冷卻循環(huán)水流量計(jì)自1950年問(wèn)世以來(lái)，伴隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，目前冷卻循環(huán)水流量計(jì)已經(jīng)品種和類型已經(jīng)非常豐富，生產(chǎn)技術(shù)也相當(dāng)成孰與完善，是流量計(jì)儀表市場(chǎng)*受歡迎的品種之一。
冷卻循環(huán)水流量計(jì)*初的工作模型是由法拉*提出，作為電磁感應(yīng)原理的開(kāi)創(chuàng)者與奠基人，法拉*為人類從鉛與火的時(shí)代邁向光與電的時(shí)代作出了巨大的貢獻(xiàn)，人類歷史上*一例冷卻循環(huán)水流量計(jì)測(cè)量的案例也是由法拉*在1832年在泰晤士河進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)是進(jìn)行的河水流速的測(cè)量試驗(yàn)，但是試驗(yàn)并沒(méi)有成功，究其原因，是因?yàn)橹绷餍盘?hào)中包含有漂移的直流極化電壓,其值難以和信號(hào)分辨，盡管后來(lái)的冷卻循環(huán)水流量計(jì)經(jīng)歷了交流勵(lì)磁、低頻矩形波勵(lì)磁等技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展,對(duì)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(duì)測(cè)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(cè)量輸出擺動(dòng)等問(wèn)題非常有效地給予解決。對(duì)于測(cè)量電解質(zhì)流體,接地(接液)部件與測(cè)量電極間產(chǎn)生漂移的直流極化電壓依然存在,仍然會(huì)影響到流量信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定與否,進(jìn)而影響輸出信號(hào)的穩(wěn)定性與可靠性。因而,對(duì)于流量信號(hào)的基準(zhǔn)有必要予以正確認(rèn)識(shí),并采取有效解決措施。
由電學(xué)知識(shí)可知,對(duì)作為電動(dòng)勢(shì)的電磁流量信號(hào)測(cè)量,重要的是需要有一個(gè)穩(wěn)定的電位差基準(zhǔn)點(diǎn),也就是信號(hào)要良好接地。過(guò)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(hào)。其實(shí)不然,導(dǎo)電流體介質(zhì)作為信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)更為重要。
從多年研究、應(yīng)用冷卻循環(huán)水流量計(jì)的經(jīng)驗(yàn)出發(fā),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遇到的這類實(shí)際測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行分析,力圖認(rèn)識(shí)導(dǎo)電流體作為信號(hào)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(hào)電壓的基準(zhǔn)電位點(diǎn)
眾所周知,對(duì)一個(gè)電壓信號(hào),總有一個(gè)基準(zhǔn)的“地”點(diǎn)和一個(gè)變化的“信號(hào)”端點(diǎn),以構(gòu)成電位差。初期的電磁流量傳感器曾把一個(gè)測(cè)量電極作為信號(hào)的“地”點(diǎn),另一個(gè)測(cè)量電極作為“信號(hào)”點(diǎn)。這種信號(hào)傳輸稱為“單端信號(hào)”,同其他電壓信號(hào)一樣,用圖1a可以說(shuō)明。單端信號(hào)的放大是把直流和交流的各種干擾電壓和信號(hào)迭加在一起同時(shí)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(hào)中分開(kāi),這些干擾信號(hào)往往幅度很大,遠(yuǎn)大于毫伏級(jí)或微伏級(jí)的流量信號(hào)。于是,這些干擾就造成了放大信號(hào)的失真,使得放大器飽和、堵塞,以至于不能工作。
現(xiàn)代冷卻循環(huán)水流量計(jì)的流量信號(hào)都是以差動(dòng)形式由傳感器傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換放大器的。如同其它差動(dòng)電壓測(cè)量,拾取電磁流量信號(hào)的兩個(gè)電極都不直接接轉(zhuǎn)換放大器的信號(hào)“地”,而是把“零電阻”的流體介質(zhì)接到轉(zhuǎn)換放大器的信號(hào)“地”端子上。圖1b所示是這種差動(dòng)流量信號(hào)的等效電路。進(jìn)入差動(dòng)信號(hào)放大器兩信號(hào)端子的信號(hào)對(duì)“地”端子是幅度大小相等、極性相反,差動(dòng)放大器放大的是兩電極信號(hào)端子的差值。因此,對(duì)流量信號(hào)而言,差動(dòng)放大器呈放大狀態(tài)。然而,對(duì)幅度大小相等、極性相同的共模干擾,進(jìn)入差動(dòng)放大器差值幾乎為零,輸出也就幾乎為零。差動(dòng)放大器對(duì)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(lì)磁電源與電極間的靜電耦合等原因,在差動(dòng)流量信號(hào)中含有共模干擾時(shí),只要電壓放大器的參數(shù)對(duì)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(huì)影響信號(hào)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(lái)越高,如果再采用電源浮動(dòng)電路等措施,共模抑制比會(huì)更高,測(cè)量的精度也就越來(lái)越高。

冷卻循環(huán)水流量計(jì)應(yīng)用中信號(hào)基準(zhǔn)與直流噪聲
導(dǎo)電流體介質(zhì)作為信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)能夠把流量信號(hào)分成差分的差動(dòng)狀態(tài),并且一再?gòu)?qiáng)調(diào)測(cè)量流體必需可靠地接信號(hào)轉(zhuǎn)換放大器的接地端子。這是因?yàn)椴顒?dòng)信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)的變動(dòng)會(huì)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(shí)的差動(dòng)放大器對(duì)于抑制串模干擾也就無(wú)能為力了。
2、可靠的信號(hào)基準(zhǔn)與正確接地
這里再次強(qiáng)調(diào),把被測(cè)量的液體導(dǎo)電介質(zhì)視為零電阻,然后作為差動(dòng)流量信號(hào)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(dòng)信號(hào)幅值分的就越相等。這就是說(shuō),被測(cè)導(dǎo)電流體應(yīng)是在大面積的容器內(nèi),或者處在長(zhǎng)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:

冷卻循環(huán)水流量計(jì)應(yīng)用中信號(hào)基準(zhǔn)與直流噪聲
這里,導(dǎo)體長(zhǎng)度是測(cè)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(zhǎng)度記作l。一般來(lái)說(shuō),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(shí),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(hào)的基準(zhǔn),還必須用正確方法把這一基準(zhǔn)引到差動(dòng)信號(hào)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(cè)量流體介質(zhì)作為冷卻循環(huán)水流量計(jì)的信號(hào)基準(zhǔn)點(diǎn)引出:
流量傳感器安裝在前后是金屬管道的管道中,這時(shí)導(dǎo)電流體可以通過(guò)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(lái)。有時(shí)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(shí)需要用金屬導(dǎo)線將前后管道與傳感器連接起來(lái)。
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(jì)。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(hào)地相連接,對(duì)于被測(cè)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(shí)可以采用導(dǎo)電金屬短管代替接地環(huán)。
有些情況,譬如強(qiáng)腐蝕液體的測(cè)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(lái)連接基準(zhǔn)到傳感器接地點(diǎn)。因?yàn)?這種方式往往測(cè)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(gè)點(diǎn)電極來(lái)連接就行了。
當(dāng)然,在實(shí)際應(yīng)用中,除了流體作為信號(hào)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械仉娏鳌㈦s散電流、三相不平衡電流,這些電流會(huì)在與傳感器測(cè)量管沒(méi)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(guò)接地電阻加到信號(hào)電極上影響測(cè)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(cè)量時(shí),可能通有陰極保護(hù)電流和大的直流電流在管道中流過(guò),這時(shí)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(lái),使大電流由銅板旁路流過(guò),在傳感器測(cè)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(dòng),在電極與流體介質(zhì)間會(huì)形成一定的電場(chǎng)。這就是平常所說(shuō)的極化現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象可以通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察。當(dāng)用毫伏電壓表(數(shù)字式萬(wàn)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?。極化電壓是漂移的直流電壓。圖2所示測(cè)量電極、金屬管道(或者接地環(huán)、接地電極)對(duì)流體(視為0Ψ的電阻)的電壓分別為e1,e2和e3。可以看出,e3是共模電壓,它們分別與差動(dòng)的流量信號(hào)e1和e2迭加,進(jìn)入轉(zhuǎn)換器的差動(dòng)放大器。過(guò)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(dòng)放大器往往把放大器阻塞,流量信號(hào)不能放大。即使能放大,由于迭加的共模電壓是漂移變動(dòng)的,因此流量信號(hào)的輸出擺動(dòng)也很大。這樣說(shuō)來(lái),如何降低極化電壓非常重要。

冷卻循環(huán)水流量計(jì)應(yīng)用中信號(hào)基準(zhǔn)與直流噪聲
任何金屬浸入一種電解溶液時(shí),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(gè)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(guò)程。形成的電極的電位可用能斯脫方程表示[2]:

冷卻循環(huán)水流量計(jì)應(yīng)用中信號(hào)基準(zhǔn)與直流噪聲
式中:n為該金屬的化合價(jià);T為絕對(duì)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*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(duì)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(shí)電極電位為
冷卻循環(huán)水流量計(jì)應(yīng)用中信號(hào)基準(zhǔn)與直流噪聲
文獻(xiàn)[2]列出了相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極的標(biāo)準(zhǔn)電位(見(jiàn)表1)。
冷卻循環(huán)水流量計(jì)應(yīng)用中信號(hào)基準(zhǔn)與直流噪聲

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(shí),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(lái)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(gè)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(cè)量電極的材料是含鉻鎳的不銹鋼,它們對(duì)測(cè)量流體介質(zhì)的電位是+ 0.2V;接液的前后管道是碳鋼,對(duì)測(cè)量流體介質(zhì)的電位是- 0.58V。那么,由圖2可以計(jì)算,測(cè)量電極對(duì)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(cè)量電極相同的含鉻鎳的不銹鋼,這時(shí)測(cè)量電極對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓會(huì)變成0V。也就是說(shuō),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(cè)量電極上的直流噪聲也很大。
在測(cè)量鹽酸、硫酸等腐蝕性很強(qiáng)的介質(zhì)時(shí),盡管測(cè)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(huì)發(fā)生輸出的大幅度擺動(dòng)。所以,在重視測(cè)量電極不被腐蝕的同時(shí),必須注意信號(hào)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(duì)溫度)。這說(shuō)明直流噪聲與溫度有關(guān),是個(gè)漂移量。它的存在將使流量計(jì)發(fā)生漂移和擺動(dòng)。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(yǔ)
直流噪聲對(duì)電磁流量信號(hào)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(shì)、接觸電勢(shì)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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