管道水流量計工藝（yì）處理方法與電*四氟襯（chèn）裏對流體噪聲影響

管道（dào）水流量計測（cè）量（liàng）中，電解質流體對金屬電*的電化學反應會產生（shēng）直流*化電壓。這種與流速無關（guān）的電壓被稱（chēng）為流體噪聲。流體噪聲一直是管道水流（liú）量計要解決的重要（yào）技術問題（tí）之一,從1832年法拉**一次應用地（dì）磁場和電磁感（gǎn）應方法測量泰晤（wù）士河流速，到**人們廣泛（fàn）地應用管道水流量計測量導電液體流量，管道水流量計的流體噪聲（shēng）問題一直是一個（gè）困擾。尤其在進入（rù）低（dī）頻（pín）矩形波勵（lì）磁時代以來，流體噪聲的影響（xiǎng）表現得更為突出。往往有些（xiē）新裝配的流量計受電**化的影響，輸出擺動需要經過（guò）長時間在水中浸泡才能消除。流體噪聲的（de）大小直接影（yǐng）響到流量計測量的靈敏（mǐn）度、線性度和穩定性，因此如何深入研究（jiū）流體噪聲，探尋其產生的原因，找到降低流體噪聲（shēng）的（de）方（fāng）法，提高傳感器信噪比，特別是對微弱勵磁電流（電磁水表、兩線製管道水流量計）的發展和（hé）低流（liú）速（0.1m/s以下）及高流速（sù）（15m/s以上）流（liú）量測（cè）量範圍的擴展具有重大意義。
提高管道水流量計襯裏和電*的加工粗糙度水平，不僅改善了產品的外觀性能，更重要的是從本質上（shàng）降低了流體噪聲產生的幾率和幅度，從而提（tí）高流量計測量的靈敏度和穩定性。本文從（cóng）傳感器襯裏和電*粗糙（cāo）度引起管道水流量計動態零點的流（liú）體噪聲分類、產生，引導出能夠降低流體噪聲提高信（xìn）噪（zào）比的重要措施。進而介紹管道水流量計傳感器製造中一些關鍵工藝措施，希望對提高（gāo）我國管道水流量計製造水平和產品競爭能力起到一定幫助（zhù）作用。

1.流體噪聲（shēng）
管道水流量計在應用中除了受周（zhōu）圍環境條件，電磁（cí）場、靜電場等因素產生的噪（zào）聲影響外，被測介質的流體噪聲也是非常重（chóng）要的影（yǐng）響（xiǎng）因素。流體噪聲是一種直流*化電壓，在低頻矩形波勵磁方式中尤為突出，常有：漿液噪聲、流動噪聲和高端流速噪聲。
流體噪聲的產生原因有下麵幾種情況：
⑴不鏽（xiù）鋼電*的耐腐（fǔ）蝕是在（zài）其表麵具有一個*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（zhōng）的固體（tǐ）物撞（zhuàng）擊電*，使得電*表麵鈍化層被破壞，失（shī）掉電（diàn）化學平衡。而金（jīn）屬材料與流體介質接觸具有重（chóng）新恢複（fù）生成（chéng）表（biǎo）麵（miàn）鈍化層保持電化學平衡的能力（lì）。在達到點化學平（píng）衡期間，金屬和流體中（zhōng）的遊離離子在信號電場作用（yòng）下（xià）不斷進行著電化學（xué）反應。固體（tǐ）顆粒撞（zhuàng）擊電*，不斷破壞保護的鈍（dùn）化（huà）層（céng）；電化學反應又反複生（shēng）成鈍化層，於是形成了電*間的電位不斷大幅地度（dù）變（biàn）化，這種變化的電位造成流量信號中的流體噪聲。這種情況也即管道水流量計中通常講（jiǎng）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（shǐ）流體噪聲幅度迅速（sù）下（xià）降，這就是高（gāo）頻勵磁和（hé）雙頻勵磁可以解決漿液測量的原因。
⑵流（liú）體（tǐ）摩擦襯裏和電*，流體中發生的正、負（fù）離子從電解質流體中（zhōng）分離。襯裏和電*表麵越粗糙，遊離的離子濃度就越高。見圖2，受電（diàn）*信（xìn）號電場的作用，一部分離子會向電*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（xiàn）比（bǐ）較突出。流動噪聲與外電場強（qiáng）度有（yǒu）關，高流速時感應信號越大（dà），噪（zào）聲幅度也越大，輸出（chū）就會很不穩定（dìng）。
⑶流體電導率和pH值的急劇變化也會形成（chéng）流（liú）動噪聲，流量計上遊加藥表（biǎo）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（yì）分離出正、負離子，受電*信號電場的（de）作用，一部（bù）分離子會向電*移動，形成（chéng）了流動噪聲電壓，造成輸出的不穩定。
⑷由於高流速（sù）流動流體靠近襯裏和管（guǎn）道水流量計電*部位的（de）層（céng）流邊界層厚度（dù）變得很薄，如圖3所示，襯裏和電*的粗糙度高度突（tū）破了流速層流邊（biān）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（zhóu）方向相同（或相反）的流速分量，受信號權重函數的作用（yòng），對電*信號產（chǎn）生了很大影響，形成了大的正誤差，這就是高端流速噪聲。
可見，上述流體噪聲中的流動噪聲和高端流（liú）速噪（zào）聲與測量（liàng）管的襯裏和電*表麵粗（cū）糙度直接有關，*化電壓產生的漿液噪聲與電*表麵粗糙度也有很大關係。
2.金屬電*抗流體腐蝕鈍化膜的形成
不鏽鋼電*的抗腐蝕性能，主要是由於表麵覆蓋著一層*薄(約（yuē）1nm厚)致（zhì）密的鈍化膜。這層鈍化（huà）膜隔離腐蝕性流體介質，是不鏽鋼電*防護的基（jī）本屏障。不鏽鋼（gāng）電*鈍（dùn）化具有動態（tài）特征，不應看作腐蝕完全停止，而是形成擴散的阻擋層（céng），使陽*反應速（sù）度大大（dà）降低。對不鏽鋼電*，通常在有還原（yuán）劑(如氯離（lí）子)情況下傾（qīng）向於破壞鈍化膜（mó），而在（zài）氧化劑(如空氣和水)存在時能保持或修複鈍（dùn）化膜（mó）。不（bú）鏽鋼電*放置於空氣和水中會（huì）形成氧化（huà）膜，但這種（zhǒng）膜的保（bǎo）護性不夠完善，速度也很慢（màn）。圖4為不鏽鋼電*用XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)光電能譜設備進行的表（biǎo）麵化學分析（xī）量化圖。左圖是未經工藝處理的電*表麵向內不（bú）同深度主要元素鉻（Cr）、氧（yǎng）（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（dùn）化膜為貧鉻層。右圖為經過機械研磨拋光或酸洗、化（huà）學拋光（guāng）等（děng）工序（xù）進行鈍化處理工藝措施，使鐵與鐵的氧化物比鉻（gè）與鉻的氧化物優（yōu）先溶解，去掉了貧鉻層，造成鉻在不鏽（xiù）鋼表麵的富集，在深度（dù）約1nm位置鉻的含量約達30%。這種富鉻鈍化膜的*化電位(SCE)可達+1.0V，接近貴金屬金、鉑的*化電位，因此，不鏽（xiù）鋼得以提高抗腐蝕（shí）的穩定性。不同的鈍化處理方法也會（huì）影響膜的成分與（yǔ）結構，從而影響不鏽性。如通過電化學（xué）改性處理，可使鈍化膜具（jù）有多層結構（gòu），在阻擋層形成CrO3或Cr2O3，或形成玻璃態的氧化（huà）膜，使不（bú）鏽鋼能發揮*大的耐蝕性。廣州明柏儀（yí）表廠（chǎng）專供
不鏽鋼電*的（de）耐腐蝕主要依靠表麵鈍化膜，如果鈍化膜不完整或有缺陷，不鏽鋼仍會被腐蝕，當然仍然（rán）會出現（xiàn）流體噪聲。電*在加工成形、組裝及安裝標記等過程中會帶（dài）來表麵油汙、鐵鏽、非金屬髒物、低熔點金屬汙染物、油漆、焊渣與飛濺物（wù）等，這些物質影響了（le）不鏽鋼電*的表麵質量，破壞（huài）了其表（biǎo）麵的氧化膜，降低了不繡鋼的抗全（quán）麵腐蝕性（xìng）能，也（yě）形成流體（tǐ）噪聲的產生，影響到流量計（jì）測量的穩定性。所以改善電*裝配前的工藝處理和存（cún）放、裝配的工藝方（fāng）法，保護好鈍化（huà）膜是管道水（shuǐ）流量計製造中重要技術之一。
3.襯裏和電*的表麵（miàn）粗糙度對流體噪聲（shēng）的影響
流體噪聲的（de）高低與襯裏和電（diàn）*表麵的粗（cū）糙度有關。無論對漿液（yè）噪聲、流動噪聲和流速高端噪聲這種關係都很密切。
很明顯，粗糙的襯裏和（hé）電*表（biǎo）麵會加大對流（liú）體的摩擦力，容易引起流體中離子分離的加劇，給流動（dòng）噪聲產生創造條件。光滑的襯裏和電*表（biǎo）麵能夠讓流體順滑流過，減小流體與襯裏和電*的（de）摩擦（cā）力，因此（cǐ）離子分離的機會將大大減少，流動噪（zào）聲也將減小。可以想象流體流動速度加快，襯（chèn）裏和（hé）電*對流體的摩擦力也會加大，流體中離（lí）子分離同樣會加劇。再加上流體流速（sù）的加快，感應電勢增大（dà），電場對離子運動的作（zuò）用力增大（dà），因此流（liú）動噪聲要增大。所以，在有流動噪聲的情況下流量計使用（yòng）流速不宜過高。
參考（kǎo）文獻曾（céng）經（jīng）討論過高雷諾數（即高流速）下管道水流量計測量管粗糙度對測量的影響，圖5所示出不同襯裏材料（主要表麵粗糙度不同）的誤差差別。可以看出，橫河（hé）加不鏽鋼網的PFA襯裏由於粗糙度*低，剛度好，試驗條件下（xià）未出現高端流速噪聲形成誤差；橡膠襯裏的粗糙度*高，出現高端流速噪聲誤差組*早；聚（jù）氨酯襯裏盡管出現高端流（liú）速噪聲晚一些，但由於其強度不高，產生的誤差幅度*大。這說明襯（chèn）裏和電*粗（cū）糙度是產生高端流速噪聲的重要原因。
對於（yú）漿液噪聲（shēng），由於電*表麵覆蓋的一層鈍（dùn）化膜僅有約1nm厚，如果（guǒ）電*本身粗糙度較高，表麵高低不平，鈍化膜就（jiù）很難達到致密和厚薄均勻，這將對膜的穩定性受到影響（xiǎng），進而也會影響到膜的保持和修複（fù）。流體和電*的電（diàn）化學反應就會不斷進行，就難以做（zuò）到穩定的測量（liàng）漿液流體（tǐ）。也就是說，電*表麵的粗糙度高低，也直接影響（xiǎng）到漿液（yè）噪聲的產生與消除。
圖6摘自知名管道水流量計生產廠商E+H公司的流量測量手冊一書，它是用於食品工業生產過程流量測量用PTFE或PFA氟塑料襯裏電 磁流量計的剖視圖。由（yóu）於食品的電導率一般較低而且粘度較高，測（cè）量時出現流動噪聲（shēng）的可能性很高（gāo）。可以（yǐ）看到，E+H公司的襯裏和電*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分別表示絕對粗糙度的平均高度為0.3μm和0.8μm。Ra0.3已經是由機械研（yán）磨或電解拋光（guāng）到（dào）達的鏡（jìng）麵粗糙（cāo）度等級。這裏，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（yè）電*或流量計上、下遊連接金屬管道）如同電*，同樣受到被（bèi）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製管道水流量計，把降低襯裏和電*的粗糙度，完善電*鈍化膜作為提高傳感器信噪比的關鍵技（jì）術之一。對襯裏（lǐ）和電*粗糙度提出了Ra在（zài） 0.05～0.15μm範圍的鏡麵要求。這一措施使得傳感器感應信號和（hé）傳感器的信（xìn）噪（zào）比提（tí）高1倍以上，因此在大幅度降低勵磁電流的情況下，兩線製（zhì）雙（shuāng）頻勵磁管道水流量計能夠得到與四線製具有同樣優良的測量精度。
4.襯裏和電*加工工藝（yì）方法討論
4.1 襯裏
為滿（mǎn）足測量管粗糙度要（yào）求，管道水流量計需要根據流體種類選用優良的襯裏材料。對不同的襯裏材料更（gèng）需要采（cǎi）用（yòng）優良（liáng）的加工工藝方法。目前常（cháng）用的（de）襯裏材（cái）料有：氯丁橡膠、EPDM橡（xiàng）膠、聚氨酯、氟塑料（liào）PTFE和PFA。這裏簡（jiǎn）述不同襯裏（lǐ）的（de）工（gōng）藝要點，提請流量計製造者參考。
氯丁橡膠適於（yú）DN300以上（shàng）大口徑傳感器（qì），多用於測量水、汙水、弱酸、弱堿介質流體。一般直接用膠片粘接貼附在不鏽鋼導管內壁，通過硫化製成。這種工藝，橡膠襯裏的（de）表麵粗糙度一般比較高，操（cāo）作時應特別注意搭接縫（féng）處的平（píng）整，但（dàn）相對粗糙度要低。用於小口徑（jìng）的氯丁橡膠和EPDM橡膠襯裏，則*好使用模具加壓，貼附在導管內壁然後硫化，降（jiàng）低襯裏表麵粗糙度取決於模具芯棒的表麵（miàn）粗糙度和（hé）加壓及硫化工藝。
當前，國內聚氨酯襯裏（lǐ）多使用（yòng）的（de）是軟質材料，采用澆灌的工（gōng）藝辦法，襯裏粗糙度不僅取決於芯棒模具表麵粗糙度，也會受到（dào）澆灌、排（pái）氣（qì）、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（chéng）形的重要工藝要點（diǎn）是，除去注入過程中卷入的氣泡、使化學反應（硬化、交聯）得以穩定（dìng）進行；采用離心澆注的工藝方法：保證原料在保管時處於幹燥狀態，均勻、順滑地對（duì）原料進行混合、攪拌，為（wéi）除去卷入原料（liào）的氣泡，設定適當導管的旋轉速度，良好地控製原料處理（lǐ）、硬化、交聯的溫（wēn）度。
要求粗糙度低的襯裏材料應使用氟塑料。用於配管、罐等容器的PTFE氟塑料襯（chèn）裏，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（fú）乙烯管插入，然（rán）後進行粘接的工藝方法。這種襯裏主要的缺點是耐負壓不高，受溫度影（yǐng）響大（dà），粘接往往不可靠。對於管道水流量計，優良的氟塑料襯裏是PFA。PFA主要采用（yòng）的辦法是（shì）注入（rù）熔（róng）融樹脂，而後注塑（射出注塑法）。采用射出注塑法，屬無接縫一體成形。PFA襯裏的品質具有良好的耐化學藥品性、耐（nài）熱性、耐附著性（表麵光（guāng）潔（jié）度）。尤其是在耐化學藥品性、耐熱性方麵，運用獨特的製造（zào）技術，可減少內部應力與內在氣（qì）泡，以避免產生裂紋，這樣使流量計（jì）用在嚴酷的環境下時，仍具有很高的可靠性。為此，在PFA襯裏製造過程中，重要的管理點是對注塑溫度（樹脂粘度、金屬模具溫度）、金屬模具的冷卻控製（冷卻（què）時間、溫度（dù））、樹（shù）脂的壓（yā）力控製。注塑溫度設定要盡可能低，以（yǐ）減（jiǎn）少PFA樹脂的熱（rè）劣化。注塑中，金屬模具的溫度要均勻地保持大於樹脂熔點。由於需要進行高精度冷卻控製，故應在金屬模具中設置多個冷卻回路，並進行相互（hù）獨立（lì）的冷卻控（kòng）製操作（zuò）。在進行冷卻控製的同時，還應對樹脂壓力進行控製。
4.2 電*
電*處（chù）理包括拋光和鈍化工藝。拋光有三種方法，機械（xiè）拋光是不鏽鋼（gāng）拋光的三種拋光（即機械拋光，化學拋光和電化學拋光）的*一道工序。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（pāo）光。機械拋光用於（yú）初（chū）級拋（pāo）光，將電（diàn）*表麵凹凸的不平度加工到一定的粗糙度，然後再進（jìn）行化學拋光或電化學拋光。化學拋光和電化學拋光（guāng）可以除去電*表麵微觀不平度，從而（ér）提（tí）高（gāo）到鏡麵光亮，同時可以完成拋光和鈍化兩道（dào）工藝的目的，增加表麵了鉻含量，形成良好的鈍化層。對於（yú）毛坯表（biǎo）麵由於存在宏（hóng）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*後的光亮度（dù），鏡麵光澤和良好的鈍化層。
經過拋光和鈍化處（chù）理的電*能夠形成穩定的鈍（dùn）化層。但在儲存、轉運、裝配時，一定要注意保持表（biǎo）麵鈍化層（céng）不（bú）被破壞。與管道水流量（liàng）計傳感器傳統地、簡單地采用在水中浸泡（有時這種方（fāng）法需要（yào）****時間），自然形成鈍化層生產方式相比，經過拋光和鈍化（huà）工藝處理的電（diàn）*，能夠獲得穩定抗腐蝕性能的電*，相（xiàng）當高（gāo）地提高了生產效率，是一（yī）種先（xiān）進的生產工藝。

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