0　引言
　　自法拉(la)第1832年進行的(de)利用地磁測(cè)量泰晤士河(he)流速🏃‍♀️試驗,到(dao)1950年 工業電磁(cí)流量計 産品(pǐn)問世,随着電(diàn)子技術和計(jì)算機技術的(de)飛速發展,電(dian)磁流量計 日(ri)趨成熟和完(wán)善,已經成爲(wèi)流量儀表中(zhōng)重要的和受(shòu)🐇歡迎的品種(zhong)之一。
　　當年法(fǎ)拉第進行電(diàn)磁流量計實(shi)驗,僅三天就(jiù)以失敗🏃‍♂️告終(zhōng)。究其原因之(zhi)一是直流信(xin)号中包含有(you)漂移的直流(liú)極化電壓,其(qí)值難以和信(xin)号分辨。盡管(guan)後來的電磁(cí)流量計經曆(lì)了交流勵磁(ci)、低頻🔴矩形波(bo)勵磁等技術(shù)進步與發展(zhan),對于電磁💔感(gǎn)應引起的正(zhèng)交幹🐇擾、同相(xiàng)幹擾和由于(yu)靜電感應引(yin)起的串模幹(gan)擾、共模幹擾(rǎo)以及漿液對(duì)測量電極摩(mó)擦出現的尖(jiān)狀幹擾所造(zao)成的零點不(bu)穩定與測量(liàng)輸📞出擺動等(deng)問題非常有(you)效地給予解(jie)決。但是,對于(yú)測量電解質(zhì)流體🈲,接地(接(jiē)液)部件與測(ce)量電極間🔞産(chan)生漂移的直(zhi)流極化電壓(ya)依然存在,仍(réng)然會影響到(dao)流量信号的(de)基準💜點穩定(dìng)與否🏒,進而影(ying)響輸出信号(hao)的穩定性與(yu)可靠👅性。因而(er),對于流量信(xìn)号的基準🈲有(yǒu)必要予以正(zheng)确認識,并采(cai)取有效解決(jue)措施。
　　由電學(xue)知識可知,對(duì)作爲電動勢(shì)的電磁流量(liang)信号測🌍量,重(zhòng)要的㊙️是需要(yào)有一個穩定(dìng)的電位差基(ji)準點,也就是(shì)信💁号要💰良好(hǎo)接地👨‍❤️‍👨。過去一(yī)些人往往隻(zhī)追求接地電(diàn)阻盡量小,以(yǐ)爲這樣就能(néng)夠得👈到穩定(dìng)的流🛀🏻量信号(hao)。其👈實不然,導(dǎo)電流體介質(zhì)作爲信号的(de)基準💁點更爲(wei)重要。
　　從多年(nián)研究、應用電(dian)磁流量計的(de)經驗出發,對(duì)現場遇到的(de)這⭐類實際測(cè)量問題進行(háng)分析,力圖認(ren)識導電流㊙️體(tǐ)作爲信号的(de)基準點的重(zhong)要性,并提供(gòng)基準點接液(yè)的方法,供參(can)考♈。
1　導電流體(tǐ)是流量信号(hao)電壓的基準(zhǔn)電位點
　　衆所(suǒ)周知,對一個(ge)電壓信号,總(zǒng)有一個基準(zhun)的“地”點和一(yī)個變化的“信(xin)号”端點,以構(gòu)成電位差。初(chū)期的電磁流(liú)量傳感器曾(ceng)把一個測量(liang)電極作爲信(xìn)号的“地”點,另(lìng)一個測量電(diàn)極作爲“信号(hào)🌈”點。這種信号(hao)傳輸稱爲“單(dan)端信号”,同其(qi)他電壓信号(hao)一樣,用圖1a可(kě)以說明。單端(duan)信号的放大(da)是把直流和(hé)交流的各種(zhong)幹擾電壓和(he)信号叠加在(zài)一起同時輸(shu)入到放大器(qì)輸入端子。通(tōng)常,我們稱這(zhe)些幹擾爲串(chuan)模幹擾、正态(tài)幹擾或橫向(xiàng)幹擾等。放大(da)器🔴很難把幹(gan)擾從信号中(zhōng)分開,這些幹(gan)擾信号往往(wǎng)幅度💃🏻很大,遠(yuan)大于毫伏級(jí)或微伏🏃級的(de)流量信号。于(yu)是,這些幹擾(rǎo)就造成了放(fang)大信号的失(shi)真,使得放大(da)器飽和、堵塞(sai),以至于不能(néng)工作。
　　現代電(dian)磁流量計的(de)流量信号都(dōu)是以差動形(xíng)式由傳感器(qi)傳輸到轉換(huan)放大器的。如(rú)同其它差動(dòng)電壓測量,拾(shí)取電磁流量(liàng)信号的兩個(ge)電極都不直(zhí)接接✨轉換放(fang)大器的✂️信号(hao)“地”,而是把“零(ling)電阻”的流體(tǐ)介質接到轉(zhuǎn)換💛放大器的(de)信号“地”端😘子(zi)上。圖1b所示是(shi)這種差動流(liú)量信号的等(deng)效電路。進入(rù)差動信号放(fàng)大器兩信号(hao)端子的信号(hao)對“地”端子🐆是(shì)幅度大小相(xiang)等、極性相反(fǎn),差動放大器(qi)放大的是兩(liǎng)電極信号端(duan)子的差值。因(yin)此,對流量信(xìn)♋号而言,差動(dòng)放大器呈放(fàng)大狀态。然而(er),對幅度大小(xiao)相等、極性相(xiang)同的共模幹(gan)擾,進⛱️入差動(dòng)放大器差值(zhí)幾乎爲零,輸(shū)出也就幾乎(hu)爲零❓。差動放(fang)大器💃🏻對共模(mo)幹擾呈衰減(jian)狀态。盡管由(you)于接🧡地回路(lu)的地電流、極(ji)化電💃壓、勵磁(cí)電源與電極(ji)間的靜電耦(ǒu)合等原因,在(zai)差動流量信(xìn)号中含有共(gong)模幹擾時,隻(zhi)要電壓📐放大(da)器的參數對(duì)稱,除非共模(mó)幹擾能夠轉(zhuǎn)化爲一定的(de)串模幹擾,這(zhe)些幹擾是不(bú)會影響信号(hao)放大的。事實(shí)上,随着集成(cheng)運放電路制(zhì)造技術的發(fa)展,器件的共(gòng)模抑制比越(yue)來越高,如果(guǒ)再采💘用電源(yuan)浮動電路等(deng)措施,共模抑(yì)制比⛷️會更高(gāo),測量的精度(du)也就越來越(yuè)高。

　　導電流(liu)體介質作爲(wèi)信号的基準(zhun)點能夠把流(liu)量信号分成(chéng)差♋分的差動(dong)狀态,并且一(yi)再強調測量(liàng)流體必需🔞可(kě)靠地接信号(hào)轉換放大器(qì)的接地端子(zi)。這是因爲差(chà)動信号的基(jī)準⛹🏻‍♀️點的變動(dong)會使原本電(diàn)壓幅度大小(xiǎo)相等、極性相(xiang)⚽同的共模幹(gan)擾,變成🧑🏾‍🤝‍🧑🏼幅度(du)不等🏃🏻‍♂️的差模(mó)幹擾🔞電壓,也(ye)就是轉化爲(wei)串模幹擾。如(rú)前面🏒所述,這(zhè)時的💰差動放(fàng)大器對于🈲抑(yi)制串模幹擾(rao)也就無能爲(wei)力了。
2　可靠的(de)信号基準與(yǔ)正确接地
　　這(zhè)裏再次強調(diào),把被測量的(de)液體導電介(jiè)質視爲零👈電(dian)阻,然後作🆚爲(wei)差動流量信(xìn)号的基準點(dian)。理論上講,基(ji)準點值越小(xiǎo)越好,越小其(qi)電阻值越接(jiē)近于零,差👣動(dòng)信号幅值分(fen)的就越相等(deng)。這就是說,被(bei)測導電流體(ti)應是在大面(mian)積的容器内(nei),或者處在長(zhǎng)管線的管道(dao)中。在文獻🏒[1]中(zhōng)已作分析,流(liú)體的體電阻(zu)Rt可由電阻率(lǜ)公式求得:

　　這(zhe)裏,導體長度(du)是測量管道(dao)的内徑D,導體(ti)材料電阻💃🏻率(lü)是電導率⭐σ的(de)倒數,管道長(zhang)度記作l。一般(bān)來說,液體輸(shu)送管道都與(yǔ)大地相連。這(zhe)種假設流體(tǐ)的體電阻爲(wei)零的要求,比(bi)較容易做到(dao)。但在一些模(mó)拟試驗時♊,利(li)用一桶水、一(yī)盆水,不一定(dìng)能💃🏻滿足這一(yī)要求。
有了導(dao)電液體作爲(wei)信号的基準(zhun),還必須用正(zheng)确方法把🤟這(zhè)一❗基🧑🏾‍🤝‍🧑🏼準引到(dào)差動信号接(jiē)線端子的中(zhōng)點。實際應用(yòng)中,采用以下(xia)幾種方法将(jiāng)測量流體介(jie)質作🔞爲電磁(cí)流量計的信(xin)号♈基準點引(yǐn)出:
①流量傳感(gan)器安裝在前(qian)後是金屬管(guǎn)道的管道中(zhōng),這時導電流(liú)體可以通過(guo)流量傳感器(qi)前後的金屬(shu)管道與✏️之電(diàn)連接,然後用(yòng)導線把前後(hòu)管道與傳感(gan)器💞的接地端(duan)子電連接起(qi)來。有時候,這(zhè)種情況不一(yī)定完全能使(shi)傳感器與前(qian)後管道電連(lian)接良好,因爲(wèi)傳📱感器的絕(jue)緣襯裏及絕(jué)緣🌐墊圈有可(kě)能仍然電隔(gé)離了傳感器(qi)與前🔞後管道(dao),這時需要用(yòng)金屬導線将(jiang)前後管道與(yu)傳感器連接(jiē)起來。
②在傳感(gan)器前後管道(dao)是非金屬或(huò)者金屬管道(dao)内壁襯有絕(jue)緣♻️襯㊙️裏的情(qing)況下,應用傳(chuán)感器前後法(fa)蘭連有金屬(shu)接地環的流(liu)量計。導電流(liú)體依靠金屬(shu)接地☀️環(比較(jiào)😍确切地應稱(chēng)作接液環)與(yǔ)之連接。然後(hòu),用接地環與(yu)傳感器信号(hào)地相連接,對(duì)于被測流體(ti)電導率比較(jiao)低的情況,由(yóu)于液體的體(ti)電阻比較大(da),這時可以采(cǎi)用導電金屬(shu)短管代替接(jiē)地環。
③有些情(qing)況,譬如強腐(fu)蝕液體的測(ce)量,爲了節約(yuē)昂貴的金屬(shu)材料,可以用(yong)接地(接液)電(diàn)極的方法來(lai)連接♉基準到(dao)傳感器接地(dì)點。因📞爲,這種(zhǒng)方式往往測(cè)量腐😘蝕液體(tǐ)的電導率比(bǐ)較🛀🏻高,液體的(de)體電阻非常(cháng)小,所以用一(yi)個點電極來(lai)連接就行了(le)。
　　當然,在實際(jì)應用中,除了(le)流體作爲信(xìn)号基準接地(dì)外,還要注意(yì)到前後管道(dào)是金屬管道(dao)情況,前後管(guan)道應當與傳(chuan)感💛器的㊙️電連(lián)接良好。這是(shi)因爲金屬管(guan)道中往往有(yǒu)地電流、雜散(san)電流、三相不(bú)平衡電流,這(zhe)❓些電流會在(zài)與傳感器測(cè)量管♉沒有良(liáng)好電連接的(de)兩端管道中(zhōng)形成大的電(dian)壓降,構成了(le)大的共模電(dian)壓,然後通過(guò)接地電阻加(jiā)到信号電極(jí)上影響測量(liàng)。還要注意到(dao),前後金屬管(guǎn)道爲防腐💁蝕(shí)的目的或電(dian)💋解廢水測量(liang)時,可能通有(yǒu)陰極保護電(dian)流和大的直(zhi)流電流在管(guan)道中流過,這(zhè)時前後應用(yòng)低電阻的大(da)🌈面積銅闆把(ba)前後金屬管(guan)㊙️道連接起來(lái),使大電流由(you)銅闆旁路流(liu)過,在傳感器(qì)測量管上不(bú)形成大的壓(ya)降。
　　至于接地(di)電阻,隻要将(jiang)傳感器、前後(hòu)金屬管道、接(jie)地✂️環按一點(dian)接💘地法的原(yuán)則接大地,接(jie)地電阻大小(xiao)要求并不嚴(yan)格。一般情況(kuang)下✊,接地電阻(zǔ)在100Ω以下就可(ke)以,有防爆✍️要(yào)求應小于10Ω。
3　直(zhi)流噪聲
3.1　流體(ti)中的極化電(diàn)壓
　　我們知道(dao),電極埋在電(diàn)解質的液體(tǐ)中将發生正(zheng)負🌍離子的定(ding)向移動,在電(dian)極與流體介(jiè)質間會形成(chéng)一定的電場(chǎng)。這就是平常(cháng)所💃說的極化(hua)現象。這個現(xian)象可以通過(guò)一個實驗觀(guan)察。當用毫伏(fu)電壓表(數字(zi)式萬用表的(de)電壓檔)的試(shì)筆插入🈲一杯(bei)水中,電壓表(biǎo)能讀出電壓(ya)值。這是因爲(wèi)電😄壓表試筆(bǐ)的材質有差(cha)别,試筆上形(xing)成⭕的極化電(diàn)位不同,因而(er)形成了電位(wèi)差。電極與接(jie)地環(金屬管(guǎn)道、接地電極(ji))材質不同,形(xing)成的極化電(diàn)壓大小和方(fāng)向将不同。極(jí)化🔞電壓是漂(piāo)移的直流電(dian)壓。圖2所示測(ce)量電極、金屬(shǔ)管道(或者接(jie)地環、接地電(dian)極)對流體(視(shì)爲0Ψ的電阻)的(de)電壓分别爲(wèi)e1,e2和e3。可以看出(chū),e3是共模電壓(ya),它們分别與(yu)差動的流量(liàng)信号e1和e2叠加(jia),進入轉換器(qi)的🤟差動㊙️放大(da)器。過大的極(ji)化☎️電壓(例如(ru)下面我們分(fèn)析的情況🌈可(kě)能高達幾百(bǎi)mV)直接進入差(cha)動放大器往(wǎng)往把放大器(qi)阻塞,流量信(xìn)号不能放大(da)。即使能放大(dà),由于叠加的(de)共模電壓是(shi)漂移變動的(de),因此流量信(xin)号的輸出擺(bai)動也很大。這(zhe)樣說來,如何(hé)降低極化電(dian)壓非常重要(yao)。

　　任(ren)何金屬浸入(ru)一種電解溶(róng)液時,其帶電(dian)的正離子趨(qu)向📞于溶解而(ér)金屬本身則(ze)保持負電荷(he),這就形成🧡了(le)一定電位的(de)📧電極❤️。這種電(dian)極在介質中(zhong)形成一個💋電(diàn)位差,産生電(diàn)流,使電極繼(ji)續💛溶解,即繼(ji)續腐蝕。這就(jiù)是電化學的(de)過程。形成的(de)電極的電位(wèi)可用能斯📱脫(tuo)方程表示[2]:

　　式(shì)中:n爲該金屬(shu)的化合價;T爲(wei)絕對溫度;R爲(wèi)理想氣體❌的(de)摩爾常數,8.31焦(jiao)耳/摩爾·K;F爲法(fǎ)拉第常數;C爲(wèi)金屬離子濃(nong)度的常數;c爲(wei)溶液中金屬(shu)離子的活度(dù)。
　　對于所研究(jiū)的離子标準(zhǔn)溶液的電位(wei)稱爲标準電(diàn)位,用E0表示,于(yu)👈是得到金屬(shu)在25℃時電極電(dian)位爲

　　文獻[2]列(lie)出了相對于(yú)标準氫電極(ji)的标準電位(wei)(見表1)。

　　按金屬(shǔ)材料學[3],在一(yī)種金屬中加(jiā)入一其它合(hé)金材料,能提(tí)高基體的電(diàn)極電位。譬如(ru)在鐵素體中(zhong)溶解11.7%的鉻時(shi),其✨電極電位(wei)将由- 0.56V躍升爲(wei)+0.20V。加入大量的(de)鉻或鉻鎳合(hé)金使鋼能形(xíng)成🚶‍♀️單相的奧(ao)氏體組織,以(yǐ)免形成微電(diàn)池,降低直流(liu)‼️極化電壓,從(cong)而顯著提高(gao)耐腐蝕性。
3.2　直(zhi)流噪聲的降(jiang)低
　　按上面介(jie)紹金屬材料(liao)的極化電位(wèi),并與圖2結合(he)起來可以看(kan)出,當在同一(yi)種電解質流(liú)體中接觸兩(liang)種不同材質(zhi)的金屬,它們(men)極化電位的(de)方向和大小(xiǎo)不同。兩個金(jīn)屬電極間的(de)電壓大小和(he)極性随極化(huà)電位的方向(xiang)😍和大小而變(biàn)。譬如,測量電(diàn)極的材料是(shì)含鉻鎳的不(bú)鏽鋼,它們對(dui)測量流體介(jiè)質的電位是(shi)+ 0.2V;接液的前後(hòu)管道是碳鋼(gang),對測量🈲流體(ti)介質的電位(wèi)是- 0.58V。那麽,由圖(tu)2可以計算,測(ce)量🐆電極對接(jie)🔴液管道的電(dian)壓是+ 0.78V。如果不(bú)使用前後金(jin)屬管道作爲(wei)基準點連接(jie)方式,而使用(yong)㊙️接地環,接地(di)🏃🏻‍♂️環的材料也(yě)使用與測量(liàng)電極相同的(de)含鉻鎳的不(bu)鏽🌈鋼,這時測(ce)量電🚶‍♀️極對基(jī)準點的電壓(ya)會🌈變成0V。也就(jiu)是說,降低了(le)直流共模幹(gàn)擾😄。相反,如果(guo)電極材料越(yuè)貴重,譬如是(shì)钽或鉑,金屬(shu)接液部件的(de)✉️材料是碳鋼(gang)或不鏽鋼,測(ce)量電極上的(de)直🤩流噪聲也(yě)很大。
　　在測量(liang)鹽酸、硫酸等(děng)腐蝕性很強(qiang)的介質時,盡(jin)管測量電極(jí)是钽或鉑能(néng)夠耐強酸腐(fu)蝕;但金屬接(jiē)液部件的材(cái)質💯是碳鋼、不(bú)🌈鏽鋼,耐不了(le)強酸的腐蝕(shi),直流噪聲也(yě)增大,會發生(shēng)輸出的大幅(fu)度擺動。所以(yi),在重視測量(liàng)電極不被腐(fu)蝕的同時,必(bì)須注意信号(hao)基準的接液(ye)環的🐕材質耐(nài)腐蝕。
從式(2)可(kě)以看到,極化(hua)電位受溫度(dù)影響(式中,T是(shì)絕對溫度)。這(zhè)說🌐明直流噪(zao)聲與溫度有(yǒu)關,是個漂移(yí)量。它☂️的存🚩在(zai)将使流量計(ji)發生漂移和(hé)擺動。因此,除(chú)了降低極化(huà)電壓外,轉換(huàn)器必須能🈲夠(gòu)有電容進行(hang)直流噪聲隔(ge)離,免于進入(rù)放大器被放(fang)大。
4　結束語
　　 直(zhí)流噪聲對電(diàn)磁流量信号(hào)的基準的穩(wen)定性十分重(zhòng)要。直流噪聲(shēng)的成因不限(xiàn)于接液部件(jiàn)金屬極化☎️電(dian)壓(材料腐蝕(shi)),它還包含地(dì)磁感應電壓(ya)、溫差電勢、接(jie)觸電勢以及(jí)電極污染等(deng)諸多方面的(de)原因。這裏,我(wǒ)們不多讨論(lun)。

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