電磁流量計襯里和電極對流體噪聲的影響

摘 要
    提高電磁流量計襯里和電極的加工粗糙度水平，不僅僅是改善了產品的外觀性能，更重要的是從本質上降低了流體噪聲產生的幾率和幅度，從而提高流量計測量的靈敏度和穩定性。本文從傳感器襯里和電極粗糙度引起電磁流量計動態零點的流體噪聲分類、產生，引導出能夠降低流體噪聲提高信噪比的重要措施。進而介紹電磁流量計傳感器制造中一些關鍵工藝措施，希望對提高我國電磁流量計制造水平和產品競爭能力起到一定幫助作用。
關鍵詞 流體噪聲 極化電壓 電極鈍化膜
0.序言
    電磁流量計測量中，電解質流體對金屬電極的電化學反應會產生直流極化電壓。這種與流速無關的電壓被稱為流體噪聲。從法拉第1832年應用地磁場和電磁感應方法測量泰晤士河流速的失敗，到廣泛地應用電磁流量計測量導電液體流量的今天，流體噪聲一直是電磁流量計要解決的重要技術問題之一。尤其在進入低頻矩形波勵磁時代以來，流體噪聲的影響表現得更為突出。往往有些新裝配的流量計受電極極化的影響，輸出擺動需要經過長時間在水中浸泡才能消除。流體噪聲的大小直接影響到流量計測量的靈敏度、線性度和穩定性。因此，研究流體噪聲，探討其產生的原因，找出降低流體噪聲的方法，提高傳感器信噪比，特別是對微弱勵磁電流（電磁水表、兩線制電磁流量計）的發展和低流速（0.1m/s以下）及高流速（15m/s以上）流量測量范圍的擴展具有重大意義。
1.流體噪聲
    智能電磁流量計在應用中除了受周圍環境條件，電磁場、靜電場等因素產生的噪聲影響外，被測介質的流體噪聲也是非常重要的影響因素。流體噪聲是一種直流極化電壓，在低頻矩形波勵磁方式中尤為突出，常有：漿液噪聲、流動噪聲和流速噪聲。
    流體噪聲的產生原因有下面幾種情況：
⑴不銹鋼電極的耐腐蝕是在其表面具有一個極薄的鈍化層，使得電化學反應達到平衡狀態。如圖1所示，流體中的固體物撞擊電極，使得電極表面鈍化層被破壞，失掉電化學平衡。而金屬材料與流體介質接觸具有重新恢復生成表面鈍化層保持電化學平衡的能力。在達到點化學平衡期間，金屬和流體中的游離離子在信號電場作用下不斷進行著電化學反應。固體顆粒撞擊電極，不斷破壞保護的鈍化層；電化學反應又反復生成鈍化層，于是形成了電極間的電位不斷大幅地度變化，這種變化的電位造成流量信號中的流體噪聲。這種情況也即電磁流量計中通常講的漿液噪聲。理論和實踐表明，影響電化學反應信號電場變化的頻率升高，可使流體噪聲幅度迅速下降，這就是高頻勵磁和雙頻勵磁可以解決漿液測量的原因。
⑵流體摩擦襯里和電極，流體中發生的正、負離子從電解質流體中分離。襯里和電極表面越粗糙，游離的離子濃度就越高。見圖2，受電極信號電場的作用，一部分離子會向電極移動，形成噪聲電壓，這種噪聲被稱為流動噪聲。流動噪聲在低電導率測量時表現比較突出。流動噪聲與外電場強度有關，高流速時感應信號越大，噪聲幅度也越大，輸出就會很不穩定。
⑶流體電導率和pH值的急劇變化也會形成流動噪聲，流量計上游加藥表現的測量不穩定就是典型例子。原因是不同介質在不均勻混合時，流體中容易分離出正、負離子，受電極信號電場的作用，一部分離子會向電極移動，形成了流動噪聲電壓，造成輸出的不穩定。
⑷由于高流速流動流體靠近襯里和電極部位的層流邊界層厚度變得很薄，如圖3所示，襯里和電極的粗糙度高度突破了流速層流邊界層的厚度，流體撞擊這部分粗糙度高度，發生流速發散和突變。有一部分與測量管中心軸方向相同（或相反）的流速分量，受信號權重函數的作用，對電極信號產生了很大影響，形成了大的正誤差，這就是流速噪聲。
    可見，上述流體噪聲中的流動噪聲和流速噪聲與測量管的襯里和電極表面粗糙度直接有關，極化電壓產生的漿液噪聲與電極表面粗糙度也有很大關系。
2.金屬電極抗流體腐蝕鈍化膜的形成
    不銹鋼電極的抗腐蝕性能，主要是由于表面覆蓋著一層極薄(約1nm厚)致密的鈍化膜。這層鈍化膜隔離腐蝕性流體介質，是不銹鋼電極防護的基本屏障。不銹鋼電極鈍化具有動態特征，不應看作腐蝕*停止，而是形成擴散的阻擋層，使陽極反應速度大大降低。對不銹鋼電極，通常在有還原劑(如氯離子)情況下傾向于破壞鈍化膜，而在氧化劑(如空氣和水)存在時能保持或修復鈍化膜。不銹鋼電極放置于空氣和水中會形成氧化膜，但這種膜的保護性不夠完善，速度也很慢。圖4為不銹鋼電極用XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)光電能譜設備進行的表面化學分析量化圖。左圖是未經工藝處理的電極表面向內不同深度主要元素鉻（Cr）、氧（O）、鐵（Fe）的含量比率。可以看到，在深度約1nm位置鉻的含量約20%，即表示鈍化膜為貧鉻層。右圖為經過機械研磨拋光或酸洗、化學拋光等工序進行鈍化處理工藝措施，使鐵與鐵的氧化物比鉻與鉻的氧化物優先溶解，去掉了貧鉻層，造成鉻在不銹鋼表面的富集，在深度約1nm位置鉻的含量約達30%。這種富鉻鈍化膜的極化電位(SCE)可達+1.0V，接近貴金屬金、鉑的極化電位，因此，不銹鋼得以提高抗腐蝕的穩定性。不同的鈍化處理方法也會影響膜的成分與結構，從而影響不銹性。如通過電化學改性處理，可使鈍化膜具有多層結構，在阻擋層形成CrO3或Cr2O3，或形成玻璃態的氧化膜，使不銹鋼能發揮的耐蝕性。
    不銹鋼電極的耐腐蝕主要依靠表面鈍化膜，如果鈍化膜不完整或有缺陷，不銹鋼仍會被腐蝕，當然仍然會出現流體噪聲。電極在加工成形、組裝及安裝標記等過程中會帶來表面油污、鐵銹、非金屬臟物、低熔點金屬污染物、油漆、焊渣與飛濺物等，這些物質影響了不銹鋼電極的表面質量，破壞了其表面的氧化膜，降低了不繡鋼的抗全面腐蝕性能，也形成流體噪聲的產生，影響到流量計測量的穩定性。所以改善電極裝配前的工藝處理和存放、裝配的工藝方法，保護好鈍化膜是電磁流量計制造中重要技術之一。
3.襯里和電極的表面粗糙度對流體噪聲的影響
    流體噪聲的高低與襯里和電極表面的粗糙度有關。無論對漿液噪聲、流動噪聲和流速噪聲這種關系都很密切。
    很明顯，粗糙的襯里和電極表面會加大對流體的摩擦力，容易引起流體中離子分離的加劇，給流動噪聲產生創造條件。光滑的襯里和電極表面能夠讓流體順滑流過，減小流體與襯里和電極的摩擦力，因此離子分離的機會將大大減少，流動噪聲也將減小。可以想象流體流動速度加快，襯里和電極對流體的摩擦力也會加大，流體中離子分離同樣會加劇。再加上流體流速的加快，感應電勢增大，電場對離子運動的作用力增大，因此流動噪聲要增大。所以，在有流動噪聲的情況下流量計使用流速不宜過高。
     參考文獻曾經討論過高雷諾數（即高流速）下電磁流量計測量管粗糙度對測量的影響，圖5所示出不同襯里材料（主要表面粗糙度不同）的誤差差別。可以看出，橫河加不銹鋼網的PFA襯里由于粗糙度，剛度好，試驗條件下未出現流速噪聲形成誤差；橡膠襯里的粗糙度，出現流速噪聲誤差組；聚氨酯襯里盡管出現流速噪聲晚一些，但由于其強度不高，產生的誤差幅度。這說明襯里和電極粗糙度是產生流速噪聲的重要原因。
    對于漿液噪聲，由于電極表面覆蓋的一層鈍化膜僅有約1nm厚，如果電極本身粗糙度較高，表面高低不平，鈍化膜就很難達到致密和厚薄均勻，這將對膜的穩定性受到影響，進而也會影響到膜的保持和修復。流體和電極的電化學反應就會不斷進行，就難以做到穩定的測量漿液流體。也就是說，電極表面的粗糙度高低，也直接影響到漿液噪聲的產生與消除。
    圖6摘自電磁流量計生產廠商E+H公司的流量測量手冊一書，它是用于食品工業生產過程流量測量用PTFE或PFA氟塑料襯里電 磁流量計的剖視圖。由于食品的電導率一般較低而且粘度較高，測量時出現流動噪聲的可能性很高。可以看到，E+H公司的襯里和電極粗糙度要求為Ra0.3，入口和出口連接金屬管的粗糙度要求為Ra0.8。Ra0.3和Ra0.8分別表示粗糙度的平均高度為0.3μm和0.8μm。Ra0.3已經是由機械研磨或電解拋光到達的鏡面粗糙度等級。這里，金屬管起接液環作用，用來把測量流體電連接為信號的基準參考電位。接液環（接液電極或流量計上、下游連接金屬管道）如同電極，同樣受到被測流體的電化學作用產生流體噪聲，所以也需要受到高度重視，減小粗糙度高度。
    日本橫河公司2009年研究開發的雙頻兩線制電磁流量計，把降低襯里和電極的粗糙度，完善電極鈍化膜作為提高傳感器信噪比的關鍵技術之一。對襯里和電極粗糙度提出了Ra在 0.05～0.15μm范圍的鏡面要求。這一措施使得傳感器感應信號和傳感器的信噪比提高1倍以上，因此在大幅度降低勵磁電流的情況下，兩線制雙頻勵磁電磁流量計能夠得到與四線制具有同樣優良的測量精度。
4.襯里和電極加工工藝方法討論
4.1 襯里
    為滿足測量管粗糙度要求，需要根據流體種類選用優良的襯里材料。對不同的襯里材料更需要采用優良的加工工藝方法。目前常用的襯里材料有：氯丁橡膠、EPDM橡膠、聚氨酯、氟塑料PTFE和PFA。這里簡述不同襯里的工藝要點，提請流量計制造者參考。
氯丁橡膠適于DN300以上大口徑傳感器，多用于測量水、污水、弱酸、弱堿介質流體。一般直接用膠片粘接貼附在不銹鋼導管內壁，通過硫化制成。這種工藝，橡膠襯里的表面粗糙度一般比較高，操作時應特別注意搭接縫處的平整，但相對粗糙度要低。用于小口徑的氯丁橡膠和EPDM橡膠襯里，則使用模具加壓，貼附在導管內壁然后硫化，降低襯里表面粗糙度取決于模具芯棒的表面粗糙度和加壓及硫化工藝。
當前，國內聚氨酯襯里多使用的是軟質材料，采用澆灌的工藝辦法，襯里粗糙度不僅取決于芯棒模具表面粗糙度，也會受到澆灌、排氣、加熱、冷卻和材料成分、比例的影響。國外硬質聚氨酯多采用聚氨基甲酸乙脂橡膠，其成形的重要工藝要點是，除去注入過程中卷入的氣泡、使化學反應（硬化、交聯）得以穩定進行；采用離心澆注的工藝方法：保證原料在保管時處于干燥狀態，均勻、順滑地對原料進行混合、攪拌，為除去卷入原料的氣泡，設定適當導管的旋轉速度，良好地控制原料處理、硬化、交聯的溫度。
    要求粗糙度低的襯里材料應使用氟塑料。用于配管、罐等容器的PTFE氟塑料襯里，通常是在金屬管內襯入一個薄壁聚四氟乙烯管，或者是采用將聚四氟乙烯管插入，然后進行粘接的工藝方法。這種襯里主要的缺點是耐負壓不高，受溫度影響大，粘接往往不可靠。對于電磁流量計，優良的氟塑料襯里是PFA。PFA主要采用的辦法是注入熔融樹脂，而后注塑（射出注塑法）。采用射出注塑法，屬無接縫一體成形。PFA襯里的品質具有良好的耐化學藥品性、耐熱性、耐附著性（表面光潔度）。尤其是在耐化學藥品性、耐熱性方面，運用*的制造技術，可減少內部應力與內在氣泡，以避免產生裂紋，這樣使流量計用在嚴酷的環境下時，仍具有很高的可靠性。為此，在PFA襯里制造過程中，重要的管理點是對注塑溫度（樹脂粘度、金屬模具溫度）、金屬模具的冷卻控制（冷卻時間、溫度）、樹脂的壓力控制。注塑溫度設定要盡可能低，以減少PFA樹脂的熱劣化。注塑中，金屬模具的溫度要均勻地保持大于樹脂熔點。由于需要進行高精度冷卻控制，故應在金屬模具中設置多個冷卻回路，并進行相互獨立的冷卻控制操作。在進行冷卻控制的同時，還應對樹脂壓力進行控制。
4.2 電極
    電極處理包括拋光和鈍化工藝。拋光有三種方法，機械拋光是不銹鋼拋光的三種拋光（即機械拋光，化學拋光和電化學拋光）的道工序。接下來兩者相結合，如機械拋光—化學拋光或機械拋光—電化學拋光。機械拋光用于初級拋光，將電極表面凹凸的不平度加工到一定的粗糙度，然后再進行化學拋光或電化學拋光。化學拋光和電化學拋光可以除去電極表面微觀不平度，從而提高到鏡面光亮，同時可以完成拋光和鈍化兩道工藝的目的，增加表面了鉻含量，形成良好的鈍化層。對于毛坯表面由于存在宏觀不平度，要先用機械拋光方法達到Ra≤0.8µm的粗糙度，再用化學拋光或電化學拋光方法提升到Ra=0.05µm 以上的粗糙度，才能獲取最后的光亮度，鏡面光澤和良好的鈍化層。
    經過拋光和鈍化處理的電極能夠形成穩定的鈍化層。但在儲存、轉運、裝配時，一定要注意保持表面鈍化層不被破壞。與電磁流量計傳感器傳統地、簡單地采用在水中浸泡（有時這種方法需要幾天幾夜時間），自然形成鈍化層生產方式相比，經過拋光和鈍化工藝處理的電極，能夠獲得穩定抗腐蝕性能的電極，相當高地提高了生產效率，是一種*的生產工藝。--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：