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電磁流量計地磁感應電壓、溫差電勢、接觸電勢以及電極汙染形成的直流噪聲
電磁流量計的流量信號是以流體爲基准的。正確拾取基准電位,關系到流量計能否穩定、可靠、准確地進行流量測量,電解質流體與金屬管道和測量電極存在電化學作用,總會有直流極化電壓在其上産生。分析了直流極化電壓作爲噪聲,影響信號基准電位的原因,試圖爲使用者提供解決直流極化電壓引起漂移問題的辦法。
 自法拉第1832年进行的利用地磁测量泰晤士河流速试验,到1950年工业電磁流量計产品问世,随着电子技术和计算机技术的飞速发展,電磁流量計日趋成熟和完善,已经成为流量仪表中重要的和受欢迎的品种之一。
 当年法拉第进行電磁流量計实验,仅三天就以失败告终。究其原因之一是直流信号中包含有漂移的直流极化电压,其值难以和信号分辨。尽管后来的電磁流量計经历了交流励磁、低频矩形波励磁等技术进步与发展,对于电磁感应引起的正交干扰、同相干扰和由于静电感应引起的串模干扰、共模干扰以及浆液对测量电极摩擦出现的尖状干扰所造成的零点不稳定与测量输出摆动等问题非常有效地给予解决。但是,对于测量电解质流体,接地(接液)部件与测量电极间产生漂移的直流极化电压依然存在,仍然会影响到流量信号的基准点稳定与否,进而影响输出信号的稳定性与可靠性。因而,对于流量信号的基准有必要予以正确认识,并采取有效解决措施。
電磁流量計
 由电学知识可知,对作为电动势的电磁流量信号测量,重要的是需要有一个稳定的电位差基准点,也就是信号要良好接地。过去一些人往往只追求接地电阻尽量小,以为这样就能够得到稳定的流量信号。其实不然,导电流体介质作为信号的基准点更为重要。作者从多年研究、应用電磁流量計的经验出发,现场遇到的这类实际测量问题进行分析,力图认识导电流体作为信号的基准点的重要性,并提供基准点接液的方法,供参考。
  1 導電流體是流量信號電壓的基准電位點
  衆所周知,對一個電壓信號,總有一個基准的“地”點和一個變化的“信號”端點,以構成電位差。初期的電磁流量傳感器曾把一個測量電極作爲信號的“地”點,另一個測量電極作爲“信號”點。這種信號傳輸稱爲“單端信號”,同其他電壓信號一樣,用圖1a可以說明。單端信號的放大是把直流和交流的各種幹擾電壓和信號叠加在一起同時輸入到放大器輸入端子。通常,我們稱這些幹擾爲串模幹擾、正態幹擾或橫向幹擾等。放大器很難把幹擾從信號中分開,這些幹擾信號往往幅度很大,遠大于毫伏級或微伏級的流量信號。于是,這些幹擾就造成了放大信號的失真,使得放大器飽和、堵塞,以至于不能工作。
  現代電磁流量計的流量信號都是以差動形式由傳感器傳輸到轉換放大器的。如同其它差動電壓測量,拾取電磁流量信號的兩個電極都不直接接轉換放大器的信號“地”,而是把“零電阻”的流體介質接到轉換放大器的信號“地”端子上。圖1b所示是這種差動流量信號的等效電路。進入差動信號放大器兩信號端子的信號對“地”端子是幅度大小相等、極性相反,差動放大器放大的是兩電極信號端子的差值。因此,對流量信號而言,差動放大器呈放大狀態。然而,對幅度大小相等、極性相同的共模幹擾,進入差動放大器差值幾乎爲零,輸出也就幾乎爲零。差動放大器對共模幹擾呈衰減狀態。盡管由于接地回路的地電流、極化電壓、勵磁電源與電極間的靜電耦合等原因,在差動流量信號中含有共模幹擾時,只要電壓放大器的參數對稱,除非共模幹擾能夠轉化爲一定的串模幹擾,這些幹擾是不會影響信號放大的。事實上,隨著集成運放電路制造技術的發展,器件的共模抑制比越來越高,如果再采用電源浮動電路等措施,共模抑制比會更高,測量的精度也就越來越高。 
  導電流體介質作爲信號的基准點能夠把流量信號分成差分的差動狀態,並且一再強調測量流體必需可靠地接信號轉換放大器的接地端子。這是因爲差動信號的基准點的變動會使原本電壓幅度大小相等、極性相同的共模幹擾,變成幅度不等的差模幹擾電壓,也就是轉化爲串模幹擾。如前面所述,這時的差動放大器對于抑制串模幹擾也就無能爲力了。
  2 可靠的信號基准與正確接地
  這裏再次強調,把被測量的液體導電介質視爲零電阻,然後作爲差動流量信號的基准點。理論上講,基准點值越小越好,越小其電阻值越接近于零,差動信號幅值分的就越相等。這就是說,被測導電流體應是在大面積的容器內,或者處在長管線的管道中。在文獻[1]中已作分析,流體的體電阻Rt可由電阻率公式求得:
  這裏,導體長度是測量管道的內徑D,導體材料電阻率是電導率σ的倒數,管道長度記作l。一般來說,液體輸送管道都與大地相連。這種假設流體的體電阻爲零的要求,比較容易做到。但在一些模擬試驗時,利用一桶水、一盆水,不一定能滿足這一要求。
  有了导电液体作为信号的基准,还必须用正确方法把这一基准引到差动信号接线端子的中点。实际应用中,采用以下几种方法将测量流体介质作为電磁流量計的信号基准点引出:
  ①流量傳感器安裝在前後是金屬管道的管道中,這時導電流體可以通過流量傳感器前後的金屬管道與之電連接,然後用導線把前後管道與傳感器的接地端子電連接起來。有時候,這種情況不一定完全能使傳感器與前後管道電連接良好,因爲傳感器的絕緣襯裏及絕緣墊圈有可能仍然電隔離了傳感器與前後管道,這時需要用金屬導線將前後管道與傳感器連接起來。
  ②在傳感器前後管道是非金屬或者金屬管道內壁襯有絕緣襯裏的情況下,應用傳感器前後法蘭連有金屬接地環的流量計。導電流體依靠金屬接地環(比較確切地應稱作接液環)與之連接。然後,用接地環與傳感器信號地相連接,對于被測流體電導率比較低的情況,由于液體的體電阻比較大,這時可以采用導電金屬短管代替接地環。
  ③有些情況,譬如強腐蝕液體的測量,爲了節約昂貴的金屬材料,可以用接地(接液)電極的方法來連接基准到傳感器接地點。因爲,這種方式往往測量腐蝕液體的電導率比較高,液體的體電阻非常小,所以用一個點電極來連接就行了。
  當然,在實際應用中,除了流體作爲信號基准接地外,還要注意到前後管道是金屬管道情況,前後管道應當與傳感器的電連接良好。這是因爲金屬管道中往往有地電流、雜散電流、三相不平衡電流,這些電流會在與傳感器測量管沒有良好電連接的兩端管道中形成大的電壓降,構成了大的共模電壓,然後通過接地電阻加到信號電極上影響測量。還要注意到,前後金屬管道爲防腐蝕的目的或電解廢水測量時,可能通有陰極保護電流和大的直流電流在管道中流過,這時前後應用低電阻的大面積銅板把前後金屬管道連接起來,使大電流由銅板旁路流過,在傳感器測量管上不形成大的壓降。
  至于接地電阻,只要將傳感器、前後金屬管道、接地環按一點接地法的原則接大地,接地電阻大小要求並不嚴格。一般情況下,接地電阻在100Ω以下就可以,有防爆要求應小于10Ω。
  3 直流噪聲
  3.1 流體中的極化電壓
  我們知道,電極埋在電解質的液體中將發生正負離子的定向移動,在電極與流體介質間會形成一定的電場。這就是平常所說的極化現象。這個現象可以通過一個實驗觀察。當用毫伏電壓表(數字式萬用表的電壓檔)的試筆插入一杯水中,電壓表能讀出電壓值。這是因爲電壓表試筆的材質有差別,試筆上形成的極化電位不同,因而形成了電位差。電極與接地環(金屬管道、接地電極)材質不同,形成的極化電壓大小和方向將不同。極化電壓是漂移的直流電壓。圖2所示測量電極、金屬管道(或者接地環、接地電極)對流體(視爲0Ω的電阻)的電壓分別爲e1,e2和e3。可以看出,e3是共模電壓,它們分別與差動的流量信號e1和e2叠加,進入轉換器的差動放大器。過大的極化電壓(例如下面我們分析的情況可能高達幾百mV)直接進入差動放大器往往把放大器阻塞,流量信號不能放大。即使能放大,由于叠加的共模電壓是漂移變動的,因此流量信號的輸出擺動也很大。這樣說來,如何降低極化電壓非常重要。
  任何金屬浸入一種電解溶液時,其帶電的正離子趨向于溶解而金屬本身則保持負電荷,這就形成了一定電位的電極。這種電極在介質中形成一個電位差,産生電流,使電極繼續溶解,即繼續腐蝕。這就是電化學的過程。形成的電極的電位可用能斯脫方程表示[2]:
   式中:n为该金属的化合价;T为***温度;R为理想气体的摩尔常数,8.31焦耳/摩尔·K;F为法拉第常数;C为金属离子浓度的常数;c为溶液中金属离子的活度。
  對于所研究的離子標准溶液的電位稱爲標准電位,用E0表示,于是得到金屬在25℃時電極電位爲
  文獻[2]列出了相對于標准氫電極的標准電位(見表1)。
  按金屬材料學[3],在一種金屬中加入一其它合金材料,能提高基體的電極電位。譬如在鐵素體中溶解11.7%的鉻時,其電極電位將由-0.56V躍升爲+0.20V。加入大量的鉻或鉻鎳合金使鋼能形成單相的奧氏體組織,以免形成微電池,降低直流極化電壓,從而顯著提高耐腐蝕性。
   3.2 直流噪声的降低
  按上面介紹金屬材料的極化電位,並與圖2結合起來可以看出,當在同一種電解質流體中接觸兩種不同材質的金屬,它們極化電位的方向和大小不同。兩個金屬電極間的電壓大小和極性隨極化電位的方向和大小而變。譬如,測量電極的材料是含鉻鎳的不鏽鋼,它們對測量流體介質的電位是+0.2V;接液的前後管道是碳鋼,對測量流體介質的電位是-0.58V。那麽,由圖2可以計算,測量電極對接液管道的電壓是+0.78V。如果不使用前後金屬管道作爲基准點連接方式,而使用接地環,接地環的材料也使用與測量電極相同的含鉻鎳的不鏽鋼,這時測量電極對基准點的電壓會變成0V。也就是說,降低了直流共模幹擾。相反,如果電極材料越貴重,譬如是钽或鉑,金屬接液部件的材料是碳鋼或不鏽鋼,測量電極上的直流噪聲也很大。
  在測量鹽酸、硫酸等腐蝕性很強的介質時,盡管測量電極是钽或鉑能夠耐強酸腐蝕;但金屬接液部件的材質是碳鋼、不鏽鋼,耐不了強酸的腐蝕,直流噪聲也增大,會發生輸出的大幅度擺動。所以,在重視測量電極不被腐蝕的同時,必須注意信號基准的接液環的材質耐腐蝕。
  從式(2)可以看到,極化電位受溫度影響(式中,T是***溫度)。這說明直流噪聲與溫度有關,是個漂移量。它的存在將使流量計發生漂移和擺動。因此,除了降低極化電壓外,轉換器必須能夠有電容進行直流噪聲隔離,免于進入放大器被放大。
  直流噪声对電磁流量計信号的基准的稳定性十分重要。直流噪声的成因不限于接液部件金属极化电压(材料腐蚀),它还包含地磁感应电压、温差电势、接触电势以及电极污染等诸多方面的原因。
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