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电磁流量计

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电磁流量计直流干扰

来源:江苏宏佳仪表有限公司作者:admin发表时间:2019-01-30 08:10

  电磁流量计传感器电极信号中的直流噪声是来自测量电解质的电化学现象。金属材料的电极和接液部件(接地环、接地电极或金属管道)与电解质液体相接触,电解质液体中的离子将向它们定向移动,从而在电极、接液部件与流体介质间会形成一定的电位,这就是我们平常所说的极化现象。如果两电极对接液部件的电位相等、方向相同,两电极之间的电位差等于零。当两个电极材质或表面状态有差异时,两电极之间的电位差就表现出来。或者,接液部件与液体间出现波动大的极化电压时,极化电压的波动也会在电极间反映出来。这个现象可以用一个小实验观察。当用高灵敏度的毫伏电压表(数字式万用表的电压档)的试第插入一杯水中,电压表能读出电压值。这是因为电压表试笔的材质有差异,试笔上形成的极化电位不同,因而出现了电位差。
  电极与接地环(或金属管道、接地电极)材质不同,使得它们与电解质液体之间形成的极化电压大小和极性也不同。极化作用形成的电磁流量计传感器测量电极、金属管道(或者接地环、接地电极)对流体(视为零欧姆的电阻)的电压分别为a、b和c,可以看出c是共模电压状态,它们分别与差动的流量信号叠加,将共模干扰转换为串模状态进人转换器的差动放大器。过大的串模极化电压(可能高达数百毫伏)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,由于叠加的共模电压是漂移变动的,所以流量信号的输出摆动也很大。这样看来,降低极化电压的产生非常重要。例如,用钽电极或铂金电极在测量水流量时,以碳钢管道为接液部件,输出摆动很大。因此,即使电极应用很好的耐腐蚀金属材料,未注意到接液部件材质的极化电位,同样也会发生大的输出摆动。
  任何金属浸入一种电解质溶液时,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,同时产生电流,使电极继续溶解,即继续腐蚀,这就是电化学的过程。
  按金属材料学,在一种金属中加入其他合金材料,能提高基体的电极电位。譬如铁素体中溶解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,合金能使钢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。
  实践中,可以用高输人电阻的数字电压表来测试安装在管路中并充满流体的电磁流量计传感器两电极分别对接地环的直流电压。我们发现,如果金属电极的材质标准电位比接地部件材质标准电位高时,测得电极对接地基准点电压为正,否则为负。如果电极材质与接地部件的材质相同,两电极对接地基准点的电压幅度很小。因此,以普通碳钢材质管道为接液部件的传感器,电极上的极化电压比较高。而且,由于碳钢管道的内部表面锈蚀状态差异较大,两电极对接液基准点的电压会不相等,这种不相等的直流电压发生仪表输出的漂移。大的直流串模干扰往往堵塞转换器放大器,影响测量线性度。
  电极和接液部件材质的极化过程也是材料腐蚀的过程。它们的表面的状态影响到腐蚀的速率和强度,流体温度对金属的腐蚀速率影响也很大。材料腐蚀过程是氧化——还原反应,而且反应过程又是电化学的平衡过程。材料受到电解质的腐蚀,在材料的表面会形成一个抗拒腐蚀的薄膜。一且有了这个薄膜,腐蚀减弱,这个薄膜被破坏,材料会重新生成,直至被完全腐蚀。有这样的例子,维修的传感器用粗糙的砂纸打磨电极,在测量清水时发生输出摆动,当将传感器充满水泡一段时间后输出不摆动了。这是因为经打磨的电极表面粗糙,抗水锈蚀的氧化膜被破坏。电极接触水后要重新生成氧化膜,就有大的极化电压发生,所以发生输出摆动。经过一段时间后,氧化膜形成极化电压就降低了,输出即不发生摆动。
  实际工业应用中,还有一些产生直流干扰的可能。一种情况是工业金属管道为了防腐的目的在管道通以数十安培级、直流的阴极保护电流,阴极电流可能在传感器两端形成不可忽视的电压降,这个压降改变着信号的基准电平成为直流共模干扰;另一种情况是应用在电解系统,如电解铝过程中,测量电解锌的浆液,流体介质带有大的直流电流,同样在传感器两端产生大的直流压降。这两种应用的情况可以使用导电性良好的大面积紫铜板,把传感器两端短路起来,让直流电流由紫铜板旁路流过。
  另外,在电磁流量计测量中还有一种表现在低电导率介质测量时出现摆动现象的直流极化电压,这就是前文所称的“流动噪声”。被测流体的电导率低到一定程度,警如酒精、纯水等介质流动时,如同电容器中的电荷移动,位移电流不可忽视。
  流体在流动中摩擦衬里表面,使得聚集电极附近的电荷跟随移动,于是在电极上感应出变动的极化噪声。很显然,如果介质的介电常数高,则位移电流大,电极附近运动的电荷也增多,流动噪声随介质介电常数增高而增大;根据边界条件忽略位移电流的条件,流体电导率。的减小,位移电流将增大,流体电导率与流动噪声电压成反比关系;粘度高的流体中,电荷不容易克服流体的束缚力而游离到电极附近,所以流体运动粘度系数大小与流动噪声成反比;流量信号电压作为电介质的外加电场,流体的流速越高,电极上感应的信号电压也越高,即施加在电介质流体的外电场强度越大,从而加剧电荷的移动,流动噪声也增大。实际使用中发现,流体流速与流动噪声大小量呈指数函数关系。另外,物理学告诉我们,外电场的频率对电介质的极化影响很大。由于极化是个过程,存在极化弛豫现象,当电场频率增高时、转向极化(有极分子组成电介质的极化过程)来不及“跟随”,亦即电偶极子来不及随电场变化而作相应的转向,于是转向极化实际上不存在,电介质的介电常数将大为减小。因此,励磁频率高时,极化现象减弱,流动噪声降低。但是,也应注意到过高的励磁频率使电介质的介质损耗加大。在外加电压作用下,电介质中的一部分电能转换为热能。高频外电场使电介质反复极化,频率意高,发热愈显著。所以,一般用于低电导率测量流量计的助磁频率可能在100-400Hz。