0 引(yǐn)言
自法拉第1832年進行(háng)的(de)利(lì)用地(dì)磁測量泰晤士(shì)河流速(sù)試驗,到(dào)1950年(nián)
工業電磁流(liú)量計
産品問(wèn)世,随着電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,電(diàn)磁流(liú)量計(jì)
日趨(qū)成熟和完善,已(yǐ)經成爲(wèi)流量儀(yí)表中重要(yào)的和受歡(huān)迎的品種(zhǒng)之一。
當年法拉第進(jìn)行電(diàn)磁流(liú)量計實驗,僅三(sān)天就以失敗告(gào)終。究其原(yuán)因之(zhī)一是(shì)直流(liú)信号(hào)中包含有(yǒu)漂移的直流極(jí)化電(diàn)壓,其值(zhí)難(nán)以和(hé)信号分(fèn)辨(biàn)。盡管(guǎn)後來(lái)的電(diàn)磁流(liú)量計經(jīng)曆了交(jiāo)流勵磁、低(dī)頻矩(jǔ)形波(bō)勵(lì)磁等技術進步與(yǔ)發展,對于(yú)電磁感應(yīng)引起的正(zhèng)交幹擾、同相幹擾和由于靜(jìng)電感應(yīng)引起(qǐ)的串模幹(gàn)擾、共模幹擾以(yǐ)及漿液對(duì)測量(liàng)電極(jí)摩擦出現(xiàn)的尖狀幹擾所(suǒ)造成(chéng)的(de)零(líng)點不(bú)穩定與測(cè)量輸(shū)出擺動(dòng)等問題非常有效地給(gěi)予解(jiě)決。但(dàn)是,對(duì)于測量電解質(zhì)流體,接地(dì)(接液(yè))部件(jiàn)與(yǔ)測量電極間産生漂移的直(zhí)流極化電(diàn)壓依(yī)然存在,仍(réng)然會影響到流(liú)量信号的(de)基準(zhǔn)點穩(wěn)定與否,進(jìn)而影響輸出信(xìn)号的(de)穩定(dìng)性與(yǔ)可靠性。因(yīn)而,對(duì)于流量信号的基準有必(bì)要予(yǔ)以正确(què)認識,并(bìng)采取有效(xiào)解決(jué)措施(shī)。
由電學知(zhī)識可知,對(duì)作爲(wèi)電動(dòng)勢的電磁流量信号測量(liàng),重要(yào)的是(shì)需要(yào)有一個(gè)穩定的(de)電位差基準點(diǎn),也就是信号要(yào)良好(hǎo)接(jiē)地(dì)。過去(qù)一些人往(wǎng)往隻追求接地電阻(zǔ)盡量小(xiǎo),以(yǐ)爲這樣就能夠(gòu)得到(dào)穩定的流(liú)量信(xìn)号。其(qí)實不然,導(dǎo)電流體介質作(zuò)爲信(xìn)号(hào)的基準點更爲重(zhòng)要。
從多年研究(jiū)、應用(yòng)電磁流量(liàng)計的(de)經(jīng)驗(yàn)出(chū)發(fā),對現(xiàn)場遇到的這(zhè)類(lèi)實際(jì)測量問題(tí)進行分(fèn)析(xī),力圖認識(shí)導電流體(tǐ)作爲信(xìn)号的基準點的(de)重(zhòng)要性(xìng),并提供基準點(diǎn)接液(yè)的方(fāng)法,供(gòng)參考。
1 導電(diàn)流體是流量信号電(diàn)壓的(de)基準電位點
衆所周知,對(duì)一個電壓信号(hào),總有(yǒu)一(yī)個基準的“地”點和一個(gè)變化(huà)的“信(xìn)号(hào)”端(duān)點,以構成(chéng)電位(wèi)差。初期的電磁(cí)流量(liàng)傳感(gǎn)器曾(céng)把一(yī)個測量電(diàn)極作爲信(xìn)号的“地”點,另一個測量電(diàn)極作(zuò)爲“信(xìn)号”點。這種(zhǒng)信号(hào)傳輸稱爲(wèi)“單端(duān)信号”,同其(qí)他電壓信号(hào)一樣,用(yòng)圖1a可(kě)以說明。單端信(xìn)号的(de)放大(dà)是(shì)把(bǎ)直流和交(jiāo)流的各種幹(gàn)擾(rǎo)電壓和信号叠(dié)加在一(yī)起(qǐ)同時輸入(rù)到放大器輸(shū)入端子。通常(cháng),我們稱(chēng)這些幹(gàn)擾爲串(chuàn)模(mó)幹擾、正态幹(gàn)擾或橫(héng)向幹(gàn)擾等(děng)。放大(dà)器(qì)很(hěn)難把幹擾(rǎo)從信号(hào)中分開,這些幹擾信号(hào)往往(wǎng)幅(fú)度(dù)很大(dà),遠大(dà)于毫伏級(jí)或微伏級的流(liú)量信号。于是(shì),這(zhè)些幹擾就(jiù)造成(chéng)了放大信号的(de)失真,使得放大器(qì)飽和、堵塞,以(yǐ)至于(yú)不能(néng)工(gōng)作(zuò)。
現代電磁流量(liàng)計的流量(liàng)信号(hào)都是以差動形(xíng)式由(yóu)傳感器傳(chuán)輸到轉(zhuǎn)換放(fàng)大(dà)器的。如同(tóng)其它(tā)差動電(diàn)壓(yā)測量(liàng),拾取電磁流量信号(hào)的兩(liǎng)個電(diàn)極都不直接(jiē)接轉換放大(dà)器的信号“地”,而(ér)是把(bǎ)“零電阻”的(de)流體(tǐ)介質接到(dào)轉換放大器的信号(hào)“地”端子上(shàng)。圖1b所示是(shì)這種(zhǒng)差動(dòng)流量信(xìn)号(hào)的等(děng)效電路。進(jìn)入差(chà)動信号放(fàng)大器(qì)兩信(xìn)号端子的(de)信号對“地(dì)”端子是幅度大(dà)小相(xiàng)等、極性相反,差(chà)動放(fàng)大器放大的是兩電(diàn)極信号端子的差值(zhí)。因此(cǐ),對流(liú)量信(xìn)号而(ér)言(yán),差動放(fàng)大器呈放大狀(zhuàng)态。然(rán)而,對(duì)幅度(dù)大小相(xiàng)等、極性(xìng)相同的共模幹(gàn)擾,進(jìn)入差動放(fàng)大器(qì)差值幾乎(hū)爲零,輸出(chū)也就(jiù)幾乎爲零。差動(dòng)放大器對共模幹擾呈衰減狀(zhuàng)态。盡管由(yóu)于(yú)接地回路的(de)地電(diàn)流、極(jí)化電壓、勵(lì)磁電(diàn)源與電極間的靜電(diàn)耦合(hé)等原(yuán)因(yīn),在差動(dòng)流量(liàng)信(xìn)号(hào)中含(hán)有共(gòng)模(mó)幹擾時(shí),隻要電(diàn)壓放大器的參數對稱(chēng),除非共模(mó)幹擾(rǎo)能夠轉化(huà)爲一(yī)定的串(chuàn)模(mó)幹擾(rǎo),這些(xiē)幹擾是不(bú)會影響信(xìn)号放(fàng)大的。事實上,随(suí)着集成運(yùn)放電(diàn)路制造(zào)技(jì)術的(de)發展,器件的共(gòng)模抑制比越來(lái)越高,如果再(zài)采(cǎi)用電(diàn)源浮(fú)動電(diàn)路等(děng)措施,共模抑制(zhì)比(bǐ)會更高(gāo),測(cè)量(liàng)的精度也(yě)就越來越高(gāo)。
導(dǎo)電流體介質作爲信(xìn)号的(de)基準點能(néng)夠把流量(liàng)信号(hào)分成差分的差動狀态,并且一(yī)再強調測(cè)量流(liú)體必(bì)需(xū)可靠地(dì)接信号轉換放大器(qì)的接地端(duān)子。這是(shì)因(yīn)爲差(chà)動信(xìn)号的基準(zhǔn)點的(de)變動(dòng)會使原本(běn)電(diàn)壓(yā)幅度(dù)大小相等(děng)、極性(xìng)相同的共模幹(gàn)擾,變成(chéng)幅度不等的差模(mó)幹擾(rǎo)電壓,也就是轉(zhuǎn)化爲串模(mó)幹擾(rǎo)。如前(qián)面所述,這時的差動放大(dà)器對于(yú)抑制串(chuàn)模幹擾也就無(wú)能爲(wèi)力(lì)了。
2 可靠(kào)的信(xìn)号基準與(yǔ)正确接地
這裏再次(cì)強調,把被測量的液(yè)體導(dǎo)電介質(zhì)視爲零電阻(zǔ),然後作爲(wèi)差動流量(liàng)信号(hào)的基準點。理論上講,基準點值越小越好,越小(xiǎo)其電阻值越接(jiē)近于零,差動信(xìn)号幅值(zhí)分的就(jiù)越相等。這(zhè)就是說,被(bèi)測導電流(liú)體應(yīng)是(shì)在大面(miàn)積的容器(qì)内,或(huò)者處在長管線的管道中。在文(wén)獻[1]中已(yǐ)作分析(xī),流體(tǐ)的體(tǐ)電阻(zǔ)rt可由(yóu)電阻(zǔ)率公(gōng)式求(qiú)得:
這裏,導(dǎo)體長度是(shì)測量(liàng)管道的内徑d,導(dǎo)體材料電阻率(lǜ)是電導(dǎo)率σ的倒(dǎo)數,管道長度記(jì)作l。一般(bān)來說,液體輸送管道都(dōu)與大地(dì)相(xiàng)連。這種假設流(liú)體的體電阻爲零的(de)要求,比較容易做到。但(dàn)在一些(xiē)模拟試(shì)驗時,利(lì)用一(yī)桶水(shuǐ)、一盆(pén)水,不(bú)一定能滿(mǎn)足這(zhè)一要(yào)求。
有(yǒu)了導電液(yè)體作(zuò)爲信号的基準(zhǔn),還必須用正确(què)方法把這一(yī)基(jī)準引到差動信号接(jiē)線端子的中點(diǎn)。實際應用(yòng)中,采(cǎi)用以下幾(jǐ)種方法将測量流體(tǐ)介質作爲電磁流量(liàng)計的信号基準點引出(chū):
①流(liú)量傳(chuán)感器(qì)安裝(zhuāng)在(zài)前後(hòu)是金屬(shǔ)管(guǎn)道的管(guǎn)道中,這時導電(diàn)流體可以通過流量傳感器前(qián)後的金屬管道與之電連(lián)接,然(rán)後用導線把前後管(guǎn)道(dào)與傳感(gǎn)器的接地(dì)端子(zǐ)電連接起來。有(yǒu)時候,這種情況(kuàng)不一定(dìng)完(wán)全能使傳感器與前(qián)後(hòu)管(guǎn)道電連接(jiē)良好,因(yīn)爲傳感(gǎn)器的絕緣(yuán)襯裏(lǐ)及絕緣墊圈有可能(néng)仍然(rán)電隔離了傳感器與(yǔ)前後管道,這時(shí)需要用金屬導(dǎo)線将前後(hòu)管道與傳(chuán)感(gǎn)器連接(jiē)起來(lái)。
②在傳感器(qì)前後管道(dào)是非(fēi)金屬或者金屬(shǔ)管道(dào)内(nèi)壁(bì)襯有絕緣襯裏的情(qíng)況下(xià),應用(yòng)傳感器前(qián)後(hòu)法蘭連有金屬接(jiē)地環的流(liú)量計。導電流體(tǐ)依靠金屬(shǔ)接(jiē)地(dì)環(huán)(比較确(què)切地應稱(chēng)作(zuò)接(jiē)液環)與之連接(jiē)。然後,用接地環(huán)與傳(chuán)感器信号地(dì)相連(lián)接(jiē),對于(yú)被測流體電導(dǎo)率比(bǐ)較(jiào)低(dī)的情況,由(yóu)于液體的(de)體電(diàn)阻比(bǐ)較大,這(zhè)時(shí)可以采用(yòng)導電(diàn)金屬短管(guǎn)代替接地(dì)環。
③有(yǒu)些情況,譬(pì)如強(qiáng)腐蝕液體的測(cè)量,爲了(le)節約昂貴的金屬材料(liào),可以用(yòng)接地(接液)電極的方法(fǎ)來連(lián)接(jiē)基(jī)準到(dào)傳感(gǎn)器接地點(diǎn)。因爲(wèi),這種方式往往測量腐蝕(shí)液體的(de)電(diàn)導率(lǜ)比較(jiào)高,液(yè)體的體電阻非常小,所以用一個點電極來連接就(jiù)行了(le)。
當然,在實(shí)際應用(yòng)中(zhōng),除了流體作爲信号(hào)基準接地(dì)外,還要注意到前後(hòu)管道(dào)是(shì)金屬管(guǎn)道情(qíng)況(kuàng),前後管道應當(dāng)與(yǔ)傳感(gǎn)器的(de)電連接良(liáng)好。這(zhè)是(shì)因爲金(jīn)屬管(guǎn)道中往往(wǎng)有地電流、雜散(sàn)電流、三相不平(píng)衡電流,這些電流會在與(yǔ)傳感器測(cè)量管沒有良好電連接的(de)兩端管(guǎn)道中形(xíng)成大的電壓降(jiàng),構成了大(dà)的共模電壓(yā),然後通(tōng)過接地電阻加(jiā)到信号電極上(shàng)影響測量。還要(yào)注意到,前後金屬管道爲防腐(fǔ)蝕的(de)目的或電(diàn)解(jiě)廢水測量時(shí),可能通有(yǒu)陰極(jí)保護電流(liú)和大的直流(liú)電流在(zài)管道(dào)中流過,這(zhè)時前(qián)後應用低(dī)電阻的大面(miàn)積(jī)銅闆(pǎn)把前(qián)後金屬管(guǎn)道連(lián)接起(qǐ)來,使大電流由(yóu)銅(tóng)闆旁路(lù)流過(guò),在傳感器測量(liàng)管上不形(xíng)成大(dà)的壓降(jiàng)。
至于接(jiē)地電阻(zǔ),隻要将傳感器、前後金(jīn)屬管道、接地環(huán)按一點接地法(fǎ)的原則接大地(dì),接地電阻(zǔ)大小要求并不(bú)嚴格(gé)。一般(bān)情況下(xià),接(jiē)地電阻在(zài)100Ω以下就可以(yǐ),有防爆(bào)要求應小于10Ω。
3 直(zhí)流噪(zào)聲
3.1 流體中(zhōng)的極化(huà)電壓(yā)
我(wǒ)們知(zhī)道,電(diàn)極埋在電解(jiě)質(zhì)的液(yè)體中(zhōng)将(jiāng)發生正負(fù)離子的(de)定向(xiàng)移動,在電極與流體介(jiè)質(zhì)間會形成一定(dìng)的電場。這就是(shì)平常所說的極化現(xiàn)象。這(zhè)個現象(xiàng)可(kě)以通過一(yī)個實(shí)驗觀(guān)察。當用毫伏電(diàn)壓表(數字(zì)式萬(wàn)用表(biǎo)的電(diàn)壓檔)的試(shì)筆插入一(yī)杯水中,電壓表能讀出電(diàn)壓值(zhí)。這是因爲(wèi)電壓表試筆的(de)材質有差(chà)别,試(shì)筆上形成(chéng)的極(jí)化電位不(bú)同,因而形成了電位(wèi)差。電極與接地(dì)環(金屬管道、接(jiē)地電極)材質不同,形(xíng)成的極化(huà)電壓(yā)大小(xiǎo)和方(fāng)向将不同。極化(huà)電壓是漂移的(de)直流電(diàn)壓(yā)。圖2所(suǒ)示測量電極、金(jīn)屬管道(dào)(或者接(jiē)地(dì)環、接(jiē)地(dì)電極(jí))對流(liú)體(視爲0Ψ的(de)電阻(zǔ))的電壓分(fèn)别爲(wèi)e1,e2和(hé)e3。可以看(kàn)出,e3是共模(mó)電壓,它們分别與差(chà)動的(de)流量信号e1和e2叠加,進入轉(zhuǎn)換器的差動放大器。過(guò)大的極(jí)化電壓(例(lì)如下面我(wǒ)們分(fèn)析的(de)情況可能高達(dá)幾百mv)直接(jiē)進入(rù)差動(dòng)放大(dà)器往(wǎng)往(wǎng)把放大(dà)器阻(zǔ)塞,流量信(xìn)号(hào)不(bú)能放大。即使能(néng)放大(dà),由于(yú)叠加(jiā)的共(gòng)模電壓是(shì)漂(piāo)移變(biàn)動的,因(yīn)此流量信号的(de)輸出擺動也很(hěn)大。這(zhè)樣(yàng)說來,如(rú)何降低極(jí)化電壓非(fēi)常重要。
任何(hé)金屬(shǔ)浸入一種電解(jiě)溶液(yè)時,其帶電(diàn)的正(zhèng)離子趨向于溶解而金屬本身則保(bǎo)持負電荷(hé),這就(jiù)形成了一定電位的(de)電極。這種電極(jí)在介質(zhì)中形成(chéng)一個(gè)電位差,産(chǎn)生電流,使(shǐ)電極繼續(xù)溶解,即繼(jì)續腐蝕。這就是(shì)電化學(xué)的過程。形成的(de)電極的(de)電位可(kě)用能斯(sī)脫方(fāng)程表(biǎo)示[2]:
式(shì)中:n爲該(gāi)金(jīn)屬的(de)化合價;t爲(wèi)絕對溫度(dù);r爲(wèi)理想氣(qì)體的摩(mó)爾常數(shù),8.31焦耳/摩爾·k;f爲法(fǎ)拉第常數(shù);c爲金(jīn)屬離子(zǐ)濃度的常數;c爲溶(róng)液中金屬離(lí)子的活(huó)度。
對(duì)于所(suǒ)研究(jiū)的離(lí)子标準溶(róng)液的(de)電位(wèi)稱(chēng)爲(wèi)标準電位,用e0表(biǎo)示,于是得到金屬在(zài)25℃時(shí)電極電(diàn)位(wèi)爲
文獻(xiàn)[2]列出(chū)了相(xiàng)對于标準氫電(diàn)極的(de)标準電位(見表1)。
按金(jīn)屬材料學[3],在一(yī)種金(jīn)屬中加入(rù)一其它合金材料,能提高基體(tǐ)的電極(jí)電位。譬如在鐵(tiě)素(sù)體中(zhōng)溶解11.7%的鉻(gè)時,其(qí)電極電位(wèi)将由- 0.56v躍升爲+0.20v。加(jiā)入大量的(de)鉻(gè)或鉻鎳(niè)合金使鋼能形(xíng)成單相的(de)奧氏(shì)體組織(zhī),以免形成微電池,降低(dī)直流極化(huà)電壓,從而顯著提高耐腐蝕(shí)性。
3.2 直流(liú)噪聲(shēng)的(de)降低(dī)
按(àn)上面介紹(shào)金屬(shǔ)材料的極化電(diàn)位,并與圖2結合(hé)起來可以看出(chū),當在同一(yī)種電(diàn)解質流體(tǐ)中接(jiē)觸兩種不同材(cái)質的金屬,它們(men)極(jí)化(huà)電位(wèi)的方向和大小不同。兩個金屬電極(jí)間的電壓大小(xiǎo)和極(jí)性随(suí)極化電位(wèi)的方向和(hé)大小而(ér)變。譬(pì)如(rú),測量電極的材(cái)料是含(hán)鉻鎳的不鏽鋼,它們對(duì)測量流體介質(zhì)的電位是+ 0.2v;接液(yè)的前(qián)後管道是碳鋼(gāng),對(duì)測量流(liú)體介質的電位(wèi)是- 0.58v。那麽,由圖2可(kě)以計算,測量電極對(duì)接液管道(dào)的電壓是+ 0.78v。如果(guǒ)不使(shǐ)用前後金屬(shǔ)管(guǎn)道作(zuò)爲基(jī)準點連接方式(shì),而使(shǐ)用接(jiē)地環(huán),接地(dì)環(huán)的材料(liào)也使(shǐ)用與測量電極相同的含(hán)鉻鎳(niè)的不鏽鋼(gāng),這時(shí)測量電極對基準點的電壓會變成0v。也就是說,降低了直(zhí)流共模幹擾。相(xiàng)反,如(rú)果(guǒ)電極材(cái)料越(yuè)貴(guì)重(zhòng),譬如(rú)是钽(tǎn)或鉑(bó),金屬(shǔ)接液部件的材(cái)料是碳鋼(gāng)或不鏽鋼,測量電極(jí)上的直(zhí)流(liú)噪聲也很(hěn)大。
在測量(liàng)鹽酸、硫酸等腐(fǔ)蝕性(xìng)很強(qiáng)的(de)介質時,盡管(guǎn)測量(liàng)電極是钽或鉑(bó)能夠耐強酸腐蝕;但(dàn)金(jīn)屬接液(yè)部件的材質是碳鋼(gāng)、不鏽(xiù)鋼,耐(nài)不了強(qiáng)酸的腐(fǔ)蝕,直(zhí)流(liú)噪(zào)聲也(yě)增(zēng)大,會發(fā)生輸(shū)出的大幅度(dù)擺(bǎi)動。所以,在重視測量(liàng)電(diàn)極不被(bèi)腐蝕(shí)的同(tóng)時,必須注(zhù)意信号基(jī)準的接(jiē)液環的(de)材質耐腐蝕。
從式(2)可以(yǐ)看(kàn)到,極(jí)化電位受溫度(dù)影響(式(shì)中(zhōng),t是絕(jué)對溫度)。這(zhè)說明直流噪(zào)聲(shēng)與溫(wēn)度有關,是個漂移量(liàng)。它的存在将使(shǐ)流量計發(fā)生漂移和(hé)擺(bǎi)動(dòng)。因此,除了(le)降低(dī)極化電壓(yā)外,轉(zhuǎn)換器(qì)必須能夠(gòu)有電容進行直流噪聲隔離,免(miǎn)于進入放大器(qì)被放大(dà)。
4 結束語(yǔ)
直流(liú)噪聲對電(diàn)磁流(liú)量信号的(de)基準的穩(wěn)定(dìng)性(xìng)十分(fèn)重要(yào)。直流(liú)噪聲的(de)成因不限于接液(yè)部件(jiàn)金屬極(jí)化(huà)電壓(yā)(材料(liào)腐蝕),它還(hái)包含地磁(cí)感應電壓(yā)、溫差電勢(shì)、接觸(chù)電勢以及(jí)電(diàn)極(jí)污染等諸(zhū)多方(fāng)面的原(yuán)因(yīn)。這裏,我們不多(duō)讨論。
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