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(ci)流量計 産品問(wen)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(rì)趨成熟和完善(shàn),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(fǎ)拉第進行電磁(ci)流量計實驗,僅(jin)三天就以失敗(bai)告㊙️終。究💘其原因(yīn)之一是直流信(xin)号中包含有漂(piāo)移的直流極化(hua)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(fa)展,對于電磁感(gǎn)應引起的正交(jiao)幹擾、同相幹擾(rǎo)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(rao)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(shi),對于測量電解(jiě)質流體,接地(接(jiē)液)部件與測量(liang)💜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(dao)流量信号的基(ji)準點穩定與否(fou),進而影響輸出(chu)信号的穩定性(xing)與可靠🔞性。因而(er),對于流量信号(hao)的基準有必要(yao)予以正确認識(shí),并采取有效解(jie)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(cè)量,重要的是需(xu)要有一個穩定(dìng)的電位差基準(zhǔn)點,也就是信号(hào)要良好接地。過(guò)去一些人往往(wǎng)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(liang)信号。其實不然(ran),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(yīng)用電磁流量計(jì)的經驗出發,對(duì)現場遇到的⛱️這(zhe)類實際測量問(wen)題進行分析,力(lì)圖認識導電流(liú)體作爲信💃号的(de)基準點的重要(yào)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(hào)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(ji)準的“地”點和💃一(yī)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(liàng)電極作爲信号(hào)的“地🧑🏽‍🤝‍🧑🏻”點,另一個(gè)測量電極作爲(wèi)“信号🌈”點。這種信(xin)号傳輸稱爲“單(dān)端信号”,同其他(tā)電壓信号一樣(yàng),用圖1a可以說明(míng)。單端信号的放(fàng)大是把直💚流和(he)交流的各種幹(gàn)擾電壓和信号(hào)叠♻️加🐕在一起同(tóng)時輸入到放大(da)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(huo)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(xin)号往往幅度👣很(hen)大,遠大于毫伏(fu)級或微伏級的(de)流量信号。于是(shi),這些幹擾就造(zao)成了放大信号(hao)的失真,使得放(fàng)大器飽和🐆、堵塞(sai),以至于不能工(gōng)作。
　　現代電磁流(liú)量計的流量信(xìn)号都是以差動(dòng)形式由傳感器(qì)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻傳輸到轉換放(fang)大器的。如同其(qí)它差動電壓測(ce)量,拾取電磁流(liu)量信号的兩個(gè)電極都不直接(jie)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(zhuan)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(ru)差動信号放大(da)器✍️兩信号端子(zǐ)的信号對“地”端(duan)子是幅度大小(xiǎo)相等、極性相反(fǎn),差動放大器放(fang)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(dà)狀态。然而,對✂️幅(fú)度大小相⭐等、極(jí)性相同的共模(mo)幹擾,進👄入差動(dòng)放大器差🌈值幾(ji)乎👈爲零,輸出也(yě)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(ǒu)合等原因,在差(chà)動流量信号中(zhong)含有共模幹☂️擾(rǎo)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(fàng)電路制造技術(shù)的發展,器件的(de)共模抑制比越(yue)來越高,如果再(zai)采🌈用電源浮動(dong)電路等措施,共(gong)模抑制比🧑🏽‍🤝‍🧑🏻會更(gèng)高,測量的精度(dù)也就越來越高(gao)。

　　導電(diàn)流體介質作爲(wei)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(qie)一再強調測量(liang)流體必需可靠(kào)地接信号轉換(huàn)放大器的接地(di)端子。這是因爲(wèi)差😘動信号的基(jī)準點的變動會(huì)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(shì)轉化爲串模幹(gan)擾。如前面🔱所述(shù),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(kě)靠的信号基準(zhun)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(zuo)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(yue)小其電阻值越(yuè)接近于零,差動(dòng)信号幅值分的(de)就越相等。這就(jiu)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(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(lǐ),導體長度是測(cè)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(shuo),液體輸送管道(dao)都與大地☁️相連(lian)。這種假設流體(tǐ)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(shi),利用一桶❗水、一(yi)盆水,不一定能(neng)滿足這一要求(qiu)。
有了導電液體(ti)作爲信号的基(jī)準,還必須用正(zhèng)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(yīng)用中,采用♉以下(xia)幾種方法将測(ce)量流體介質作(zuò)🥰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(dǎo)電⭐流體可以通(tong)過流量傳感器(qi)前後的金屬管(guǎn)道與🐪之電㊙️連接(jie),然後用導😄線把(ba)前後管道與傳(chuán)感器的接地端(duān)子電連接起來(lái)。有時❤️候,這種情(qíng)況不一定完全(quán)能使傳感器與(yǔ)前後管道🐉電連(lian)接良好,因爲傳(chuán)💜感器的絕緣襯(chen)裏及絕緣墊圈(quan)有可能⁉️仍然電(diàn)隔離了傳感器(qi)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(gǎn)器前後管道是(shi)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(jin)屬接地環(比較(jiao)确切地應稱作(zuo)接液環🌈)與之連(lián)接。然後,用接地(dì)環與傳感器信(xin)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(ti)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(ru)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(di)(接液)電極的方(fāng)法來連接基準(zhun)到傳感器接地(di)點。因爲,這種方(fang)式往往測量腐(fǔ)🚶‍♀️蝕液體的電導(dao)☔率比較高,液體(ti)🐇的體電阻非常(cháng)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(chú)了流體作爲信(xin)号基準接地🔅外(wai),還要注意到前(qian)後管道是金屬(shu)管道情況,前後(hou)管🔞道應🔴當與傳(chuan)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(chuan)感💰器測量管沒(mei)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(hai)要注意到,前後(hou)金屬管🌈道爲防(fang)腐蝕的目的或(huo)電解廢水測量(liàng)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(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(liu)👨‍❤️‍👨過,在傳感器測(cè)✨量管上不形成(chéng)大的壓降。
　　至于(yú)接地電阻,隻要(yao)将傳感器、前後(hòu)金屬管道、接地(dì)環按一點🌏接♍地(dì)法的原則接大(dà)地,接地電阻大(dà)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(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(gè)實驗觀察。當用(yong)毫伏電壓表(數(shù)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(bi)的材質有差别(bie)☀️,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(dào)、接地電極)材質(zhi)不同,形成的極(ji)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(tu)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(yā)分别爲e1,e2和e3。可以(yi)看出,e3是共模電(diàn)壓,它們分别與(yǔ)差動的流量信(xin)号e1和e2叠加,進入(rù)轉換器的差動(dòng)放大器。過大的(de)極化電壓(例如(rú)下面我們分析(xī)的情況可能高(gao)💋達幾百mV)直接進(jin)入差動放大器(qì)往往把放大器(qì)阻塞,流量信号(hào)不能放大。即使(shi)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(hào)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(yào)。

　　任何金(jin)屬浸入一種電(dian)解溶液時,其帶(dài)電的正離子趨(qu)向于🚩溶解而金(jīn)屬本身則保持(chi)負電荷,這就形(xíng)成了一定電♊位(wèi)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(dian)極繼續溶解,即(jí)繼續腐蝕。這就(jiu)是電化🧑🏽‍🤝‍🧑🏻學的過(guò)程。形成的電❄️極(ji)的電位可用能(néng)斯🚶‍♀️脫方程表示(shì)[2]:

　　式中:n爲該金屬(shu)的化合價;T爲絕(jue)對溫度;R爲理想(xiǎng)氣體的摩爾常(cháng)🔞數,8.31焦耳/摩爾·K;F爲(wèi)法拉第常數;C爲(wèi)金屬離子濃度(du)💃🏻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(chēng)爲标準電位,用(yòng)E0表示,于是得到(dao)金屬在25℃時電極(ji)電位爲

　　文獻[2]列(liè)出了相對于标(biāo)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(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(tǐ)中溶解🔴11.7%的鉻🐆時(shi),其電極電位将(jiang)由🍉- 0.56V躍升爲+0.20V。加入(ru)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(mian)形成微電池,降(jiang)低直流極化電(dian)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(jīn)屬材料的極化(hua)電位,并與圖2結(jie)合起來可以看(kan)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(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(xiàng)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(jie)質的電位是+ 0.2V;接(jie)🚶液的前後管道(dào)⭕是碳鋼,對測量(liàng)流體介質的電(dian)位是🍉- 0.58V。那麽,由圖(tú)2可以計算,測量(liàng)電極對接液管(guǎn)道的電壓🈲是+ 0.78V。如(rú)果不使用前後(hou)金屬管道作爲(wèi)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(ye)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(pì)如是钽或鉑,金(jin)屬接液部件的(de)材料是碳鋼或(huo)不鏽鋼,測量電(diàn)極上的直❄️流噪(zao)聲也很大🌈。
　　在測(ce)量鹽酸、硫酸等(deng)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(suan)腐蝕;但金屬接(jie)液部件的材質(zhì)是碳鋼、不鏽鋼(gāng),耐不了強酸的(de)腐蝕,直流噪聲(shēng)也增大,會發生(sheng)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(shi),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(wen)度影響(式中,T是(shi)絕對溫度)。這說(shuō)明📧直流噪聲與(yu)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(bai)動。因此,除了降(jiang)低極化電壓外(wai),轉換器必須能(neng)夠有電容進行(hang)直流噪聲隔離(li),免于進入放大(dà)器被👈放大。
4　結束(shù)語
　　 直流噪聲對(duì)電磁流量信号(hào)的基準的穩定(ding)性十分💚重要。直(zhí)流噪🔱聲的成因(yin)不限于接液部(bù)件金屬極化電(diàn)壓(材料腐蝕),它(tā)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(deng)諸多方面的原(yuán)因。這裏,我們不(bú)多讨論。

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