0 引言
自法拉第(di)1832年進行的利用(yòng)地磁測量泰晤(wu)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(ji)術和計算機技(jì)術的飛速發展(zhǎn),電磁流量計
日(rì)趨成熟和完善(shan),已經成爲流量(liang)儀表中重要的(de)和受歡迎的品(pin)種之一。
當年法(fa)拉第進行電磁(ci)流量計實驗,僅(jin)三天就以失敗(bài)告終。究其原因(yīn)之一是直流信(xìn)号中包含有漂(piāo)移的直流極🎯化(huà)電✂️壓,其值難以(yǐ)和信号分辨。盡(jìn)管後來✂️的電磁(ci)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(fā)展,對于電磁感(gǎn)應引起的正交(jiāo)幹擾、同相幹擾(rǎo)和由于靜電感(gan)應引起的🐪串模(mó)幹擾、共模幹擾(rao)以及漿液對測(cè)量電極🛀🏻摩擦出(chū)現的尖狀幹擾(rao)所造成的零點(dian)不穩定與測量(liàng)輸出擺動等問(wèn)題😍非常有效地(di)給予解決。但是(shì),對于測量電解(jie)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(hua)電壓依然存在(zài),仍然會影響到(dào)流量信号的基(jī)準點穩定與否(fou),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(hào)的基準有必要(yào)予以正确認識(shí),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(dian)磁流量信号測(ce)量⚽,重要的是需(xū)要有一個穩定(dìng)的電位差基準(zhun)點💛,也就是信号(hao)要良好接地。過(guo)去一些人往往(wang)隻追求接地電(dian)阻盡量小,以爲(wèi)這樣就能夠得(de)到穩定的流量(liàng)信号。其🔴實不然(rán),導♊電流體介質(zhì)作爲信号的基(ji)準點更爲重要(yào)。
從多年研究、應(ying)用電磁流量計(jì)的經驗出發,對(duì)現場遇到的這(zhè)類實際測量問(wen)題進行分析,力(li)圖認識導電流(liú)體作爲信号的(de)基準點的重要(yao)性,并提供基準(zhun)🚶點接液的方法(fǎ)🧑🏾🤝🧑🏼,供參考。
1 導電流(liú)體是流量信号(hào)電壓的基準電(dian)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(yī)個變化的“信号(hao)”端點,以構成電(diàn)位差。初期的電(dian)磁流量傳感器(qì)曾把⭐一個測量(liàng)電極作爲信号(hào)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(dān)端信号”,同其他(ta)🤞電壓信号㊙️一樣(yang),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(gan)擾電壓和信号(hao)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(xie)幹擾爲串模幹(gan)擾、正态幹擾或(huò)橫向幹擾等。放(fang)大器🤟很難把幹(gàn)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(hao)📧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(dong)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(liu)量信号的兩個(ge)電極都不直接(jiē)接轉換放大器(qi)的信号“地👨❤️👨”,而是(shì)把“零電阻”的流(liú)體介質接到轉(zhuǎn)換放大器的信(xìn)号“地”端子上。圖(tú)1b所示是這種差(chà)動流量信号的(de)等效電路。進入(rù)差動信号放大(da)器兩信号端子(zi)的信号對“地”端(duan)子是幅度大小(xiǎo)相等、極性相反(fan),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(liang)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(yě)就幾乎爲零。差(cha)動放大器對共(gong)模幹擾呈衰減(jian)狀态。盡管由于(yu)接🌍地回路的地(di)電流、極化電壓(ya)、勵磁電源與電(dian)極間的靜電耦(ǒu)合♊等原因,在差(cha)動流量信号中(zhong)含有共模幹擾(rǎo)時,隻要電壓放(fang)大器的參數對(duì)稱,除非共模幹(gàn)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(hào)放大的。事實上(shang),随着集成運放(fàng)電路制造技術(shu)的發展,器件的(de)共模抑制比越(yue)來越高,如果再(zài)采用電源浮動(dong)電路等措施,共(gong)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(wèi)信号的基準點(dian)能夠把流量信(xìn)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(kào)🈲地接信号💁轉換(huan)放大器的接地(dì)端子。這是因爲(wei)差動信号的基(jī)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(mo)幹擾,變成幅度(du)不等💋的差模幹(gàn)擾電壓,也就是(shì)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(jiù)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(ba)被測量的液體(tǐ)導電介質視爲(wèi)零電👣阻,然後作(zuo)爲差動流量信(xin)号的基準點。理(li)論上講,基準點(diǎn)值越小🐆越好,越(yuè)小其電阻值越(yue)接近于零,差動(dong)信号幅值分的(de)就越相等。這就(jiu)是說,被測導電(dian)流體應是在大(dà)面積的👌容器内(nèi),或者處在長管(guǎn)線的管🌂道中。在(zai)文獻[1]中已作分(fèn)析,流體的體電(dian)阻Rt可由電阻率(lǜ)公式求得🐆:
這裏(li),導體長度是測(ce)量管道的内徑(jing)D,導體材料電阻(zu)率是電導率σ的(de)倒數,管道長度(dù)記作l。一般來說(shuo),液體輸送管道(dao)都與大地相連(lián)。這種假設流體(tǐ)的體電阻爲零(ling)的要求,比🎯較容(rong)易做到。但在一(yi)些模拟試驗時(shi),利用一桶水、一(yī)盆水✨,不一定能(neng)滿足這一要求(qiú)。
有了導電液體(ti)作爲信号的基(ji)準,還必須用正(zhèng)确方法把這💋一(yī)基準引到差動(dong)信号接線端子(zi)的中點。實際應(yīng)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(ji)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(dǎo)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(jie),然後用導線把(ba)前後管道與傳(chuan)感器的接地端(duan)子電連接起來(lai)。有時候,這種情(qing)況不一定完全(quan)能使傳感器與(yu)前後管道電連(lián)接良好,因爲傳(chuán)感器的絕緣✉️襯(chen)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(guǎn)道與傳感器連(lián)接起來。
②在傳感(gan)器前後管道是(shì)非金屬或者金(jīn)屬管道内壁襯(chèn)有絕緣🈲襯裏的(de)情況下,應用傳(chuán)感器前後法蘭(lan)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(zuò)接液環)與之連(lian)接。然後,用接地(di)環與傳🏃🏻♂️感器信(xìn)号地相連接,對(dui)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(jiào)大,這時可以采(cai)用導電🈲金屬短(duǎn)管代替接地環(huan)。
③有些情況,譬如(rú)強腐蝕液體的(de)測量,爲了節約(yuē)昂貴的金屬材(cái)料,可以用接地(dì)(接液)電極的方(fāng)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(dao)🚶♀️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(jiē)就行了。
當然,在(zai)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(shu)管道情況,前後(hou)管道應當與傳(chuán)感器的電連接(jiē)良好。這是因爲(wei)金屬管道中往(wǎng)往有地電流、雜(za)散電流、三相不(bú)💰平衡電流,這些(xie)電流會在與傳(chuán)感♋器測量管沒(mei)有良好電連接(jiē)的兩端管道中(zhōng)形成大的電壓(ya)降,構成了大的(de)共模電壓,然後(hòu)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(yin)極保護電流和(hé)大的直⛷️流電流(liu)在管道中流過(guo),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(jiē)起來,使大電流(liú)由銅闆旁路流(liú)過,在傳感器♌測(cè)量管上不形成(chéng)大的壓降。
至于(yu)接地電阻,隻要(yào)将傳感器、前後(hou)金屬管道、接地(di)環按一點接❓地(di)法的原則接大(da)地,接地電阻大(dà)小要求并🏃♀️不嚴(yan)格。一⛷️般情❄️況下(xia),接地電阻在100Ω以(yǐ)下就可以,有防(fang)爆要求應小于(yú)10Ω。
3 直流噪聲
3.1 流體(ti)中的極化電壓(yā)
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(dìng)向移動,在電極(ji)與流體介質間(jian)會形成一定的(de)電場。這就是平(ping)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(bi)插入一杯水中(zhong)🏃♀️,電壓表能讀出(chū)電壓值💃。這是因(yin)爲電壓表試筆(bi)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(diàn)位差。電極與接(jie)✍️地環(金屬管道(dao)👅、接地電極📱)材質(zhi)不同,形成的極(jí)化電壓大小和(hé)🛀🏻方向将不同。極(jí)化電🌈壓是漂移(yi)的直流電壓。圖(tú)2所示測量電極(jí)、金屬管道(或者(zhe)接地⛱️環、接地電(dian)極)對流體(視爲(wèi)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(diàn)壓,它們分别與(yu)差動的流量信(xìn)号e1和❓e2叠加,進入(ru)轉換器的差動(dong)放㊙️大器。過大的(de)極化電壓(例如(ru)下面我們分析(xi)的情況⁉️可能高(gao)💋達幾百mV)直♋接進(jìn)入差動放大器(qì)往往把放大器(qi)👈阻塞,流量信🏃🏻号(hào)🙇🏻不能放大。即使(shǐ)能放大,由于叠(dié)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(lai),如何降低極化(hua)電壓非常重要(yao)。
任何金(jin)屬浸入一種電(dian)解溶液時,其帶(dai)電的正離子🍉趨(qū)向于溶解而金(jin)屬本身則保持(chí)負電荷,這就形(xíng)成了一⛱️定電位(wei)的👌電極。這種電(dian)極在介質中形(xing)成一個電位差(chà),産生電流,使電(diàn)極繼續💯溶解,即(ji)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(neng)斯👌脫方程表示(shì)[2]:
式中:n爲該金屬(shǔ)的化合價;T爲絕(jue)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(wèi)法拉第常數;C爲(wei)金屬離子濃度(du)的常數;c爲🌈溶液(ye)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(chēng)爲标準電位,用(yòng)E0表示,于是得到(dào)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(biāo)準電位(見表👌1)。
按(àn)金屬材料學[3],在(zài)一種金屬中加(jia)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(ti)中溶解11.7%的鉻時(shí),其🔞電極🤟電位✉️将(jiāng)由- 0.56V躍升爲+0.20V。加入(rù)大量的鉻或鉻(ge)鎳合金使鋼能(néng)形成單相的奧(ao)氏體組織,以免(miǎn)形成微電池,降(jiàng)低直流極化電(diàn)壓🈲,從而顯著提(ti)高耐腐蝕性。
3.2 直(zhi)流噪聲的降低(dī)
按上面介紹金(jin)屬材料的極化(huà)電位,并與圖2結(jie)合起來可以看(kàn)出,當在同一種(zhǒng)電解質流體中(zhong)接觸兩種不同(tong)材質‼️的金🐅屬,它(ta)們極化電位的(de)方向和大小不(bú)同。兩個金屬電(dian)極間的📧電壓大(dà)小和極性随極(ji)化電位的方向(xiang)和大小而變。譬(pì)如,測量電極的(de)材料是含鉻鎳(niè)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(liàng)流體介質的電(diàn)位是- 0.58V。那麽,由圖(tu)🙇🏻2可以計算,測量(liang)電極對接㊙️液管(guan)道的電壓是+ 0.78V。如(ru)果不使用前後(hòu)金屬管道作爲(wei)基準點連接方(fāng)✔️式,而使用接地(dì)環,接地環的材(cái)👄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(rao)🧑🏾🤝🧑🏼。相反,如果電極(jí)材料越貴重,譬(pi)如是钽或鉑,金(jīn)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(ce)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(huò)鉑能夠耐強酸(suān)腐蝕;但金屬接(jiē)液部🛀🏻件的材質(zhi)是碳鋼、不鏽鋼(gang),耐不了強酸的(de)腐蝕,直流噪聲(shēng)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(bu)被腐蝕的同時(shi),必須注意信号(hao)基準的接液環(huan)的材質耐腐蝕(shí)。
從式(2)可以看到(dao),極化電位受溫(wēn)度影響(式中,T是(shì)絕對⛷️溫度)。這🤞說(shuō)明直流噪聲與(yǔ)溫度有關,是個(ge)漂移量。它的存(cun)在将🤟使流量計(jì)發生🈲漂移和擺(bǎi)動。因此,除了降(jiang)低極化電壓外(wài),轉換器必須能(neng)夠有電容進行(háng)直流噪聲隔離(lí),免于進入放大(dà)器被放大。
4 結束(shu)語
直流噪聲對(duì)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(diàn)壓(材料腐蝕),它(ta)還包含地磁感(gan)應電壓、溫差電(diàn)勢、接觸電♊勢以(yǐ)及電極污染等(deng)諸多方面的原(yuán)因。這裏♊,我們不(bú)多讨論。
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