0 引言
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年工业电磁流量计产品问世,随着电子技术和计算机技术的飞速发展,电磁流量计日趋成熟和完善,已经成为流量仪表中重要的和受欢迎的品种之一。
当年法拉第进行电磁流量计实验,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。尽管后来的电磁流量计经历了交流励磁、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。
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。
从多年研究、应用电磁流量计的经验出发,对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 导电流体是流量信号电压的基准电位点
众所周知,对一个电压信号,总有一个基准的“地”点和一个变化的“信号”端点,以构成电位差。初期的电磁流量传感器曾把一个测量电极作为信号的“地”点,另一个测量电极作为“信号”点。这种信号传输称为“单端信号”,同其他电压信号一样,用图1a可以说明。单端信号的放大是把直流和交流的各种干扰电压和信号迭加在一起同时输入到放大器输入端子。通常,我们称这些干扰为串模干扰、正态干扰或横向干扰等。放大器很难把干扰从信号中分开,这些干扰信号往往幅度很大,远大于毫伏级或微伏级的流量信号。于是,这些干扰就造成了放大信号的失真,使得放大器饱和、堵塞,以至于不能工作。
现代电磁流量计的流量信号都是以差动形式由传感器传输到转换放大器的。如同其它差动电压测量,拾取电磁流量信号的两个电极都不直接接转换放大器的信号“地”,而是把“零电阻”的流体介质接到转换放大器的信号“地”端子上。图1b所示是这种差动流量信号的等效电路。进入差动信号放大器两信号端子的信号对“地”端子是幅度大小相等、极性相反,差动放大器放大的是两电极信号端子的差值。因此,对流量信号而言,差动放大器呈放大状态。然而,对幅度大小相等、极性相同的共模干扰,进入差动放大器差值几乎为零,输出也就几乎为零。差动放大器对共模干扰呈衰减状态。尽管由于接地回路的地电流、极化电压、励磁电源与电极间的静电耦合等原因,在差动流量信号中含有共模干扰时,只要电压放大器的参数对称,除非共模干扰能够转化为一定的串模干扰,这些干扰是不会影响信号放大的。事实上,随着集成运放电路制造技术的发展,器件的共模抑制比越来越高,如果再采用电源浮动电路等措施,共模抑制比会更高,测量的精度也就越来越高。
导电流体介质作为信号的基准点能够把流量信号分成差分的差动状态,并且一再强调测量流体必需可靠地接信号转换放大器的接地端子。这是因为差动信号的基准点的变动会使原本电压幅度大小相等、极性相同的共模干扰,变成幅度不等的差模干扰电压,也就是转化为串模干扰。如前面所述,这时的差动放大器对于抑制串模干扰也就无能为力了。
2 可靠的信号基准与正确接地
这里再次强调,把被测量的液体导电介质视为零电阻,然后作为差动流量信号的基准点。理论上讲,基准点值越小越好,越小其电阻值越接近于零,差动信号幅值分的就越相等。这就是说,被测导电流体应是在大面积的容器内,或者处在长管线的管道中。在文献[1]中已作分析,流体的体电阻Rt可由电阻率公式求得:
这里,导体长度是测量管道的内径D,导体材料电阻率是电导率σ的倒数,管道长度记作l。一般来说,液体输送管道都与大地相连。这种假设流体的体电阻为零的要求,比较容易做到。但在一些模拟试验时,利用一桶水、一盆水,不一定能满足这一要求。
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电磁流量计的信号基准点引出:
①流量传感器安装在前后是金属管道的管道中,这时导电流体可以通过流量传感器前后的金属管道与之电连接,然后用导线把前后管道与传感器的接地端子电连接起来。有时候,这种情况不一定完全能使传感器与前后管道电连接良好,因为传感器的绝缘衬里及绝缘垫圈有可能仍然电隔离了传感器与前后管道,这时需要用金属导线将前后管道与传感器连接起来。
②在传感器前后管道是非金属或者金属管道内壁衬有绝缘衬里的情况下,应用传感器前后法兰连有金属接地环的流量计。导电流体依靠金属接地环(比较确切地应称作接液环)与之连接。然后,用接地环与传感器信号地相连接,对于被测流体电导率比较低的情况,由于液体的体电阻比较大,这时可以采用导电金属短管代替接地环。
③有些情况,譬如强腐蚀液体的测量,为了节约昂贵的金属材料,可以用接地(接液)电极的方法来连接基准到传感器接地点。因为,这种方式往往测量腐蚀液体的电导率比较高,液体的体电阻非常小,所以用一个点电极来连接就行了。
当然,在实际应用中,除了流体作为信号基准接地外,还要注意到前后管道是金属管道情况,前后管道应当与传感器的电连接良好。这是因为金属管道中往往有地电流、杂散电流、三相不平衡电流,这些电流会在与传感器测量管没有良好电连接的两端管道中形成大的电压降,构成了大的共模电压,然后通过接地电阻加到信号电极上影响测量。还要注意到,前后金属管道为防腐蚀的目的或电解废水测量时,可能通有阴极�；さ缌骱痛蟮闹绷鞯缌髟诠艿乐辛鞴�,这时前后应用低电阻的大面积铜板把前后金属管道连接起来,使大电流由铜板旁路流过,在传感器测量管上不形成大的压降。
至于接地电阻,只要将传感器、前后金属管道、接地环按一点接地法的原则接大地,接地电阻大小要求并不严格。一般情况下,接地电阻在100Ω以下就可以,有防爆要求应小于10Ω。
3 直流噪声
3.1 流体中的极化电压
我们知道,电极埋在电解质的液体中将发生正负离子的定向移动,在电极与流体介质间会形成一定的电场。这就是平常所说的极化现象。这个现象可以通过一个实验观察。当用毫伏电压表(数字式万用表的电压档)的试笔插入一杯水中,电压表能读出电压值。这是因为电压表试笔的材质有差别,试笔上形成的极化电位不同,因而形成了电位差。电极与接地环(金属管道、接地电极)材质不同,形成的极化电压大小和方向将不同。极化电压是漂移的直流电压。图2所示测量电极、金属管道(或者接地环、接地电极)对流体(视为0Ψ的电阻)的电压分别为e1,e2和e3�？梢钥闯�,e3是共模电压,它们分别与差动的流量信号e1和e2迭加,进入转换器的差动放大器。过大的极化电压(例如下面我们分析的情况可能高达几百mV)直接进入差动放大器往往把放大器阻塞,流量信号不能放大。即使能放大,由于迭加的共模电压是漂移变动的,因此流量信号的输出摆动也很大。这样说来,如何降低极化电压非常重要。
任何金属浸入一种电解溶液时,其带电的正离子趋向于溶解而金属本身则保持负电荷,这就形成了一定电位的电极。这种电极在介质中形成一个电位差,产生电流,使电极继续溶解,即继续腐蚀。这就是电化学的过程。形成的电极的电位可用能斯脱方程表示[2]:
式中:n为该金属的化合价;T为绝对温度;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。
对于所研究的离子标准溶液的电位称为标准电位,用E0表示,于是得到金属在25℃时电极电位为
文献[2]列出了相对于标准氢电极的标准电位(见表1)。
按金属材料学[3],在一种金属中加入一其它合金材料,能提高基体的电极电位。譬如在铁素体中溶解11.7%的铬时,其电极电位将由- 0.56V跃升为+0.20V。加入大量的铬或铬镍合金使钢能形成单相的奥氏体组织,以免形成微电池,降低直流极化电压,从而显著提高耐腐蚀性。
3.2 直流噪声的降低
按上面介绍金属材料的极化电位,并与图2结合起来可以看出,当在同一种电解质流体中接触两种不同材质的金属,它们极化电位的方向和大小不同。两个金属电极间的电压大小和极性随极化电位的方向和大小而变。譬如,测量电极的材料是含铬镍的不锈钢,它们对测量流体介质的电位是+ 0.2V;接液的前后管道是碳钢,对测量流体介质的电位是- 0.58V。那么,由图2可以计算,测量电极对接液管道的电压是+ 0.78V。如果不使用前后金属管道作为基准点连接方式,而使用接地环,接地环的材料也使用与测量电极相同的含铬镍的不锈钢,这时测量电极对基准点的电压会变成0V。也就是说,降低了直流共模干扰。相反,如果电极材料越贵重,譬如是钽或铂,金属接液部件的材料是碳钢或不锈钢,测量电极上的直流噪声也很大。
在测量盐酸、硫酸等腐蚀性很强的介质时,尽管测量电极是钽或铂能够耐强酸腐蚀;但金属接液部件的材质是碳钢、不锈钢,耐不了强酸的腐蚀,直流噪声也增大,会发生输出的大幅度摆动。所以,在重视测量电极不被腐蚀的同时,必须注意信号基准的接液环的材质耐腐蚀。
从式(2)可以看到,极化电位受温度影响(式中,T是绝对温度)。这说明直流噪声与温度有关,是个漂移量。它的存在将使流量计发生漂移和摆动。因此,除了降低极化电压外,转换器必须能够有电容进行直流噪声隔离,免于进入放大器被放大。
4 结束语
直流噪声对电磁流量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。这里,我们不多讨论。
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