0　引言
　　自法(fǎ)拉第1832年進(jìn)行的利用(yòng)地磁測量(liang)泰晤士河(hé)流速試驗(yàn),到1950年 工業(yè)電磁流量(liang)計 産品問(wen)世,随着電(diàn)子技術和(he)計算機技(ji)術的飛速(sù)發🌈展,電磁(cí)流量計 日(ri)趨成熟和(he)完善,已經(jing)成爲流量(liang)儀表中重(zhong)要的和受(shou)歡迎的品(pin)種之一。
　　當(dāng)年法拉第(dì)進行電磁(cí)流量計實(shí)驗,僅三天(tiān)就以失🌍敗(bài)告終。究🙇🏻其(qi)原因之一(yi)是直流信(xin)号中包含(han)有漂移💃的(de)直流極化(huà)電壓,其值(zhí)難以和信(xin)号分辨。盡(jin)管後來的(de)電磁流量(liàng)計經曆了(le)交流勵🏃🏻磁(ci)、低頻矩形(xing)波勵磁等(deng)技術進步(bù)與發展,對(dui)于電磁💘感(gǎn)應引起🔅的(de)正交幹🚶擾(rǎo)、同相幹擾(rǎo)和由于靜(jìng)電感應引(yǐn)起的🈲串模(mó)幹擾、共模(mo)幹擾以及(ji)漿液對測(cè)量電極摩(mó)擦出現的(de)尖狀幹擾(rǎo)所造成的(de)零點💔不穩(wen)定♊與測量(liang)輸出擺動(dong)等問題非(fēi)常有效地(di)給予解🐅決(jué)。但是,對于(yu)測量電解(jie)質流體,接(jie)地(接液)部(bù)件與測量(liang)👨‍❤️‍👨電極間😘産(chan)生漂移的(de)直流極化(huà)電壓依然(ran)存在,仍然(ran)會影響到(dào)流量信号(hao)的基準點(diǎn)穩定與否(fou),進而影響(xiǎng)輸出信号(hao)的穩定性(xing)與可靠性(xìng)。因🌈而,對于(yu)流量信号(hào)的基準有(yǒu)必要予以(yǐ)正确認識(shí),并采取有(yǒu)效解決措(cuò)施。
　　由電學(xue)知識可知(zhi),對作爲電(diàn)動勢的電(diàn)磁流量信(xìn)号測量,重(zhòng)要‼️的是需(xu)要有一個(ge)穩定的電(dian)位差基準(zhun)點✨,也就是(shì)信号要良(liang)好接地。過(guò)去一些人(rén)往往隻追(zhuī)求接地電(diàn)阻盡量‼️小(xiao),以爲這樣(yàng)就能夠得(dé)到穩定的(de)流❄️量信号(hào)。其💞實不然(ran),導電流體(tǐ)介質作爲(wei)信号的基(jī)準☁️點更爲(wèi)重要。
　　從多(duo)年研究、應(ying)用電磁流(liu)量計的經(jīng)驗出發,對(dui)現場😄遇到(dao)♍的這類💜實(shi)際測量問(wèn)題進行分(fèn)析,力圖認(ren)識導電流(liú)體作爲信(xin)⛷️号的✔️基準(zhun)點的重要(yao)性,并提供(gòng)基準💃🏻點接(jiē)液的方法(fǎ),供參考。
1　導(dǎo)電流體是(shì)流量信号(hao)電壓的基(jī)準電位點(diǎn)
　　衆所周知(zhi),對一個電(diàn)壓信号,總(zǒng)有一個基(jī)準的“地”點(dian)和一個變(bian)🌍化的“信号(hào)”端點,以構(gòu)成電位差(chà)。初期的電(diàn)磁流量傳(chuan)⭐感器曾把(ba)一個測量(liang)電極作爲(wei)信号的“地(di)”點,另一個(gè)測量電極(jí)作爲“信号(hao)”點。這種信(xìn)号傳輸稱(cheng)爲“單端信(xìn)📧号”,同其他(ta)🌂電壓信号(hào)一樣,用圖(tu)1a可以說明(ming)。單端信号(hào)的放大是(shi)把直流和(hé)交流的各(gè)種幹擾電(dian)🔞壓和信号(hào)叠加在一(yī)起同時輸(shū)🔅入到放大(dà)器輸入端(duan)子。通常,我(wo)們稱這些(xie)幹擾爲串(chuan)模幹擾、正(zhèng)态幹擾或(huò)🐅橫向幹擾(rǎo)等。放大器(qi)💘很難把幹(gàn)擾從信号(hao)中分開,這(zhe)些幹擾信(xìn)🍓号往往幅(fú)度很大,遠(yuǎn)大于毫伏(fu)級或微伏(fu)🈲級的流量(liang)信号。于是(shì),這些💃🏻幹擾(rǎo)就造成了(le)✊放大信号(hào)的失真,使(shi)得放大器(qi)飽和、堵塞(sai),以至于不(bú)能工作。
　　現(xiàn)代電磁流(liú)量計的流(liú)量信号都(dou)是以差動(dòng)形式由傳(chuan)感器傳輸(shū)到轉換放(fang)大器的。如(ru)同其它差(cha)動電壓測(ce)量,拾取電(diàn)磁流量信(xìn)号的兩個(ge)電極都不(bu)直接接🏃‍♂️轉(zhuǎn)換放大器(qì)的信号“地(dì)”,而是把“零(líng)電阻📧”的流(liu)體介質接(jie)到轉換放(fàng)大器的信(xìn)号“地”端子(zi)上。圖1b所示(shì)是這種☀️差(chà)動流量信(xin)号的等效(xiào)電路。進入(rù)差動🏃🏻‍♂️信号(hào)放大器兩(liǎng)信号端子(zi)的信号對(duì)“地”端子🔴是(shi)幅度大小(xiao)相等、極性(xìng)相反,差🔞動(dong)放大器放(fang)大的是兩(liang)電⭐極信号(hao)端子的差(chà)值。因此,對(duì)流量信号(hao)而言,差動(dòng)放大器呈(chéng)放大狀态(tai)。然而,對幅(fu)度大小相(xiang)等、極性相(xiang)同的共模(mo)幹擾,進入(ru)差動放大(da)器差值幾(ji)乎爲零,輸(shū)出也就幾(ji)乎爲零。差(cha)動放大器(qì)對共模幹(gan)擾呈衰減(jiǎn)狀态。盡管(guan)由于接地(dì)回路的地(dì)電流、極化(huà)電壓、勵磁(cí)電源與電(diàn)極間的靜(jìng)電耦合等(deng)原因,在差(chà)動流量信(xìn)👣号中含有(you)共模幹擾(rao)時,隻要電(dian)壓放大器(qì)的參數對(dui)稱,除非共(gòng)模幹擾能(neng)夠轉化爲(wèi)一定的串(chuàn)模幹擾,這(zhe)些幹擾是(shì)不會影響(xiang)信号放大(dà)的。事實上(shàng),随着集成(chéng)運放電路(lu)制造技術(shu)的發展,器(qì)🙇🏻件的共模(mó)抑制比越(yue)來越高,如(rú)果再采🌈用(yòng)電源浮動(dong)電路等措(cuò)施,共模抑(yi)制比會更(geng)高,測量的(de)精度也🏃‍♀️就(jiu)越來越高(gao)。

　　導電流體(ti)介質作爲(wei)信号的基(jī)準點能夠(gou)把流量信(xìn)号分成差(cha)分♉的差動(dòng)狀态,并且(qie)一再強調(diào)測量流體(tǐ)♉必需可靠(kao)地接信号(hao)😘轉換放大(da)器的接地(di)端子。這是(shi)因爲差動(dong)信号的基(jī)準點的變(biàn)❗動會使原(yuan)本電壓幅(fú)度大小相(xiàng)等、極性相(xiàng)同的共模(mó)☎️幹擾,變成(cheng)幅度不等(deng)的差模幹(gàn)擾電壓,也(yě)就是轉化(huà)爲串模幹(gan)擾。如前面(mian)所述,這時(shi)的差動放(fàng)大器對于(yú)抑制串模(mó)幹擾也就(jiu)無能爲力(lì)了。
2　可靠的(de)信号基準(zhǔn)與正确接(jie)地
　　這裏再(zai)次強調,把(bǎ)被測量的(de)液體導電(dian)介質視爲(wèi)零電😘阻㊙️,然(ran)後作🔱爲差(chà)動流量信(xìn)号的基準(zhǔn)點。理論上(shàng)講,基準🔴點(diǎn)值越小越(yue)好,越小其(qi)電阻值越(yue)接近于零(líng),差動信号(hào)幅值分的(de)就越相等(děng)。這就是說(shuō),被測導電(dian)流體應是(shì)在大面積(jī)的✨容器内(nei),或者處在(zai)長管線的(de)管道中。在(zai)文獻[1]中已(yǐ)作分析,流(liu)體的體電(dian)阻Rt可由電(diàn)阻率公式(shì)求得:

　　這裏(lǐ),導體長度(du)是測量管(guǎn)道的内徑(jing)D,導體材料(liao)電阻❤️率是(shì)電導率σ的(de)倒數,管道(dào)長度記作(zuo)l。一般來說(shuō),液體輸送(song)管道都與(yǔ)大地相連(lián)。這種假設(she)流體的體(tǐ)電阻爲零(ling)的🈲要求,比(bi)較容易做(zuo)到。但在一(yi)些模拟試(shì)驗時,利用(yòng)一桶水、一(yī)盆水,不一(yi)定能滿足(zú)這一要求(qiu)。
有了導電(diàn)液體作爲(wei)信号的基(jī)準,還必須(xu)用正确方(fāng)法把這一(yī)基準引到(dào)差動信号(hao)接線端子(zi)的中點。實(shí)際應用中(zhōng),采用✨以下(xià)🚩幾種方法(fa)将測量流(liu)體介質作(zuò)爲電磁流(liu)量計🌈的信(xin)号基準點(dian)引出:
①流量(liàng)傳感器安(ān)裝在前後(hou)是金屬管(guǎn)道的管道(dao)中,這時導(dǎo)電流‼️體♊可(kě)以通過流(liu)量傳感器(qi)前後的金(jin)屬管🌂道與(yǔ)之電連接(jie),然後用導(dǎo)線把前後(hòu)管道與傳(chuan)感器的接(jie)地端子電(diàn)連接起♋來(lai)。有時候,這(zhè)種情況不(bu)一定完全(quan)能使傳感(gan)器與前後(hòu)管道電連(lián)接良好,因(yin)爲傳感器(qì)的絕緣‼️襯(chen)裏及絕緣(yuán)墊圈有可(kě)能仍然電(dian)隔離了傳(chuán)感器與🌈前(qián)後管道,這(zhè)時需要用(yòng)金屬導線(xiàn)将前🏃‍♀️後管(guan)道與傳感(gan)器連接起(qǐ)來。
②在傳感(gan)器前後管(guan)道是非金(jin)屬或者金(jīn)屬管道内(nèi)壁襯有絕(jué)緣🈲襯裏的(de)情況下,應(yīng)用傳感器(qì)前後法蘭(lán)連有金屬(shu)接地環的(de)流量計。導(dǎo)電流體依(yi)靠金屬接(jiē)地環(比較(jiao)🏃🏻确切地應(ying)稱作接液(ye)環)與之連(lián)接。然後,用(yòng)接💁地環與(yǔ)傳感器信(xin)号地相連(lián)接,對于被(bei)測流體電(dian)導🌈率比較(jiao)低的情況(kuang),由于液體(tǐ)的體電阻(zǔ)🔅比較大,這(zhe)時可以采(cǎi)用導電金(jin)屬短管代(dài)替接地環(huán)。
③有些情況(kuang),譬如強腐(fǔ)蝕液體的(de)測量,爲了(le)節約昂貴(guì)的金屬材(cái)料,可以用(yong)接地(接液(ye))電極的方(fāng)法來連接(jiē)基準到傳(chuan)感器🔞接地(di)點。因爲,這(zhè)種方式往(wǎng)往測量腐(fǔ)蝕液體的(de)電導率比(bǐ)較高,液體(ti)🐇的體電阻(zǔ)非常小,所(suo)以用一個(gè)點電極來(lai)🛀連接就行(háng)了。
　　當然,在(zai)實際應用(yong)中,除了流(liú)體作爲信(xìn)号基準接(jie)地外,還要(yao)✨注意到前(qián)後管道是(shi)金屬管道(dào)情況,前後(hòu)管道應當(dang)與傳感器(qi)的電連接(jiē)良好。這是(shi)因爲金屬(shu)管道中往(wǎng)往有地電(dian)流、雜♍散電(dian)流、三相不(bú)🏃平衡電流(liú),這些電流(liu)會✉️在與傳(chuan)感器測量(liang)管沒有良(liang)好電連接(jiē)的兩端管(guǎn)道中形成(cheng)大的電壓(ya)降,構成了(le)大的共模(mó)電☂️壓,然後(hòu)通過❌接地(di)電阻加到(dao)信号電極(ji)上影響測(ce)量。還要注(zhu)意到,前後(hòu)金屬管🐕道(dào)爲防腐蝕(shí)的目的或(huò)電解廢水(shuǐ)測量時,可(kě)能🙇🏻通有陰(yin)極保護電(diàn)流和大的(de)直流電流(liú)在管道中(zhōng)流過,這時(shi)前後應用(yòng)低電阻的(de)大面積銅(tong)闆把前後(hou)⚽金屬管道(dao)連接起來(lái),使大電流(liu)由🤟銅闆旁(páng)路流過,在(zai)傳感器測(cè)量管上不(bu)形成大的(de)壓降。
　　至于(yu)接地電阻(zu),隻要将傳(chuan)感器、前後(hòu)金屬管道(dao)、接地環按(àn)一✉️點接地(di)法的原則(ze)接大地,接(jiē)地電阻大(da)小要求并(bing)不嚴格。一(yī)般情💞況下(xia),接地電阻(zu)在100Ω以下就(jiu)可以,有防(fáng)爆要求應(ying)小于10Ω。
3　直流(liú)噪聲
3.1　流體(ti)中的極化(hua)電壓
　　我們(men)知道,電極(ji)埋在電解(jiě)質的液體(tǐ)中将發生(sheng)正負離子(zǐ)的定向移(yí)動,在電極(jí)與流體介(jie)質間會形(xing)成一定的(de)電場。這就(jiu)是平常所(suǒ)說的極化(huà)現象。這個(ge)現象可以(yǐ)通過一個(ge)💞實驗觀🚩察(cha)。當用毫伏(fu)電壓表(數(shù)字式萬用(yòng)表的電壓(ya)檔)的🔞試筆(bi)插入一杯(bei)水中,電壓(ya)表能✨讀出(chu)電壓值。這(zhe)是因爲電(dian)壓表試筆(bǐ)的材質有(you)差别💘,試筆(bǐ)上形成的(de)極化電位(wei)不同,因而(ér)形成了電(diàn)位差。電極(jí)與接🔞地環(huan)(金屬管道(dao)、接地電極(ji))材質不同(tong),形成的極(jí)化電壓大(da)小和方向(xiang)将不同。極(ji)化🈲電壓是(shi)漂移的直(zhi)流電壓。圖(tú)2所示測量(liang)電極、金屬(shu)管道(或者(zhě)接地環、接(jie)地電極)對(dui)流體(視爲(wei)💃0Ψ的電阻)的(de)電壓分别(bie)爲e1,e2和🏃🏻e3。可以(yǐ)看出,e3是共(gòng)模電壓,它(ta)們📐分别與(yu)差動的流(liu)量信号e1和(he)e2叠加,進入(ru)轉換器的(de)差動放大(da)器。過大的(de)極化電壓(ya)(例如✨下面(mian)我們分析(xī)的情況可(ke)能高達幾(ji)百mV)直接進(jìn)入差動放(fàng)大器🏃🏻往往(wǎng)把放大器(qì)阻塞,流量(liàng)信🔞号不能(neng)放大。即使(shi)能放大,由(yóu)于叠加的(de)共🚶‍♀️模電壓(yā)是漂移變(biàn)🛀動的,因此(ci)流量信号(hao)✉️的輸出擺(bai)動也很大(da)。這樣🌂說來(lái),如何降🐪低(dī)極化電壓(yā)🤟非常♋重要(yao)。

　　任何金(jin)屬浸入一(yī)種電解溶(rong)液時,其帶(dai)電的正離(lí)子趨向于(yu)溶解而金(jīn)屬本身則(zé)保持負電(diàn)荷,這就形(xíng)成了一定(dìng)電位的電(diàn)極。這種電(diàn)極在介質(zhi)中形成一(yi)個電位差(chà),産生電流(liu),使電🚶‍♀️極繼(jì)續溶解,即(ji)繼續腐蝕(shí)。這就是電(diàn)化學的過(guò)程💚。形成的(de)電極的電(dian)位可用能(néng)斯脫方程(chéng)表示[2]:

　　式中(zhong):n爲該金屬(shu)的化合價(jia);T爲絕對溫(wēn)度;R爲理想(xiǎng)氣體的摩(mo)爾常數,8.31焦(jiāo)耳/摩爾·K;F爲(wèi)法拉第常(cháng)數;C爲金屬(shǔ)離子濃度(dù)的常數;c爲(wei)溶液中金(jīn)屬離子的(de)活度。
　　對于(yu)所研究的(de)離子标準(zhun)溶液的電(dian)位稱爲标(biāo)準電🚶‍♀️位,用(yong)⛷️E0表示,于是(shi)得到金屬(shu)在25℃時電極(ji)電位爲

　　文(wén)獻[2]列出了(le)相對于标(biāo)準氫電極(jí)的标準電(dian)位(見表🚶‍♀️1)。

　　按(àn)金屬材料(liào)學[3],在一種(zhong)金屬中加(jiā)入一其它(ta)合金材料(liào),能提高♋基(jī)體的電極(jí)電位。譬如(ru)在鐵素體(tǐ)中溶解11.7%的(de)鉻時,其電(diàn)極電位将(jiāng)由- 0.56V躍升爲(wèi)+0.20V。加入大量(liang)的鉻或鉻(gè)鎳合金使(shi)鋼能形成(cheng)單相的奧(ao)氏體組織(zhī),以免形成(chéng)微電池,降(jiàng)低直流極(ji)化電壓🐉,從(cong)而顯著提(ti)高耐腐蝕(shi)性。
3.2　直流噪(zao)聲的降低(di)
　　按上面介(jie)紹金屬材(cai)料的極化(hua)電位,并與(yǔ)圖2結合起(qi)來可以看(kàn)出,當在同(tong)一種電解(jie)質流體中(zhong)接觸兩種(zhǒng)✨不同材質(zhi)☂️的金屬,它(ta)們極化電(dian)位的方向(xiang)和大小不(bú)同。兩個🌈金(jīn)屬電極間(jiān)的電壓大(dà)小和極性(xìng)随極化電(dian)位的方向(xiàng)和大小而(er)🏃🏻變。譬如,測(ce)量電極的(de)材料是含(hán)鉻鎳的不(bu)鏽鋼,它們(men)對測量流(liu)體介質的(de)電位是+ 0.2V;接(jie)🐆液的前後(hou)管道是碳(tàn)鋼,對測量(liàng)流體介質(zhì)的電位是(shì)❓- 0.58V。那麽,由圖(tu)2可以計算(suàn),測量電極(jí)對接❄️液管(guǎn)道的電壓(ya)是+ 0.78V。如果不(bu)使用前後(hòu)金屬管道(dào)作爲基💃準(zhǔn)點連接方(fang)式,而使用(yòng)接地環,接(jie)地環的材(cái)料也使用(yong)與測量電(diàn)✏️極相同的(de)含鉻鎳的(de)不鏽鋼,這(zhe)時測量電(dian)極對基準(zhun)🤩點的電壓(yā)會變成0V。也(yě)就是說,降(jiàng)低了直流(liu)共模幹擾(rao)。相反,如果(guǒ)電極材料(liao)越貴🐅重,譬(pi)如是钽或(huò)鉑,金屬接(jiē)液部件的(de)材料是碳(tàn)鋼或不鏽(xiù)鋼,測量電(diàn)極上的直(zhi)流噪聲也(yě)很大。
　　在測(cè)量鹽酸、硫(liú)酸等腐蝕(shí)性很強的(de)介質時,盡(jin)管測量電(dian)極是钽或(huò)鉑能夠耐(nài)強酸腐蝕(shi);但金屬接(jie)液部🌈件的(de)㊙️材質👌是碳(tàn)鋼、不鏽鋼(gāng),耐不了強(qiáng)酸的腐蝕(shi),直流噪聲(shēng)也增大,會(huì)發生輸出(chu)的大幅度(dù)擺動。所以(yi),在重視測(ce)量電極不(bu)被腐蝕的(de)同時,必須(xu)注意信号(hào)基準的接(jie)液環的材(cai)質耐腐蝕(shi)。
從式(2)可以(yǐ)看到,極化(hua)電位受溫(wēn)度影響(式(shì)中,T是絕對(duì)溫🌈度)。這說(shuo)💁明直流噪(zao)聲與溫度(du)有關,是個(ge)漂移量。它(tā)的存🈲在将(jiāng)使流量計(ji)㊙️發生漂移(yi)和擺動。因(yīn)此,除了降(jiàng)低極化電(dian)壓外🧡,轉換(huàn)器必須能(néng)夠有電容(rong)進行直流(liú)噪聲隔離(lí),免于進入(rù)放大器被(bei)放大。
4　結束(shù)語
　　 直流噪(zào)聲對電磁(ci)流量信号(hào)的基準的(de)穩定性十(shi)分重要。直(zhi)流噪聲的(de)成因不限(xiàn)于接液部(bu)件金屬極(ji)化電壓🌈(材(cai)料腐蝕),它(ta)還包含⛹🏻‍♀️地(di)磁感應電(diàn)壓、溫差電(dian)勢、接觸電(dian)勢以及電(dian)極污🥰染等(děng)諸多方面(mian)的原因。這(zhè)裏,我們不(bu)多讨論。

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