冷卻循環水流量計在應用中的信號基準確定（dìng）與直（zhí）流噪聲幹擾

冷卻（què）循環水流（liú）量計自1950年問世以來，伴隨著電子技術和計算機數字技術（shù）的發展，目前冷（lěng）卻循環水流量計已經品（pǐn）種和類型已經非（fēi）常豐富，生產技術也相當成孰（shú）與（yǔ）完善，是流量計儀表市場*受歡迎的品種之（zhī）一。
冷（lěng）卻循環水流量計*初的工作模（mó）型是由法拉*提出，作為電磁感應原（yuán）理的開創者與奠基人，法拉*為人類從鉛與火的時代邁向光與（yǔ）電的時（shí）代作出了巨大的貢（gòng）獻，人類曆史上*一例冷卻循環水流量計測（cè）量的案例也是由（yóu）法拉*在1832年在（zài）泰晤士河進行的，當時是進行的河水流速的測量試驗（yàn），但是試驗並沒有成功，究其原因，是（shì）因為直流信號中包含有（yǒu）漂移的直流*化（huà）電壓,其值難以（yǐ）和信號分辨，盡管後來的冷卻循環水流量計經曆了交（jiāo）流勵磁、低頻矩形波勵磁等技術進步與發展（zhǎn）,對於電（diàn）磁感應引起的正（zhèng）交幹（gàn）擾、同相（xiàng）幹擾和由於靜電感應引起的串模幹擾、共模幹擾以及漿液對（duì）測量電*摩（mó）擦出現的尖狀幹擾所造成的（de）零點不穩定與測（cè）量（liàng）輸出擺（bǎi）動等問題非常有（yǒu）效地給予（yǔ）解決（jué）。對於測量電解質流體,接地(接液)部件與（yǔ）測量電*間產（chǎn）生漂（piāo）移的直流*化電（diàn）壓（yā）依然存在,仍然（rán）會影響到流量信號（hào）的基準點穩定與否,進而影響輸出信號的（de）穩定性與可靠性。因（yīn）而,對於流量信號的基準有必要予以正確認識,並（bìng）采取有效解決措施。
由電學（xué）知識（shí）可（kě）知,對作為電動勢的電磁流量信（xìn）號測量,重要的是（shì）需要有一個穩定的電位差基準點,也就（jiù）是（shì）信號要良好接地。過去一些人往往隻追求接地電阻盡量小,以為這（zhè）樣就能夠得到穩定的流量信號。其（qí）實不然,導電流體（tǐ）介質作為信號的（de）基準點更為重（chóng）要。
從多年（nián）研（yán）究、應用（yòng）冷卻循環水流量計的（de）經驗出發,對現場遇到的這類實際測量問題進行分析,力圖認識導電流體作為信號的基準點的重要性,並提供基準點接液的方法,供（gòng）參考。
1、導電流體（tǐ）是流（liú）量信號電（diàn）壓的基準（zhǔn）電（diàn）位點
眾所周知,對一個電壓信號,總有一個基（jī）準的“地（dì）”點（diǎn）和一個變（biàn）化的“信（xìn）號（hào）”端點,以（yǐ）構成電（diàn）位差。初期的電磁流量傳感器（qì）曾（céng）把一個（gè）測量電*作為信（xìn）號的“地”點,另一個測量電*作為“信號”點。這種信號傳輸稱為“單端信（xìn）號”,同其他電壓信號一樣,用圖1a可以說明。單端信號的（de）放大是把直流和交流的各（gè）種幹擾電壓和信號迭加（jiā）在一（yī）起（qǐ）同（tóng）時（shí）輸入到放大器輸（shū）入端子。通常,我們稱這些幹擾為串模幹擾、正態幹擾或橫向（xiàng）幹擾等。放大器很難把幹擾從信號中分開,這些幹擾信號往往幅度很大,遠大於毫伏（fú）級或微伏級的（de）流量信號。於是,這些幹擾（rǎo）就（jiù）造成了放大信號的失真（zhēn）,使得放大器飽和、堵塞,以至於不能工作。
現（xiàn）代冷卻循環水流量計的流量（liàng）信號都是以差動形式由傳感器傳輸（shū）到轉換放大器的。如同其它差動電（diàn）壓測量,拾取電磁流量信號的兩個電（diàn）*都（dōu）不直接接轉換放大器的（de）信號“地”,而是把“零（líng）電（diàn）阻”的流（liú）體介（jiè）質接到轉換放大器的信號“地”端子上。圖1b所示是這（zhè）種差動流量信號的等效電路。進入（rù）差動信號放大器兩信號端子的信號對“地”端子是幅度大小相等、*性相反,差動放大器放大的是兩電*信號端子的差值。因（yīn）此,對流量信號而言,差動放（fàng）大器呈放大（dà）狀態。然而（ér）,對幅度大小相（xiàng）等（děng）、*性相（xiàng）同的共模幹擾,進（jìn）入差動放大器差值幾（jǐ）乎為零,輸出也就幾乎為（wéi）零。差動放大器對共模（mó）幹擾呈衰減（jiǎn）狀（zhuàng）態。盡管由於接地回路的地電流、*化電壓（yā）、勵磁電源與電*間的靜電（diàn）耦合等原因,在差動流量信號中含（hán）有共模幹擾（rǎo）時（shí）,隻要（yào）電壓放大（dà）器（qì）的參數對稱,除非共模幹擾（rǎo）能夠轉化為一定的（de）串模幹擾,這（zhè）些幹擾是不會影響信號放大（dà）的（de）。事實上（shàng）,隨（suí）著集（jí）成運放電路製造技術的發展,器件的共（gòng）模（mó）抑製比越來越高,如果再采用電源浮動電路等措施,共模抑製比會更高,測量的精度也就（jiù）越來越高。

冷卻循環水流量計應用中（zhōng）信號基準與直流噪聲
導電流體介質（zhì）作為信號的基準點能夠把（bǎ）流量信號分成差分的差動狀態,並且一（yī）再強調測量流（liú）體必需可靠地（dì）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原（yuán）本電壓幅（fú）度大小相等、*性相同（tóng）的（de）共模幹擾,變成幅度不等的（de）差模幹擾電壓,也就是轉化為串模幹擾。如前麵所述,這時的差動放大器對於（yú）抑製串模幹擾也就（jiù）無能為力了。
2、可靠的（de）信號基準與正確接地
這裏再次強調,把被測量的液體導電介質視為零電阻,然後作為差動流量信號的（de）基（jī）準點。理論上講,基準點值越小越好,越小其電阻值越接近於零,差動（dòng）信號幅值分的（de）就越（yuè）相等。這就（jiù）是說,被測導電流體應是在（zài）大麵積的容器內,或者處（chù）在長管線的管道中。在文獻[1]中已作分析,流體的體電阻Rt可（kě）由電阻率公式求得:

冷卻循環水流量計應用（yòng）中信號基準與直流噪聲
這裏,導體長度是測量管道的內徑D,導體材料電阻率是電導率σ的倒數（shù）,管道長度記作l。一般來說,液體輸送管道（dào）都與大地相連。這種假設流體的體電阻為零的（de）要求,比較容易做到。但在一（yī）些模（mó）擬試驗時,利用一桶水、一盆水,不一定能滿足這一（yī）要求。
有了導電液體作為信號的基準,還必須用正確方法把這一基準引到（dào）差動信號接線端子的中點。實際應用（yòng）中,采（cǎi）用以下幾種方法將測量流體介質作為冷卻循環水流量（liàng）計的信號基準點（diǎn）引出:
流量傳感器安裝（zhuāng）在前（qián）後是金屬管道的管（guǎn）道中,這時導電流體可以通過流量傳感器（qì）前後（hòu）的金屬管道與之電連接,然後用導線把前後管道與傳感器（qì）的接地端子電連（lián）接起來。有時候,這種情況（kuàng）不一定完全能使傳感器與前後管道電連（lián）接良好,因為傳（chuán）感器的絕緣襯裏及絕緣墊圈有可能仍然電隔離了（le）傳感器與（yǔ）前後管道,這時需要用金屬導線將前後管道與傳感器連接起來。
在傳感器前後管（guǎn）道是非金屬或者（zhě）金屬管（guǎn）道內壁襯（chèn）有（yǒu）絕緣襯裏的情況下,應用（yòng）傳感器前後法（fǎ）蘭連有金屬接地環的流量計。導電流體依靠金屬接地環(比較確切地應稱作接液環)與之（zhī）連接。然後,用接地環與傳感器信號（hào）地相連接,對於被測流體電導率比較低的情況,由於液體的（de）體（tǐ）電阻比（bǐ）較大,這時可（kě）以采用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材料,可以用接地（dì）(接液)電*的方法來連（lián）接（jiē）基（jī）準到傳感器接地點（diǎn）。因為,這種方（fāng）式往往測量腐蝕液體的電導率比較高,液體的（de）體電阻非（fēi）常小,所以用（yòng）一個點電*來連接就行了。
當然,在實際應用中,除了流體作為信號基準接地外,還要注意到前後管道是金屬管道情況,前後管道應當與傳感器的電（diàn）連接良好。這是因（yīn）為金屬管道中往往有地電流、雜散（sàn）電流、三相不（bú）平衡（héng）電流,這些電流會在與傳（chuán）感器測量（liàng）管（guǎn）沒有良好（hǎo）電連接的兩端管道中形成大的電壓降,構成了大的（de）共模電壓,然後通過接地（dì）電阻加到信號電*上影響測量。還要注意到,前後金屬管道為防腐蝕的目的或電解廢水測（cè）量時,可能通有陰*保護電流和大的直流電流在管（guǎn）道中流過,這時前後應用低電阻的大麵積銅板把前後（hòu）金屬管道連接起來,使大電流由銅板旁路流（liú）過,在傳（chuán）感器測量管上不形（xíng）成大的壓降。
至於接地電阻,隻要將傳感器、前後金屬管道、接地環（huán）按一點接地法的原則接大地,接地電阻（zǔ）大小要（yào）求並不（bú）嚴格。一般（bān）情況下,接地電阻（zǔ）在100Ω以下就（jiù）可以,有防爆要求應小（xiǎo）於10Ω。
3、直流噪聲
3.1流體中的*化電壓
我們知道,電*埋在電解質的液體中將發生正負（fù）離子的（de）定向移動,在電*與流（liú）體介質間會形成（chéng）一定的電場。這就是（shì）平常所說的*化現象。這個現象可以通過一個實驗觀察。當用毫伏電壓表(數字（zì）式萬用表的電壓檔)的試筆插入一（yī）杯水中,電壓表能讀出電壓值。這是因為電壓表試筆的材（cái）質有差別,試筆上（shàng）形成的*化電位不同,因而（ér）形（xíng）成了電位差。電*與接地環(金屬（shǔ）管道、接地電*)材質不同（tóng）,形成的*化電壓（yā）大小（xiǎo）和方向將不（bú）同。*化（huà）電壓是漂移的直流電壓。圖2所示測量電*、金屬管道(或（huò）者接地環、接地電（diàn）*)對流（liú）體(視為0Ψ的電阻)的電壓分別為e1,e2和e3。可以看出,e3是共模電壓,它們分別（bié）與差動的流（liú）量信號e1和e2迭加,進入轉換器的差動放大器。過大的*化電壓(例如（rú）下（xià）麵我（wǒ）們分析的情況可能（néng）高達幾百mV)直接進入差動放大器往往把放大器（qì）阻塞,流量信號不（bú）能放大。即使能放（fàng）大,由於迭加的共模電壓是（shì）漂移變動的,因此流（liú）量信號的輸出擺動也很大。這（zhè）樣（yàng）說來,如何降低*化電壓非常重要。

冷卻循環水流量計應用（yòng）中信號基準與直流噪聲
任何金（jīn）屬浸入一種電解溶液時,其帶電的正離子趨向於溶解而金屬本身則保持負電荷,這就形成了一定電位的（de）電*。這種電*在介質中形（xíng）成一個電位差（chà）,產生電流,使電*繼續溶（róng）解,即繼續腐蝕。這就是電化學的過程。形成的電（diàn）*的電位可用能斯脫方（fāng）程表示[2]:

冷卻循環（huán）水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為絕對溫度;R為理想氣體的摩爾常數,8.31焦耳/摩（mó）爾·K;F為法拉*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（dù）。

對於所研究的離子標準溶液的電（diàn）位稱為標準電位,用E0表（biǎo）示（shì）,於是得（dé）到金（jīn）屬在25時電*電位為
冷卻循環（huán）水（shuǐ）流量計應用中信號基準（zhǔn）與直流噪聲
文（wén）獻[2]列出了相對於標準氫（qīng）電*的標準電位(見表1)。
冷卻循環水流量計應用中信號基準與直流噪聲

按金屬材料學[3],在一種金屬中加入一其它合金材料,能提高基體的電*電位。譬如（rú）在鐵素體中溶解11.7%的鉻時,其電*電位將由（yóu）- 0.56V躍升（shēng）為（wéi）+0.20V。加入大量的鉻（gè）或鉻鎳合金使（shǐ）鋼能形成單相的奧氏體（tǐ）組（zǔ）織,以免（miǎn）形成微電池,降低直流*化電壓（yā）,從而顯著提高耐腐蝕性。
3.2直流噪聲的降低
按上麵介紹金屬（shǔ）材料的*化電位,並與圖2結合起來可以看出,當在同一種電（diàn）解質流體中（zhōng）接觸兩種不同材質的金屬,它們*化電位的方向和大小不同。兩個金屬電*間的電壓大小和*性隨*化電位的方向和大（dà）小而變。譬如,測量電*的材料是含鉻鎳（niè）的不鏽鋼,它們對測量流體介質（zhì）的電位是+ 0.2V;接液的前後管道（dào）是碳鋼,對測量（liàng）流體介質的電位是（shì）- 0.58V。那麽,由圖2可以（yǐ）計算,測（cè）量電*對接液管道的（de）電壓是+ 0.78V。如果不（bú）使用（yòng）前後（hòu）金屬管道作為基準點連接方式,而使用接（jiē）地環,接地環的材料也使用與測量電*相同的含鉻鎳的不鏽鋼,這時測量電*對基準點的電壓會變成0V。也就是（shì）說,降低了直流共模幹擾。相反,如果電*材料越貴重,譬如是鉭或鉑,金屬（shǔ）接液部件的材料是碳鋼或不鏽鋼,測量電*上的直流噪聲也很大。
在（zài）測量鹽酸、硫酸等腐蝕性很強的介質時,盡管（guǎn）測量電（diàn）*是鉭或鉑能夠（gòu）耐強酸腐蝕;但金屬接液部件的材質是碳鋼、不鏽鋼,耐不了強酸的（de）腐蝕（shí）,直流噪聲也增大,會發生輸出的大幅度擺動。所以（yǐ）,在重視（shì）測量電*不被腐蝕的同時,必須注意信號基準的（de）接液環的（de）材（cái）質耐腐蝕（shí）。
從式（shì）(2)可以看（kàn）到,*化電位受溫度影響(式中,T是絕對溫度)。這說明（míng）直流噪聲與溫度有關,是個漂移量。它的存在將使流量計發生漂移和擺動。因此,除了降低（dī）*化電壓外,轉換器必須能夠有電容進行直流噪聲隔離,免於進入放大（dà）器被放（fàng）大。
4、結束語
直流噪聲（shēng）對電磁流量信號的基準的穩定性十（shí）分重要。直流噪聲的成（chéng）因不限於接液部件金屬*化電壓(材料腐蝕),它還包含地磁感應電壓、溫差電勢、接觸電勢以（yǐ）及電*汙染等諸多方麵的原因。這（zhè）裏,我們（men）不多討論。

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