電磁流量計(jì)襯里和電極對流體噪聲影響及工藝處理方法的討論

摘要

提高電磁流量計(jì)襯里和電極的加工粗糙度水平，不僅僅是改善了產(chǎn)品的外觀性能，更重要的是從本質(zhì)上降低了流體噪聲產(chǎn)生的幾率和幅度，從而提高流量計(jì)測量的靈敏度和穩(wěn)定性。本文從傳感器襯里和電極粗糙度引起電磁流量計(jì)動態(tài)零點(diǎn)的流體噪聲分類、產(chǎn)生，引導(dǎo)出能夠降低流體噪聲提高信噪比的重要措施。進(jìn)而介紹電磁流量計(jì)傳感器制造中一些關(guān)鍵工藝措施，希望對提高我國電磁流量計(jì)制造水平和產(chǎn)品競爭能力起到一定幫助作用。

關(guān)鍵詞 流體噪聲 極化電壓 電極鈍化膜

0.序言

電磁流量計(jì)測量中，電解質(zhì)流體對金屬電極的電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生直流極化電壓。這種與流速無關(guān)的電壓被稱為流體噪聲。從法拉第1832 年應(yīng)用地磁場和電磁感應(yīng)方法測量泰晤士河流速的失敗，到廣泛地應(yīng)用電磁流量計(jì)測量導(dǎo)電液體流量的今天，流體噪聲一直是電磁流量計(jì)要解決的重要技術(shù)問題之一。尤其在進(jìn)入低頻矩形波勵磁時(shí)代以來，流體噪聲的影響表現(xiàn)得更為突出。往往有些新裝配的流量計(jì)受電極極化的影響，輸出擺動需要經(jīng)過長時(shí)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(jì)測量的靈敏度、線性度和穩(wěn)定性。

因此，研究流體噪聲，探討其產(chǎn)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(jì)）的發(fā)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(kuò)展具有重大意義。

1.流體噪聲

電磁流量計(jì)在應(yīng)用中除了受周圍環(huán)境條件，電磁場、靜電場等因素產(chǎn)生的噪聲影響外，被測介質(zhì)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(chǎn)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(gè)極薄的鈍化層，使得電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。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(xué)平衡。而金屬材料與流體介質(zhì)接觸具有重新恢復(fù)生成表面鈍化層保持電化學(xué)平衡的能力。在達(dá)到電化學(xué)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(jìn)行著電化學(xué)反應(yīng)。固體顆粒撞擊電極，不斷破壞保護(hù)的鈍化層；電化學(xué)反應(yīng)又反復(fù)生成鈍化層，于是形成了電極間的電位不斷大幅度地變化，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(jì)中通常講的漿液噪聲。理論和實(shí)踐表明，影響電化學(xué)反應(yīng)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(fā)生的正、負(fù)離子從電解質(zhì)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(dǎo)率測量時(shí)表現(xiàn)比較突出。流動噪聲與外電場強(qiáng)度有關(guān)，高流速時(shí)感應(yīng)信號越大，噪聲幅度也越大，輸出就會很不穩(wěn)定。

⑶流體電導(dǎo)率和pH 值的急劇變化也會形成流動噪聲，流量計(jì)上游加藥表現(xiàn)的測量不穩(wěn)定就是典型例子。原因是不同介質(zhì)在不均勻混合時(shí)，流體中容易分離出正、負(fù)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(wěn)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(fā)生流速發(fā)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(quán)重函數(shù)的作用，對電極信號產(chǎn)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(guān)，極化電壓產(chǎn)生的漿液噪聲與電極表面粗糙度也有很大關(guān)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(zhì)，是不銹鋼電極防護(hù)的基本屏障。不銹鋼電極鈍化具有動態(tài)特征，不應(yīng)看作腐蝕*停止，而是形成擴(kuò)散的阻擋層，使陽極反應(yīng)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(shí)能保持或修復(fù)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(hù)性不夠完善，速度也很慢。圖4 為不銹鋼電極用XPS(X-ray photoelectronspectroscopy)光電能譜設(shè)備進(jìn)行的表面化學(xué)分析量化圖。左圖是未經(jīng)工藝處理的電極表面向內(nèi)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(jīng)過機(jī)械研磨拋光或酸洗、化學(xué)拋光等工序進(jìn)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(yōu)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(dá)30%。這種富鉻鈍化膜的極化電位(SCE)可達(dá)+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(wěn)定性。不同的鈍化處理方法也會影響膜的成分與結(jié)構(gòu)，從而影響不銹性。如通過電化學(xué)改性處理，可使鈍化膜具有多層結(jié)構(gòu)，在阻擋層形成CrO3 或Cr2O3，或形成玻璃態(tài)的氧化膜，使不銹鋼能發(fā)揮zui大的耐蝕性。

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(dāng)然仍然會出現(xiàn)流體噪聲。電極在加工成形、組裝及安裝標(biāo)記等過程中會帶來表面油污、鐵銹、非金屬臟物、低熔點(diǎn)金屬污染物、油漆、焊渣與飛濺物等，這些物質(zhì)影響了不銹鋼電極的表面質(zhì)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(chǎn)生，影響到流量計(jì)測量的穩(wěn)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(hù)好鈍化膜是電磁流量計(jì)制造中重要技術(shù)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(guān)。無論對漿液噪聲、流動噪聲和流速噪聲這種關(guān)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(chǎn)生創(chuàng)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(jī)會將大大減少，流動噪聲也將減小?？梢韵胂罅黧w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(yīng)電勢增大，電場對離子運(yùn)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(jì)使用流速不宜過高。 參考文獻(xiàn)曾經(jīng)討論過高雷諾數(shù)（即高流速）下電磁流量計(jì)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?？梢钥闯?，橫河加不銹鋼網(wǎng)的PFA 襯里由于粗糙度zui低，剛度好，試驗(yàn)條件下未出現(xiàn)流速噪聲形成誤差；橡膠襯里的粗糙度zui高，出現(xiàn)流速噪聲誤差組zui早；聚氨酯襯里盡管出現(xiàn)

流速噪聲晚一些，但由于其強(qiáng)度不高，產(chǎn)生的誤差幅度zui大。這說明襯里和電極粗糙度是產(chǎn)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(dá)到致密和厚薄均勻，這將對膜的穩(wěn)定性受到影響，進(jìn)而也會影響到膜的保持和修復(fù)。流體和電極的電化學(xué)反應(yīng)就會不斷進(jìn)行，就難以做到穩(wěn)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(chǎn)生與消除。

圖6 摘自電磁流量計(jì)生產(chǎn)廠商E+H 公司的流量測量手冊一書，它是用于食品工業(yè)生產(chǎn)過程流量測量用PTFE 或PFA 氟塑料襯里電磁流量計(jì)的剖視圖。由于食品的電導(dǎo)率一般較低而且粘度較

高，測量時(shí)出現(xiàn)流動噪聲的可能性很高?？梢钥吹?，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(jīng)是由機(jī)械研磨或電解拋光到達(dá)的鏡面粗糙度等級。這里，金屬管起接液環(huán)作用，用來把測量流體電連接為信號的基準(zhǔn)參考電位。接液環(huán)（接液電極或流量計(jì)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(xué)作用產(chǎn)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(fā)的雙頻兩線制電磁流量計(jì)，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(guān)鍵技術(shù)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(yīng)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(jì)能夠得到與四線制具有同樣優(yōu)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(jù)流體種類選用優(yōu)良的襯里材料。對不同的襯里材料更需要采用優(yōu)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(diǎn)，提請流量計(jì)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(zhì)流體。一般直接用膠片粘接貼附在不銹鋼導(dǎo)管內(nèi)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(shí)應(yīng)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(dǎo)管內(nèi)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(dāng)前，國內(nèi)聚氨酯襯里多使用的是軟質(zhì)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(zhì)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(diǎn)是，除去注入過程中卷入的氣泡、使化學(xué)反應(yīng)（硬化、交聯(lián)）得以穩(wěn)定進(jìn)行；采用離心澆注的工藝方法：保證原料在保管時(shí)處于干燥狀態(tài)，均勻、順滑地對原料進(jìn)行混合、攪拌，為除去卷入原料的氣泡，設(shè)定適當(dāng)導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)速度，良好地控制原料處理、硬化、交聯(lián)的溫度。要求粗糙度低的襯里材料應(yīng)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(nèi)襯入一個(gè)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(jìn)行粘接的工藝方法。這種襯里主要的缺點(diǎn)是耐負(fù)壓不高，受溫度影響大，粘接往往不可靠。對于電磁流量計(jì)，優(yōu)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(zhì)具有良好的耐化學(xué)藥品性、耐熱性、耐附著性（表面光潔度）。尤其是在耐化學(xué)藥品性、耐熱性方面，運(yùn)用*的制造技術(shù)，可減少內(nèi)部應(yīng)力與內(nèi)在氣泡，以避免產(chǎn)生裂紋，這樣使流量計(jì)用在嚴(yán)酷的環(huán)境下時(shí)，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(diǎn)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(shí)間、溫度）、樹脂的壓力控制。注塑溫度設(shè)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(diǎn)。由于需要進(jìn)行高精度冷卻控制，故應(yīng)在金屬模具中設(shè)置多個(gè)冷卻回路，并進(jìn)行相互獨(dú)立的冷卻控制操作。在進(jìn)行冷卻控制的同時(shí)，還應(yīng)對樹脂壓力進(jìn)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(jī)械拋光是不銹鋼拋光的三種拋光（即機(jī)械拋光，化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光）的*道工序。接下來兩者相結(jié)合，如機(jī)械拋光—化學(xué)拋光或機(jī)械拋光—電化學(xué)拋光。機(jī)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(jìn)行化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光?；瘜W(xué)拋光和電化學(xué)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(shí)可以完成拋光和鈍化兩道工藝的目的，增加了表面鉻含量，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(jī)械拋光方法達(dá)到Ra≤0.8μm 的粗糙度，再用化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光方法提升到Ra=0.05μm 以上的粗糙度，才能獲取zui后的光亮度，鏡面光澤和良好的鈍化層。經(jīng)過拋光和鈍化處理的電極能夠形成穩(wěn)定的鈍化層。但在儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝配時(shí)，一定要注意保持表面鈍化層不被破壞。與電磁流量計(jì)傳感器傳統(tǒng)地、簡單地采用在水中浸泡（有時(shí)這種方法需要時(shí)間），自然形成鈍化層生產(chǎn)方式相比，經(jīng)過拋光和鈍化工藝處理的電極，能夠獲得穩(wěn)定抗腐蝕性能的電極，相當(dāng)高地提高了生產(chǎn)效率，是一種*的生產(chǎn)工藝。

參考文獻(xiàn)

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