dn50一體式電磁流量計電*四氟襯裏對流體噪聲影響

dn50一體式電磁（cí）流量計測量中，電解（jiě）質流（liú）體對金屬電*的電（diàn）化學反應會產生（shēng）直流*化電壓。這種與流速無關的（de）電壓被稱為流體噪聲。流體噪聲（shēng）一直是dn50一（yī）體式電磁流（liú）量計要解決的重要技（jì）術問（wèn）題之一,從（cóng）1832年法拉**一（yī）次應用地磁（cí）場和電磁感（gǎn）應方法測量泰晤士河流速，到（dào）**人們廣泛地應（yīng）用dn50一體式電磁流量計測量導電液體流量，dn50一體式電磁流量計（jì）的流體噪聲問題一直是一個困擾。尤其在進入低頻矩形波勵磁時（shí）代以來，流體（tǐ）噪聲的影響（xiǎng）表現得更（gèng）為突出。往往有些新裝配（pèi）的流量計受電**化的影響，輸出擺動需要經過長時間在水中浸泡（pào）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（cǐ）如何深入研究流體噪聲，探（tàn）尋其產生的原因，找（zhǎo）到（dào）降低流體噪聲的方法，提高傳感器信噪比，特別是對（duì）微弱勵磁電流（電磁水表、兩線製dn50一（yī）體式電磁流量計）的（de）發展和低流速（0.1m/s以下）及高流速（sù）（15m/s以上）流量測量範圍（wéi）的擴展具有重大意義。
提高dn50一體式電磁流量（liàng）計襯裏和電*的加工粗糙度水平，不僅改善了產品的外（wài）觀性（xìng）能，更重要的是從本質上降（jiàng）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。本文從傳感器襯裏和電*粗糙度引起dn50一體式電磁流量計動態零點的流體噪聲分類、產生（shēng），引導出能（néng）夠降低流體噪（zào）聲提高信噪比的（de）重要措施。進（jìn）而介紹dn50一體式電（diàn）磁流量計傳感器製造中一些關鍵工（gōng）藝措施，希望（wàng）對提高我（wǒ）國dn50一體式電磁流量計製造水平和產（chǎn）品競爭能力起到一定幫助作用。
1.流體噪聲
dn50一體（tǐ）式（shì）電磁流量計在應用（yòng）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*化電（diàn）壓，在（zài）低頻矩（jǔ）形波（bō）勵磁（cí）方式（shì）中尤為突出，常有（yǒu）：漿液噪聲、流動（dòng）噪聲和高端流速噪聲。
流（liú）體噪聲的產生原因有下麵幾種情況：
⑴不鏽鋼電*的耐腐蝕是在（zài）其表麵具（jù）有一個*薄的鈍化層，使得電化（huà）學反應達到平衡狀態。如圖1所示，流體中的固體物撞擊電*，使得電*表麵鈍化層被破壞，失掉（diào）電化學平衡。而金屬（shǔ）材料與流體介質接觸具有重新恢複生成表麵鈍化層保持電化學平衡的能力。在達到點化（huà）學平衡期間，金屬和流體（tǐ）中的遊離離子（zǐ）在信號電場作用下不斷進行著電化學（xué）反應。固體顆（kē）粒撞擊電*，不斷破壞保護的鈍（dùn）化（huà）層（céng）；電化學反應又反（fǎn）複生成鈍化層，於是形成了電*間（jiān）的電位不斷大幅地度變化，這種變化的（de）電位造成流量信號中（zhōng）的流體噪聲。這種（zhǒng）情（qíng）況也即dn50一體式電磁（cí）流量計中通常講的漿（jiāng）液噪聲。理論（lùn）和實踐（jiàn）表明，影響電（diàn）化學（xué）反應（yīng）信號電場變（biàn）化的頻率升高，可使流體（tǐ）噪聲幅度迅速下降，這就是高頻勵磁和雙頻勵磁可以解（jiě）決漿液測量的原因。
⑵流體摩擦襯裏和電*，流（liú）體中發生的正、負離（lí）子從（cóng）電解質流體中分離。襯裏和電*表麵越粗糙，遊離的（de）離子濃度就越高。見圖2，受電*信號電場的作用，一部（bù）分離子會向電*移動，形成噪聲電壓，這種噪聲被稱為（wéi）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（chǎng）強度有關，高流速時感應（yīng）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（yě）會形成流動噪聲，流量計上（shàng）遊加藥表現的測量不穩定（dìng）就是典型例子。原因是不同介（jiè）質在不均勻（yún）混合（hé）時，流體中容易分離出正、負離子，受電*信號電（diàn）場的作用（yòng），一部（bù）分離子（zǐ）會向電*移動，形成了流動噪聲電壓，造成輸出的不穩定。
⑷由於高流（liú）速流動流（liú）體靠近襯裏和dn50一體（tǐ）式電磁流量計電*部位的層流邊界層厚度變得很薄，如圖3所示，襯裏和（hé）電*的粗糙度高度突破了流速層流邊（biān）界層的厚度，流（liú）體撞擊（jī）這（zhè）部分粗（cū）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（xiàng）反）的流速分（fèn）量，受信（xìn）號權重函數的作用，對電*信號產生了很大影響，形成了大（dà）的正誤差，這就（jiù）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速噪聲與測量管的襯裏和電*表麵粗糙度直接有關，*化電壓產生（shēng）的漿液噪聲與電*表麵粗糙度也有很大關係。
2.金屬（shǔ）電*抗流體（tǐ）腐蝕鈍化膜的形成
不鏽鋼電*的抗（kàng）腐蝕性能，主要是由於表麵覆蓋著一層*薄(約1nm厚)致密的鈍（dùn）化膜。這（zhè）層鈍化膜隔離腐蝕性流體介質，是不鏽鋼電*防護的（de）基本屏（píng）障。不鏽鋼電*鈍化具（jù）有動態特征，不應看作腐蝕完全停止，而是形成擴散的阻擋層（céng），使陽*反應速度大大降低。對不（bú）鏽鋼電*，通常在（zài）有還原劑(如氯離子)情況下傾向於破壞鈍化膜，而在氧化劑(如空氣和水)存在時能保持或修複鈍化膜。不鏽鋼（gāng）電*放置於空氣（qì）和水中（zhōng）會形成氧化膜，但（dàn）這種膜的保護性不夠完善，速度也很慢。圖4為不鏽鋼電*用XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)光電能譜設備進行（háng）的表麵化學分析量化圖。左圖是未經工（gōng）藝處理的電*表麵向內不同深度主要元素鉻（gè）（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（dùn）化膜為貧鉻（gè）層。右圖為經（jīng）過機械研磨拋光（guāng）或酸洗、化學拋光等工序進行鈍（dùn）化處理工藝措施，使鐵（tiě）與鐵的氧化（huà）物比鉻與鉻的氧化物（wù）優先溶解，去掉了（le）貧（pín）鉻層，造成鉻在不鏽鋼表麵的富集，在深度約1nm位置鉻的含量約達30%。這種（zhǒng）富鉻鈍化膜的*化電位(SCE)可達+1.0V，接近貴金屬金（jīn）、鉑的*化（huà）電位，因（yīn）此，不鏽鋼（gāng）得以提高抗腐蝕的穩定（dìng）性。不同的鈍化處理方法也會影響膜的成分與結構，從而影響不鏽性。如通過電化學改性處理，可使（shǐ）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，使不鏽鋼能發揮*大的耐（nài）蝕性。廣州明柏儀（yí）表廠（chǎng）專供
不鏽鋼電*的耐（nài）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（fǔ）蝕，當然仍然會出現流體噪聲。電（diàn）*在（zài）加工成形、組裝及安裝標記等過程中會帶來表麵油（yóu）汙、鐵鏽、非金屬髒物、低熔點金屬汙染物、油漆、焊渣與飛濺物等（děng），這（zhè）些物質影響了不鏽鋼電（diàn）*的表麵質量（liàng），破壞了其表麵的氧化膜，降低了不（bú）繡鋼的抗全麵（miàn）腐蝕性（xìng）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*裝配前（qián）的（de）工藝處理和存放、裝配的工藝方法，保護好鈍化（huà）膜是dn50一體式電磁流量計製造中重（chóng）要（yào）技術之一。
3.襯裏（lǐ）和電*的表麵粗糙度對流（liú）體噪聲的影（yǐng）響
流體（tǐ）噪聲的高低與襯（chèn）裏（lǐ）和電*表（biǎo）麵的粗糙度有關。無論對漿液噪聲、流動噪聲（shēng）和流速高端噪聲這種關係都很密切。
很明顯，粗糙的襯裏和電*表（biǎo）麵會加大對流體的摩擦（cā）力，容易引起流體中離子分離的加劇，給流動噪聲（shēng）產生創造條件。光滑的襯裏和電*表麵能夠讓流體順滑流過，減（jiǎn）小流（liú）體與襯裏和電*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（yǐ）想（xiǎng）象流體（tǐ）流動（dòng）速度加快（kuài），襯裏和電*對流體的摩擦力也會加大，流體中（zhōng）離子分離同樣會加劇。再加（jiā）上流體流速的加快，感（gǎn）應電勢增大，電場對離子運動的作用力增大，因此（cǐ）流（liú）動噪（zào）聲要（yào）增大。所以，在有流動噪聲的情況（kuàng）下流量（liàng）計使（shǐ）用流速不宜（yí）過高。
參考文獻曾經討論過高雷諾數（即高流速）下（xià）dn50一體式電磁流量計（jì）測量管粗糙度對測量的影響，圖5所示出不同襯（chèn）裏材料（主（zhǔ）要（yào）表麵粗糙度不（bú）同）的誤差差別。可以看出，橫河加不鏽鋼網的PFA襯裏由於粗糙度*低，剛度好，試驗條件下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；聚氨酯襯裏（lǐ）盡管出現高端流速噪聲晚一些，但（dàn）由於其強度不高，產生的誤差幅度（dù）*大。這說明襯裏和電*粗糙度是產生高端流速噪聲的重要原因。
對（duì）於漿液噪聲，由於電（diàn）*表麵覆蓋的一層鈍化膜僅有約1nm厚，如果電*本身粗糙度較高，表麵高低不平，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（de）保持和修複。流體和電*的電化學（xué）反應就會不斷進行，就難以做到穩定的測量漿液流（liú）體。也就是說，電*表麵的粗糙度高低，也直接影響（xiǎng）到漿液噪聲的產生與消除。
圖6摘（zhāi）自知名dn50一體式電磁流量計生產廠商E+H公司的流量測量手冊一書（shū），它是用於食（shí）品工業生（shēng）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。由於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（shēng）的（de）可能性很高。可以看到，E+H公司的襯（chèn）裏和電*粗（cū）糙度要求為（wéi）Ra0.3，入口和出口連接金屬管（guǎn）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已經是由機械研磨或電解拋光到達的鏡（jìng）麵粗糙度等級。這裏，金屬管起接液環作用，用來把測（cè）量流體電連接為信號的基準參考電位。接液環（接液電*或流量計上、下（xià）遊連接金屬管道）如同電*，同樣受到被測流體的（de）電（diàn）化學作用產生（shēng）流體噪聲，所以也（yě）需要受到高（gāo）度重視，減小粗糙度高度。
日本橫河公司2009年研究開（kāi）發的雙頻兩線製dn50一體式電磁流量計，把降低襯裏和電*的粗糙度，完善電（diàn）*鈍化膜作（zuò）為提高傳感器信噪比的關鍵技術之一。對襯裏和電*粗糙度提出了Ra在 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，兩線製雙頻勵磁dn50一體式電磁流量計能夠（gòu）得到與四（sì）線製具有同樣優良的測（cè）量精度。
4.襯裏和電*加工工藝方法討論
4.1 襯裏
為滿足測量管粗糙度要求，dn50一體式電磁流量計需要根據流（liú）體種類選用優良的襯裏材料。對不同的襯（chèn）裏材料（liào）更需（xū）要采用優（yōu）良的加工工藝方法。目（mù）前常用（yòng）的襯裏材料有：氯丁橡膠（jiāo）、EPDM橡（xiàng）膠、聚氨酯、氟塑料（liào）PTFE和PFA。這裏簡述不同襯裏的工藝要點，提請流量計製造者參考。
氯丁橡膠適於DN300以上大口徑傳（chuán）感（gǎn）器，多用於測量（liàng）水、汙水、弱酸、弱堿介質流體。一般直接用膠片（piàn）粘接貼附在不鏽鋼導管內壁，通過硫化製成。這種工藝，橡膠（jiāo）襯裏的表麵粗糙度一般比較高，操作（zuò）時（shí）應特別（bié）注意（yì）搭接縫處的平整，但相對粗糙度要低。用於小口徑（jìng）的氯丁橡膠和EPDM橡膠襯裏，則*好使用模具（jù）加壓，貼附在導管內壁然後硫化（huà），降低襯裏表麵粗糙度取決（jué）於（yú）模具芯棒的表麵粗糙度（dù）和加壓及硫化工藝。
當前（qián），國內聚氨（ān）酯襯裏多使用的是軟質材料，采用（yòng）澆灌的工藝辦法，襯裏粗糙度（dù）不僅取決於芯棒模具（jù）表麵粗糙度，也會（huì）受到澆灌、排（pái）氣、加熱（rè）、冷卻和材（cái）料成分、比例的影響。國外（wài）硬質聚氨酯多采用聚氨基（jī）甲酸乙脂橡膠，其成形的重要工藝（yì）要點是，除去注入過程中（zhōng）卷（juàn）入的氣泡、使化學反應（硬化、交（jiāo）聯（lián））得以穩（wěn）定進行；采用離（lí）心澆注的工藝方法：保證原料在保管時（shí）處（chù）於幹燥狀態，均勻、順滑地對原料進行混合、攪拌，為除去卷入原料的氣泡（pào），設定適當導管的旋轉速度，良好地控製原料處理、硬化、交聯的溫度。
要（yào）求粗糙度低的襯裏材料（liào）應使（shǐ）用氟塑料。用於配管、罐等容器的PTFE氟塑料襯裏，通常是在金屬管內（nèi）襯入一個薄壁聚四（sì）氟（fú）乙烯（xī）管，或者是采（cǎi）用將聚四氟乙烯管插入，然後（hòu）進（jìn）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（dù）影響（xiǎng）大，粘接往往不可靠。對於dn50一體式電磁流（liú）量計，優良的（de）氟（fú）塑料襯（chèn）裏是PFA。PFA主要采用（yòng）的辦法（fǎ）是（shì）注入（rù）熔融樹脂，而後注塑（射出注塑法）。采用射出注塑法，屬無接（jiē）縫一體成形。PFA襯（chèn）裏的品質具有良好的（de）耐化學藥品性、耐熱性（xìng）、耐附著性（表麵光（guāng）潔度）。尤其是在耐（nài）化學藥品性、耐熱性方麵，運用獨特的製造技術，可減少內部（bù）應力與內在氣泡（pào），以避免產生裂紋，這樣使（shǐ）流量計用在嚴酷的環境下時，仍（réng）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（diǎn）是（shì）對注塑溫度（樹（shù）脂粘度、金屬模（mó）具溫度）、金屬模具的冷（lěng）卻控製（冷（lěng）卻時間、溫度）、樹脂的壓力控製。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（dà）於樹（shù）脂熔點。由於需要進行高精度冷（lěng）卻控製，故（gù）應在金屬模具中設置多個冷卻回路，並進行相互獨立的冷卻控製操作。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*處理包括拋光和（hé）鈍化工藝。拋光有三種（zhǒng）方法，機械（xiè）拋光是不鏽鋼拋光的三種拋光（即機械拋光，化學拋光和電化學拋光）的*一（yī）道工序。接（jiē）下來兩者相結合，如機械拋光—化學拋光或機械拋光—電化（huà）學拋光。機（jī）械拋光用於初（chū）級拋光，將電*表麵凹凸的不平度加工到一定的粗糙度，然後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（diàn）*表麵微（wēi）觀不平度，從（cóng）而提（tí）高到（dào）鏡麵（miàn）光亮，同時可以完成拋光和鈍（dùn）化兩道工藝的（de）目的，增加（jiā）表（biǎo）麵了鉻（gè）含量（liàng），形成良好的鈍化層。對於（yú）毛坯表麵由（yóu）於存（cún）在宏觀不平度，要先用機械拋光方法達到（dào）Ra≤0.8µm的粗糙度，再用化學拋光或電化學拋光方法提（tí）升到Ra=0.05µm 以上的（de）粗糙度，才（cái）能獲取（qǔ）*後（hòu）的光亮（liàng）度，鏡麵光澤（zé）和良好的鈍化（huà）層。
經過拋光和鈍化（huà）處理的電*能夠形成穩定的（de）鈍化層。但在儲存、轉運、裝配時，一定要注意保持（chí）表麵鈍化層不被（bèi）破壞。與dn50一體（tǐ）式電磁流（liú）量（liàng）計傳感器傳（chuán）統地、簡單地采用（yòng）在水中浸泡（有時這種方法需要（yào）****時（shí）間），自然形成鈍化（huà）層生（shēng）產方式相比（bǐ），經過拋光和鈍化工（gōng）藝處（chù）理（lǐ）的電*，能夠獲得穩定抗腐蝕性能（néng）的電*，相當高地提（tí）高了生產效率，是一種先進（jìn）的生產工藝。

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