　　任何金(jin)屬浸入一種電(diàn)解溶液時,其帶(dai)電的正離子趨(qu)向于溶解而金(jin)屬本身則保持(chí)負電荷,這就形(xing)成了一定電位(wei)的🌈電極。這種電(diàn)極在介質中形(xing)成一個電位差(chà),産生電流,使電(dian)極繼續溶解,即(jí)⭐繼續腐蝕。這就(jiù)是電化學的過(guo)程。形成的電極(ji)的電位可用能(néng)斯脫方程表示(shi)[2]:

　　式中:n爲該金屬(shǔ)的化合價;T爲絕(jué)對溫度;R爲理想(xiǎng)氣體的♌摩♍爾常(chang)數,8.31焦耳/摩爾·K;F爲(wei)法拉第常數;C爲(wèi)金屬離子濃度(dù)的常數;c爲♈溶液(yè)中金屬離子的(de)活度。
　　對于所研(yán)究的離子标準(zhǔn)溶液的電位稱(cheng)爲标準電♍位,用(yòng)E0表示🤞,于是得到(dao)金屬在25℃時電極(jí)電位爲

　　文獻[2]列(liè)出了相對于标(biao)準氫電極的标(biao)準電位(見表1)。

　　按(an)金屬材料學[3],在(zài)一種金屬中加(jiā)入一其它合金(jīn)材料,能❓提高🚩基(ji)體的電極電位(wei)。譬如在鐵素體(tǐ)中溶解11.7%的鉻時(shí),其電極電位将(jiang)由🔱- 0.56V躍升爲+0.20V。加入(ru)大量的鉻或鉻(gè)鎳合金使鋼🚶能(neng)形成單相的奧(ào)氏體組織,以免(miǎn)形成微電池🏃‍♀️,降(jiang)低直流極化電(diàn)壓⭐,從而顯著提(tí)高耐腐🏃‍♂️蝕性。
3.2　直(zhí)流噪聲的降低(di)
　　按上面介紹金(jin)屬材料的極化(hua)電位,并與圖2結(jie)合起來可以看(kàn)出,當在同一種(zhong)電解質流體中(zhong)接觸兩種不同(tóng)材質的金🐆屬,它(tā)們極㊙️化電位的(de)方向和大小不(bu)同。兩個金屬電(dian)極間的電壓大(da)小和極性随極(ji)化電位的方向(xiang)和大小而變。譬(pi)如,測量電極的(de)材料是含✊鉻鎳(nie)的不鏽鋼,它們(men)對測量流體介(jiè)質的電位是+ 0.2V;接(jiē)😍液的前後管道(dao)🔞是碳鋼,對測量(liang)流體介質的電(diàn)位是- 0.58V。那麽,由圖(tu)2可以計算,測量(liàng)電極對接✍️液管(guan)道的電壓是+ 0.78V。如(rú)果不使用前後(hòu)金屬管道作爲(wèi)基準🌈點連接方(fang)🌂式,而使用接地(dì)環,接地環的材(cai)料也使用與測(ce)量電極相同的(de)含鉻鎳🌐的不鏽(xiu)鋼,這時測量電(diàn)極對基準🈲點的(de)電壓會變成0V。也(yě)就是說,降低了(le)直流共模幹擾(rǎo)。相反,如果電極(jí)材料越貴重,譬(pì)如💛是钽或鉑,金(jin)屬接液部件的(de)材料是碳鋼或(huò)不鏽鋼🔴,測量電(dian)極上的直流噪(zào)聲也很大。
　　在測(cè)量鹽酸、硫酸等(děng)腐蝕性很強的(de)介質時,盡管測(ce)量電極是钽或(huo)鉑能夠耐強酸(suān)腐蝕;但金屬接(jiē)液部件的材質(zhì)🏃🏻是碳鋼、不鏽鋼(gang),耐不了強酸的(de)腐蝕,直流噪聲(sheng)也🔱增大,會💔發生(shēng)輸😘出的大🐉幅度(dù)擺動。所以,在重(zhong)視測量電極不(bú)被腐蝕的同時(shí),必須注意♈信号(hào)基準的接液環(huan)的材質耐腐蝕(shí)。
從式(2)可以看到(dào),極化電位受溫(wēn)度影響(式中,T是(shì)絕對溫度)。這🛀說(shuo)🚶‍♀️明直流噪聲與(yǔ)溫度有關,是個(ge)漂移量。它💁的存(cún)在将⛷️使流量計(ji)發生🈚漂移和擺(bai)動。因此,除了降(jiang)低極化電壓外(wài),轉換器必須能(néng)夠有電🔞容進行(hang)直流噪聲隔離(lí),免于進入放大(da)器被🐇放大。
4　結束(shu)語
　　 直流噪聲對(dui)電磁流量信号(hao)的基準的穩定(ding)性十分重要。直(zhí)流噪聲的成因(yīn)不限于接液部(bù)件金屬極化電(dian)壓(材料腐蝕),它(ta)還包含地磁感(gǎn)應電壓、溫差電(diàn)勢、接觸電勢以(yǐ)及電極污染等(děng)諸多方面的原(yuan)因。這裏,我們不(bú)多讨論。

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