0 引言
自法拉第1832年進(jìn)行的利用地磁測量泰晤士河流速試驗(yàn),到1950年工業(yè)電磁流量計產(chǎn)品問世,隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,電磁流量計日趨成熟和完善,已經(jīng)成為流量儀表中重要的和受歡迎的品種之一。
當(dāng)年法拉第進(jìn)行電磁流量計實(shí)驗(yàn),僅三天就以失敗告終。究其原因之一是直流信號中包含有漂移的直流極化電壓,其值難以和信號分辨。盡管后來的電磁流量計經(jīng)歷了交流勵磁、低頻矩形波勵磁等技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展,對于電磁感應(yīng)引起的正交干擾、同相干擾和由于靜電感應(yīng)引起的串模干擾、共模干擾以及漿液對測量電極摩擦出現(xiàn)的尖狀干擾所造成的零點(diǎn)不穩(wěn)定與測量輸出擺動等問題非常有效地給予解決。但是,對于測量電解質(zhì)流體,接地(接液)部件與測量電極間產(chǎn)生漂移的直流極化電壓依然存在,仍然會影響到流量信號的基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定與否,進(jìn)而影響輸出信號的穩(wěn)定性與可靠性。因而,對于流量信號的基準(zhǔn)有必要予以正確認(rèn)識,并采取有效解決措施。
由電學(xué)知識可知,對作為電動勢的電磁流量信號測量,重要的是需要有一個穩(wěn)定的電位差基準(zhǔn)點(diǎn),也就是信號要良好接地。過去一些人往往只追求接地電阻盡量小,以為這樣就能夠得到穩(wěn)定的流量信號。其實(shí)不然,導(dǎo)電流體介質(zhì)作為信號的基準(zhǔn)點(diǎn)更為重要。
從多年研究、應(yīng)用電磁流量計的經(jīng)驗(yàn)出發(fā),對現(xiàn)場遇到的這類實(shí)際測量問題進(jìn)行分析,力圖認(rèn)識導(dǎo)電流體作為信號的基準(zhǔn)點(diǎn)的重要性,并提供基準(zhǔn)點(diǎn)接液的方法,供參考。
1 導(dǎo)電流體是流量信號電壓的基準(zhǔn)電位點(diǎn)
眾所周知,對一個電壓信號,總有一個基準(zhǔn)的“地”點(diǎn)和一個變化的“信號”端點(diǎn),以構(gòu)成電位差。初期的電磁流量傳感器曾把一個測量電極作為信號的“地”點(diǎn),另一個測量電極作為“信號”點(diǎn)。這種信號傳輸稱為“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干擾電壓和信號迭加在一起同時輸入到放大器輸入端子。通常,我們稱這些干擾為串模干擾、正態(tài)干擾或橫向干擾等。放大器很難把干擾從信號中分開,這些干擾信號往往幅度很大,遠(yuǎn)大于毫伏級或微伏級的流量信號。于是,這些干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(xiàn)代電磁流量計的流量信號都是以差動形式由傳感器傳輸?shù)睫D(zhuǎn)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(zhuǎn)換放大器的信號“地”,而是把“零電阻”的流體介質(zhì)接到轉(zhuǎn)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(jìn)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(tài)。然而,對幅度大小相等、極性相同的共模干擾,進(jìn)入差動放大器差值幾乎為零,輸出也就幾乎為零。差動放大器對共模干擾呈衰減狀態(tài)。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干擾時,只要電壓放大器的參數(shù)對稱,除非共模干擾能夠轉(zhuǎn)化為一定的串模干擾,這些干擾是不會影響信號放大的。事實(shí)上,隨著集成運(yùn)放電路制造技術(shù)的發(fā)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(dǎo)電流體介質(zhì)作為信號的基準(zhǔn)點(diǎn)能夠把流量信號分成差分的差動狀態(tài),并且一再強(qiáng)調(diào)測量流體必需可靠地接信號轉(zhuǎn)換放大器的接地端子。這是因?yàn)椴顒有盘柕幕鶞?zhǔn)點(diǎn)的變動會使原本電壓幅度大小相等、極性相同的共模干擾,變成幅度不等的差模干擾電壓,也就是轉(zhuǎn)化為串模干擾。如前面所述,這時的差動放大器對于抑制串模干擾也就無能為力了。
2 可靠的信號基準(zhǔn)與正確接地
這里再次強(qiáng)調(diào),把被測量的液體導(dǎo)電介質(zhì)視為零電阻,然后作為差動流量信號的基準(zhǔn)點(diǎn)。理論上講,基準(zhǔn)點(diǎn)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(dǎo)電流體應(yīng)是在大面積的容器內(nèi),或者處在長管線的管道中。在文獻(xiàn)[1]中已作分析,流體的體電阻Rt可由電阻率公式求得:
這里,導(dǎo)體長度是測量管道的內(nèi)徑D,導(dǎo)體材料電阻率是電導(dǎo)率σ的倒數(shù),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(shè)流體的體電阻為零的要求,比較容易做到。但在一些模擬試驗(yàn)時,利用一桶水、一盆水,不一定能滿足這一要求。
有了導(dǎo)電液體作為信號的基準(zhǔn),還必須用正確方法把這一基準(zhǔn)引到差動信號接線端子的中點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中,采用以下幾種方法將測量流體介質(zhì)作為電磁流量計的信號基準(zhǔn)點(diǎn)引出:
①流量傳感器安裝在前后是金屬管道的管道中,這時導(dǎo)電流體可以通過流量傳感器前后的金屬管道與之電連接,然后用導(dǎo)線把前后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后管道電連接良好,因?yàn)閭鞲衅鞯慕^緣襯里及絕緣墊圈有可能仍然電隔離了傳感器與前后管道,這時需要用金屬導(dǎo)線將前后管道與傳感器連接起來。
②在傳感器前后管道是非金屬或者金屬管道內(nèi)壁襯有絕緣襯里的情況下,應(yīng)用傳感器前后法蘭連有金屬接地環(huán)的流量計。導(dǎo)電流體依靠金屬接地環(huán)(比較確切地應(yīng)稱作接液環(huán))與之連接。然后,用接地環(huán)與傳感器信號地相連接,對于被測流體電導(dǎo)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(dǎo)電金屬短管代替接地環(huán)。
③有些情況,譬如強(qiáng)腐蝕液體的測量,為了節(jié)約昂貴的金屬材料,可以用接地(接液)電極的方法來連接基準(zhǔn)到傳感器接地點(diǎn)。因?yàn)?這種方式往往測量腐蝕液體的電導(dǎo)率比較高,液體的體電阻非常小,所以用一個點(diǎn)電極來連接就行了。
當(dāng)然,在實(shí)際應(yīng)用中,除了流體作為信號基準(zhǔn)接地外,還要注意到前后管道是金屬管道情況,前后管道應(yīng)當(dāng)與傳感器的電連接良好。這是因?yàn)榻饘俟艿乐型械仉娏�、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(gòu)成了大的共模電壓,然后通過接地電阻加到信號電極上影響測量。還要注意到,前后金屬管道為防腐蝕的目的或電解廢水測量時,可能通有陰極保護(hù)電流和大的直流電流在管道中流過,這時前后應(yīng)用低電阻的大面積銅板把前后金屬管道連接起來,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、前后金屬管道、接地環(huán)按一點(diǎn)接地法的原則接大地,接地電阻大小要求并不嚴(yán)格。一般情況下,接地電阻在100Ω以下就可以,有防爆要求應(yīng)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(zhì)的液體中將發(fā)生正負(fù)離子的定向移動,在電極與流體介質(zhì)間會形成一定的電場。這就是平常所說的極化現(xiàn)象。這個現(xiàn)象可以通過一個實(shí)驗(yàn)觀察。當(dāng)用毫伏電壓表(數(shù)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?yàn)殡妷罕碓嚬P的材質(zhì)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(huán)(金屬管道、接地電極)材質(zhì)不同,形成的極化電壓大小和方向?qū)⒉煌O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(huán)、接地電極)對流體(視為0Ψ的電阻)的電壓分別為e1,e2和e3�？梢钥闯�,e3是共模電壓,它們分別與差動的流量信號e1和e2迭加,進(jìn)入轉(zhuǎn)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(dá)幾百mV)直接進(jìn)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,由于迭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(fù)電荷,這就形成了一定電位的電極。這種電極在介質(zhì)中形成一個電位差,產(chǎn)生電流,使電極繼續(xù)溶解,即繼續(xù)腐蝕。這就是電化學(xué)的過程。形成的電極的電位可用能斯脫方程表示[2]:
式中:n為該金屬的化合價;T為絕對溫度;R為理想氣體的摩爾常數(shù),8.31焦耳/摩爾·K;F為法拉第常數(shù);C為金屬離子濃度的常數(shù);c為溶液中金屬離子的活度。
對于所研究的離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的電位稱為標(biāo)準(zhǔn)電位,用E0表示,于是得到金屬在25℃時電極電位為
文獻(xiàn)[2]列出了相對于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)電位(見表1)。
按金屬材料學(xué)[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躍升為+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 直流噪聲的降低
按上面介紹金屬材料的極化電位,并與圖2結(jié)合起來可以看出,當(dāng)在同一種電解質(zhì)流體中接觸兩種不同材質(zhì)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銹鋼,它們對測量流體介質(zhì)的電位是+ 0.2V;接液的前后管道是碳鋼,對測量流體介質(zhì)的電位是- 0.58V。那么,由圖2可以計算,測量電極對接液管道的電壓是+ 0.78V。如果不使用前后金屬管道作為基準(zhǔn)點(diǎn)連接方式,而使用接地環(huán),接地環(huán)的材料也使用與測量電極相同的含鉻鎳的不銹鋼,這時測量電極對基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓會變成0V。也就是說,降低了直流共模干擾。相反,如果電極材料越貴重,譬如是鉭或鉑,金屬接液部件的材料是碳鋼或不銹鋼,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(qiáng)的介質(zhì)時,盡管測量電極是鉭或鉑能夠耐強(qiáng)酸腐蝕;但金屬接液部件的材質(zhì)是碳鋼、不銹鋼,耐不了強(qiáng)酸的腐蝕,直流噪聲也增大,會發(fā)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,必須注意信號基準(zhǔn)的接液環(huán)的材質(zhì)耐腐蝕。
從式(2)可以看到,極化電位受溫度影響(式中,T是絕對溫度)。這說明直流噪聲與溫度有關(guān),是個漂移量。它的存在將使流量計發(fā)生漂移和擺動。因此,除了降低極化電壓外,轉(zhuǎn)換器必須能夠有電容進(jìn)行直流噪聲隔離,免于進(jìn)入放大器被放大。
4 結(jié)束語
直流噪聲對電磁流量信號的基準(zhǔn)的穩(wěn)定性十分重要。直流噪聲的成因不限于接液部件金屬極化電壓(材料腐蝕),它還包含地磁感應(yīng)電壓、溫差電勢、接觸電勢以及電極污染等諸多方面的原因。這里,我們不多討論。
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