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    電磁流量計在應用中的信號基準確定與直流噪聲干擾

    發表時間:2018-08-20   點擊次數:562 技術撑持:1560-1403-222
    電磁流量計自1950年問世以來,伴隨著電子技術和計算機數字技術的發展,目前電磁流量計已經品種和類型已經非常豐富,生產技術也相當成孰與完善,是流量計儀表市場受歡迎的品種之一。

    電磁流量計初的工作模型是由法拉第提出,作為電磁感應道理的開創者與奠基人,法拉第為人類從鉛與火的時代邁向光與電的時代作出了巨大的貢獻,人類歷史上*先例電磁流量計測量的案例也是由法拉第在1832年在泰晤士河進行的,當時是進行的河水流速的測量試驗,但是試驗并沒有成功,究其原因,是因為直流信號中包孕有漂移的直流極化電壓,其值難以和信號分辨,盡管后來的電磁流量計經歷了交流勵磁、低頻矩形波勵磁等技術進步與發展,對于電磁感應引起的正交干擾、同联系擾和由于靜電感應引起的串模干擾、共模干擾以及漿液對測量電極摩擦出現的尖狀干擾所造成的零點不穩定與測量輸出擺動等問題格外灵验的給予解決。對于測量電解質流體,接地「接液」部件與測量電極間產生漂移的直流極化電壓存在,會影響到流量信號的基準點穩定與否,進而影響輸出信號的穩定性與可靠性。所以,對于流量信號的基準有给以正確認識,并采取有效解決步骤。

    由電學知識可知,對作為電動勢的電磁流量信號測量,重要的是须要有一個穩定的電位差基準點,便是信號要良好接地。過去一些人每每钻营接地電阻小,以為這樣能夠得到穩定的流量信號。其實不然,導電流體介質作為信號的基準點更為重要。

    從多年考究、應用電磁流量計的經驗出發,對現場遇到的這類實際測量問題進行剖析,力圖認識導電流體作為信號的基準點的重要性,并提供基準點接液的办法,供參考。


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    電磁流量計 電磁流量計

    電磁流量計 電磁流量計


    1 導電流體是流量信號電壓的基準電位點
    眾所周知,對一個電壓信號,總有一個基準的“的”點和一個變化的“信號”端點,以構成電位差。初期的電磁流量傳感器曾把一個測量電極作為信號的“的”點,另一個測量電極作為“信號”點。這種信號傳輸稱為“單端信號”,同其他電壓信號一樣,用圖1a可能說明。單端信號的放大是把直流和交流的各種干擾電壓和信號加在一起同時輸入到放大器輸入端子。,我們稱這些干擾為串模干擾、正態干擾或橫向干擾等。放大器難把干擾從信號中分開,這些干擾信號时时幅度很大,遠大于毫伏級或微伏級的流量信號。以是,這些干擾变成了放大信號的失真,使得放大器飽和、堵塞,以至于不能工作。

    現代電磁流量計的流量信號是以差動地势由傳感器傳輸轉換放大器的。如同另外差動電壓測量,拾取電磁流量信號的兩個電極不直接接轉換放大器的信號“的”,而是把“零電阻”的流體介質接到轉換放大器的信號“的”端子上。圖1b所示是這種差動流量信號的等效電路。進入差動信號放大器兩信號端子的信號對“的”端子是幅度大小相等、極性相反,差動放大器放大的是兩電極信號端子的差值。因此,對流量信號而言,差動放大器呈放大狀態。然而,對幅度大小相等、極性的共模干擾,進入差動放大器差值為零,輸出也為零。差動放大器對共模干擾呈衰減狀態。盡管由于接地回路的地電流、極化電壓、勵磁電源與電極間的靜電耦合等理由,在差動流量信號中含有共模干擾時,只要電壓放大器的參數對稱,除非共模干擾能夠轉化為的串模干擾,這些干擾是不會影響信號放大的。事實上,隨著集成運放電路制造技術的發展,器件的共模按捺來越高,假如选拔電源浮動電路等措施,共模按捺比會高,測量的精度高。

    電磁流量計

    電磁流量計應用中信號基準與直流噪聲

    導電流體介質作為信號的基準點能夠把流量信號分成差分的差動狀態,并且強調測量流體必须可靠的接信號轉換放大器的接地端子。這是因為差動信號的基準點的變動會使本来電壓幅度大小相等、極性的共模干擾,變成幅度不等的差模干擾電壓,也即是轉化為串模干擾。如前面所述,這時的差動放大器對于按捺串模干擾就無能為力了。

    2 可靠的信號基準與正確接地
    這里強調,把被測量的液體導電介質視為零電阻,然后作為差動流量信號的基準點。理論上講,基準點值越小越好,小其電阻值越接近于零,差動信號幅值分的相等。這就是說,被測導電流體應是在大面積的容器內,或者處在長管線的管道中。在文獻[1]中作剖析,流體的體電阻Rt可由電阻率公式求得:

    電磁流量計公式
    電磁流量計應用中信號基準與直流噪聲

    這里,導體是測量管道的內徑D,導體材料電阻率是電導率σ的倒數,管道記作l。一般來說,液體輸送管道與大地。這種假設流體的體電阻為零的要求,便利做到。但在极少模擬試驗時,运用一桶水、一盆水,不必定能滿足這一要求。

    有了導電液體作為信號的基準,用正確办法把這一基準引到差動信號接線端子的中點。實際應用中,采取以下幾種想法測量流體介質作為電磁流量計的信號基準點引出:

    流量傳感器安裝在前后是金屬管道的管道中,這時導電流體可以通過流量傳感器前后的金屬管道與之電連接,然后用導線把前后管道與傳感器的接地端子電連接起來。有時候,這種情況不一定全体能使傳感器與前后管道電連接良好,因為傳感器的絕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,這時必要用金屬導線前后管道與傳感器連接起來。

    在傳感器前后管道吵嘴金屬或者金屬管道內壁襯有絕緣襯里的情況下,應用傳感器前后法蘭連有金屬接地環的流量計。導電流體依靠金屬接地環「比較確切的應稱作接液環」與之連接。然后,用接地環與傳感器信號的相連接,對于被測流體電導率比較低的情況,因为液體的體電阻比較大,這時能够采取導電金屬短管代替接地環。

    有些情況,譬如強腐蝕液體的測量,為了節約昂貴的金屬质料,不妨用接地「接液」電極的主意來連接基準到傳感器接地點。因為,這種方式时常測量腐蝕液體的電導率高,液體的體電阻格外小,于是用一個點電接就行了。

    ,在實際應用中,除了流體作為信號基準接地外,還要注意到前后管道是金屬管道情況,前后管道應當與傳感器的電連接良好。這是因為金屬管道中时常有地電流、雜散電流、三相不平衡電流,這些電流會在與傳感器測量管沒有良好電連接的兩端管道中形成大的電壓降,構成了大的共模電壓,然后通過接地電阻加到信號電極上影響測量。要注意到,前后金屬管道為防腐蝕的目的或電解廢水測量時,可以通有陰極保護電流和大的直流電流在管道中流過,這時前后應用低電阻的大面積銅板把前后金屬管道連接起來,使大電流由銅板旁路流過,在傳感器測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、接地環按一點接地法的原則接大地,接地電阻大小要求不嚴格。一般情況下,接地電阻在100Ω以下可能,有防爆要求應小于10Ω。

    3 直流噪聲
    3.1 流體中的極化電壓
    我們懂得,電極埋在電解質的液體中發生負離子的定向移動,在電極與流體介質間會酿成必然的電場。這就是平日所說的極化現象。這個現象不妨通過一個實驗觀察。當用毫伏電壓表「數字式萬用表的電壓檔」的試筆插入一杯水中,電壓表能讀出電壓值。這是因為電壓表試筆的材質有差別,試筆上变成的極化電位差异,因而形成了電位差。電極與接地環「金屬管道、接地電極」材質区别,变成的極化電壓巨细和对象將不同。極化電壓是漂移的直流電壓。圖2所示測量電極、金屬管道「或者接地環、接地電極」對流體「視為0Ψ的電阻」的電壓為e1,e2和e3。不妨看出,e3是共模電壓,它們與差動的流量信號e1和e2迭加,進入轉換器的差動放大器。過大的極化電壓「比喻下面我們剖析的情況不妨高達幾百mV」直接進入差動放大器时时把放大器阻塞,流量信號不能放大。即使能放大,由于迭加的共模電壓是漂移變動的,是以流量信號的輸出擺動也很大。這樣說來,怎样降低極化電壓特殊重要。

    電磁流量計

    電磁流量計應用中信號基準與直流噪聲

    任何金屬浸入一種電解溶液時,其帶電的正離子趨向于溶解而金屬自己則保持負電荷,這形成了必然電位的電極。這種電極在介質中形成一個電位差,產生電流,使電極繼續消融,即繼續腐蝕。這便是電化學的過程。造成的電極的電位可用能斯脫方程表示[2]:
    電磁流量計公式
    電磁流量計應用中信號基準與直流噪聲

    式中:n為該金屬的化合價;T為**溫度;R為理想氣體的摩爾常數,8.31焦耳/摩爾·K;F為法拉第常數;C為金屬離子濃度的常數;c為溶液中金屬離子的活度。
    電磁流量計公式
    對于所研究的離子標準溶液的電位稱為標準電位,用E0表示,以是得到金屬在二十五時電極電位為
    電磁流量計應用中信號基準與直流噪聲

    文獻[2]列出了于標準氫電極的標準電位「見表1」。
    電磁流量計應用中信號基準與直流噪聲

    電磁流量計公式

    按金屬质料學[3],在一種金屬中参与一另外合金材料,能提高基體的電極電位。譬如在鐵素體中融解11.7%的鉻時,其電極電位由- 0.56V躍升為+0.20V。插足多量的鉻或鉻鎳合金使鋼能变成單相的奧氏體組織,免得变成微電池,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
    按上面介紹金屬资料的極化電位,并與圖二結合起來不妨看出,當在同一種電解質流體中接觸兩種差别材質的金屬,它們極化電位的方向和大小区别。兩個金屬電極間的電壓大小和極性隨極化電位的对象和巨细而變。譬如,測量電極的质料是含鉻鎳的不銹鋼,它們對測量流體介質的電位是+ 0.2V;接液的前后管道是碳鋼,對測量流體介質的電位是- 0.58V。那么,由圖二不妨計算,測量電極對接液管道的電壓是+ 0.78V。假使不使用前后金屬管道作為基準點連接方式,而利用接地環,接地環的质料利用與測量電極无别的含鉻鎳的不銹鋼,這時測量電極對基準點的電壓會變成0V。便是說,降低了直流共模干擾。相反,假使電極材料貴重,譬如是鉭或鉑,金屬接液部件的原料是碳鋼或不銹鋼,測量電極上的直流噪聲很大。

    在測量鹽酸、硫酸等腐蝕性強的介質時,盡管測量電極是鉭或鉑能夠耐強酸腐蝕;但金屬接液部件的材質是碳鋼、不銹鋼,耐不了強酸的腐蝕,直流噪聲增大,會發生輸出的擺動。因而,在重視測量電極不被腐蝕的同時,必須注意信號基準的接液環的材質耐腐蝕。

    從式「2」不妨看到,極化電位受溫度影響「式中,T是**溫度」。這說明直流噪聲與溫度有關,是個漂移量。它的存在使流量計發生漂移和擺動。于是,除了降低極化電壓外,轉換器能夠有電容進行直流噪聲隔離,免于進入放大器被放大。

    4 結束語
    直流噪聲對電磁流量信號的基準的穩定性十分重要。直流噪聲的成因不限于接液部件金屬極化電壓「资料腐蝕」,它包括地磁感應電壓、溫差電勢、接觸電勢以及電極污染等諸多方面的原由。這里,我們未几討論。


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