農村生活汙水流量計在（zài）應用中的信號基準確定與直（zhí）流噪聲幹擾（rǎo）

農村生活汙水流量計*初的（de）工作模型（xíng）是由（yóu）法拉（lā）*提出，作為電磁感應原（yuán）理的（de）開創者與奠基人，法拉*為人類從鉛與火的時代（dài）邁向光與電的時代作（zuò）出了（le）巨大（dà）的貢獻，人類曆史上*一例農村生活汙水流量（liàng）計測量的案例也是由法拉*在1832年在泰晤士河（hé）進行的，當時是進行的河水流速的測（cè）量試驗，但是試驗並（bìng）沒有成功，究其原因（yīn），是因為直流信號中包含有漂移的直流*化電壓,其值難以（yǐ）和信號分辨，盡管後來的農村生活汙水（shuǐ）流量計經曆了交流勵磁、低頻矩形波勵磁（cí）等技術進步與發展,對於電磁感應引起的正交（jiāo）幹擾、同相幹擾和由於靜電感應引起的串模幹擾、共模幹擾以及漿液（yè）對測（cè）量電*摩擦出現的尖狀幹擾所造成的零點不穩定與測量輸（shū）出擺動等問題非常有效地給予解決。對於測量電解質流體,接地(接（jiē）液)部件與測量電（diàn）*間產生漂移的直流*化電壓依然存在,仍然會影響到流量信號的基（jī）準點穩定與否,進而影響輸出信號的穩（wěn）定性與可靠性（xìng）。因而,對於流量信號的基（jī）準有必（bì）要予以正確認識（shí）,並采取有效解決措施。
由電學知識可知,對作（zuò）為電動勢的電磁流量信號測量,重要的是需要（yào）有一個穩定的電位差基準點,也（yě）就是信號（hào）要良好接地（dì）。過去一些人往往隻追求接地電阻盡量（liàng）小,以為這樣就能夠得到穩定的（de）流（liú）量信號。其實不然,導電流體介質作為信號的基（jī）準（zhǔn）點更為重要（yào）。
從多年研究、應用農村生活汙水流量計的經驗出發,對現場遇到的這（zhè）類（lèi）實際（jì）測量問題進行（háng）分析,力圖認識導電流體作為信號的（de）基準點（diǎn）的（de）重要性,並提供基準點接液的方法,供參考。
1、導電流體是流量信號電壓的基準電位點
眾所周（zhōu）知,對一個電壓信號,總有（yǒu）一個基準的“地”點和一個（gè）變化（huà）的“信號（hào）”端點,以構成電位差。初期的電磁（cí）流（liú）量傳感器曾把一個測量電*作為信號的“地”點,另一個測量電*作為“信號”點。這種信號傳輸稱為“單端信號（hào）”,同其他電壓信號一樣,用圖1a可以說明（míng）。單端（duān）信號的放（fàng）大是把直流和交流的各種幹擾電壓和信號迭加（jiā）在（zài）一起同時輸入到放大器輸入端子。通常,我們稱這些幹擾為串模幹擾、正態幹擾或橫向幹擾等。放大器很難（nán）把幹擾從（cóng）信號中分（fèn）開,這（zhè）些幹擾信號往（wǎng）往（wǎng）幅度很大（dà）,遠大於毫伏級（jí）或微伏級的流量信號。於是,這些幹擾就造成（chéng）了放大信號的失真,使得放大器飽和、堵塞,以至於不能工作。
現代（dài）農村生活汙水流量（liàng）計的流量信號都是以差動形式由傳感（gǎn）器傳輸到轉換放大（dà）器的。如同其它差動電壓測量,拾取電磁流量信號的兩個電*都不直接接轉換放大器的（de）信號（hào）“地”,而是把“零電阻”的流體介質接到（dào）轉換放大器的信號“地（dì）”端子上。圖1b所示是這種（zhǒng）差動（dòng）流量信（xìn）號的等效（xiào）電路。進入差動信號放（fàng）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（fàng）大器放大（dà）的是兩（liǎng）電*信號端子的差值。因此,對流量信號而言,差動放大器呈放大狀態。然而,對（duì）幅度大（dà）小相等（děng）、*性相同（tóng）的共模幹擾,進入差動放大器差值幾（jǐ）乎為零,輸（shū）出也就幾（jǐ）乎（hū）為零。差動（dòng）放大器對共模幹擾呈衰減狀態。盡（jìn）管由於（yú）接地回路（lù）的地電流、*化電（diàn）壓、勵磁電源與電*間的靜電耦合等原因,在差動流（liú）量信號中含有共模幹（gàn）擾時,隻要電壓放大器的（de）參數對稱,除非共模幹擾能夠轉化為一定的串模（mó）幹擾,這些幹擾（rǎo）是不會影響信號放大的。事實上,隨著集（jí）成運放電路製造技術的發展,器件的共（gòng）模抑製比越來越高,如果再采用電源浮動電（diàn）路等措施,共模抑製比會更高,測量的精度也就越來越高。

農村生活汙水（shuǐ）流量計應用中信號基準與直流噪聲
導電（diàn）流體（tǐ）介質（zhì）作為信號的基準點能夠把流量信號分成差分的差動狀態（tài）,並且一再強調測量流體必需可（kě）靠地接信（xìn）號（hào）轉換放大器（qì）的接地端子。這是因為差動信（xìn）號的基準（zhǔn）點的變動會使原本電壓幅（fú）度大小相（xiàng）等、*性相同（tóng）的共模幹擾,變成幅度不等的差模幹擾電壓,也就是轉化為串模幹擾。如（rú）前麵所述,這時的差動放大器對於抑製（zhì）串模（mó）幹擾（rǎo）也就無能（néng）為力了。
2、可靠的信號基（jī）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（líng）電阻,然後作為差動流量信號的基準點。理論上講,基準點值越小（xiǎo）越好,越小其（qí）電阻值越接近於（yú）零,差（chà）動信號幅值分的就越相等。這就是說（shuō）,被測導電流體應是在大麵積的容器內,或者處在長管線的管道中。在文獻[1]中已（yǐ）作分析,流體的（de）體電阻（zǔ）Rt可由電阻率公式求得:

農村生（shēng）活汙水流量（liàng）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,管道長度記作l。一般來（lái）說,液體輸送管道都與大地（dì）相連。這種假設流（liú）體的體電阻為零的要求,比較容（róng）易做到。但在一些模擬試驗時,利用一桶（tǒng）水、一盆水,不一定能滿足這一要求。
有了導電（diàn）液體作為信（xìn）號的基準,還（hái）必須用正確方法把這一基準引到差動信號接線端（duān）子的中點。實際應用中,采用以下幾種方法將測量流體介質作為農村生活汙（wū）水流量計的信號基準點引出:
流量傳感器安裝在前後（hòu）是金屬管道的管道中,這時導電（diàn）流體可以通過流量傳感器前後的金屬（shǔ）管道與之電連接,然後（hòu）用導（dǎo）線把前後管道與傳感器的接地端子電連接起來。有時候,這種（zhǒng）情況不（bú）一定完全能使傳感器與前（qián）後管道電連接良好,因為傳感器的絕緣襯裏及絕緣墊圈有可能仍然電隔離了傳感器與（yǔ）前（qián）後管道,這時需要（yào）用金屬導線將前後管道與（yǔ）傳感器連接起來。
在傳感器前後管道是非金屬或者金屬管道內壁襯有絕緣襯裏的情況下,應用傳感器前後法蘭連（lián）有金屬接地環的流量計。導電流（liú）體依靠（kào）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（gǎn）器信號（hào）地相連接,對於被測流體電導率比較低（dī）的情況,由於（yú）液（yè）體的體電（diàn）阻比較大,這時可（kě）以（yǐ）采用導電（diàn）金屬短管（guǎn）代替接地環。
有些情（qíng）況,譬如強腐蝕液體（tǐ）的測量,為了節約昂貴的金屬材料,可以用（yòng）接地(接液)電*的方法（fǎ）來連接基準到傳感器接（jiē）地點。因為,這種方式往往測量腐蝕液體的電導率比較（jiào）高,液體的體電阻非常（cháng）小,所以用一個點電*來連接就（jiù）行了。
當（dāng）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（dào）應當與傳感器的電連接良好。這是因為金屬管道中往往有地電流、雜散電流、三相不平衡電流,這些電流會在與（yǔ）傳感器測量管沒有良好電連接的兩端管（guǎn）道中形成（chéng）大的電壓降,構成了大的共模電壓,然後通過接地電阻加到信號電*上影響測量。還要注意到,前後金（jīn）屬管道為防腐蝕的目的或電解廢水測量時,可能通（tōng）有（yǒu）陰*保護電流和大的直流電流在管道中流過,這時（shí）前後應用（yòng）低電阻的大麵積銅板把前後金屬管道連（lián）接起來,使（shǐ）大電流由銅板旁路流過,在傳感器測量管上不形成大（dà）的壓降。
至於接（jiē）地電阻,隻要將傳感器、前後金（jīn）屬管道、接地環按一點接地法的原則接大地,接地電（diàn）阻大小要求並不嚴格。一般情況（kuàng）下,接地電阻在100Ω以下就可以,有防爆要求應小於（yú）10Ω。
3、直流噪（zào）聲
3.1流體中的*化電（diàn）壓
我們（men）知道,電*埋在電解質的液體中將發生正負離子的定（dìng）向移動,在電*與流體介質間會形成一定的電場。這（zhè）就是平（píng）常（cháng）所說的*化現象。這個現象可以通過一個實（shí）驗觀察。當用毫伏電壓表(數字式萬（wàn）用表的電壓（yā）檔)的試筆插入一杯水中,電壓表能（néng）讀出電（diàn）壓值。這是因為電壓（yā）表試筆的材（cái）質有差別（bié）,試（shì）筆上形成的*化電位不（bú）同,因（yīn）而形（xíng）成了電位差。電*與接地環(金屬管（guǎn）道、接地電*)材質不同,形成的*化電壓大（dà）小和方（fāng）向將不同。*化電壓是漂移的直（zhí）流電（diàn）壓。圖2所示測量電*、金屬管道(或者接（jiē）地環、接地電*)對流（liú）體(視為0Ψ的電阻)的電壓分別為e1,e2和e3。可以看（kàn）出,e3是共模電壓,它們（men）分（fèn）別與差動的流量信號e1和e2迭加,進入轉換器的差（chà）動放大器。過大的*化電（diàn）壓(例如下麵我們分析的（de）情況可能高達幾百mV)直接進（jìn）入差動放大器往往把放大器阻塞（sāi）,流量信號不能放大。即（jí）使能放大（dà）,由於迭加的共模電壓（yā）是漂移變動的（de）,因此流量信號的輸出（chū）擺動也很大。這樣說來,如何降低*化電壓非常重要。

農村生活汙水（shuǐ）流量計應用中信號基準與直流噪聲
任何（hé）金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（chéng）了一（yī）定電位（wèi）的電*。這種電*在介質中形成一個電位差,產生電流,使電*繼續溶解,即繼續腐蝕。這就（jiù）是電化學的過程。形成的電*的電位可用能斯脫方程表示[2]:

農（nóng）村生活汙水流量（liàng）計應用中信號基準與直流噪聲
式中:n為該（gāi）金屬的（de）化合（hé）價;T為絕對（duì）溫度;R為理想氣體的摩爾常數,8.31焦耳/摩爾·K;F為法拉*常數;C為金屬離子濃度（dù）的常數;c為溶液中金（jīn）屬離子的活度。

對於所研究的離子標準溶液的電位稱為標準（zhǔn）電位,用E0表示,於是得到金屬在25時電*電（diàn）位為
農村生活汙水流量計應用中信號基準與直流噪聲（shēng）
文獻[2]列出了相對於標準氫電*的標準電位(見表1)。
農村（cūn）生活汙水流量計應（yīng）用中信號基準與直流噪（zào）聲

按金屬材料學[3],在一種金屬中加入一（yī）其它合金材（cái）料,能提高基體的電*電位。譬如在鐵素體中溶解11.7%的鉻時,其電*電位將由- 0.56V躍升（shēng）為+0.20V。加入大量的鉻或鉻鎳合金使鋼能形成（chéng）單相的奧氏體組織,以免形成微電池,降低直（zhí）流*化電壓（yā）,從而顯著（zhe）提高耐腐蝕性。
3.2直流噪聲的降低（dī）
按上麵介紹金屬材料的*化電（diàn）位（wèi）,並與（yǔ）圖2結合起來可以看出,當在同一種（zhǒng）電解質流體中接觸兩種不同（tóng）材（cái）質的金屬,它（tā）們*化電位的方向和大（dà）小不同。兩個（gè）金屬電（diàn）*間的電（diàn）壓大小（xiǎo）和*性隨*化電位的方（fāng）向（xiàng）和大小而變。譬如,測量電*的材料是含鉻鎳的不鏽鋼,它們對測量流體（tǐ）介質（zhì）的電位是+ 0.2V;接液的前後管道是碳鋼,對測量流體介質的電位是- 0.58V。那麽,由（yóu）圖2可以計算,測（cè）量電*對接（jiē）液管道的電（diàn）壓是+ 0.78V。如果不使用前後金屬管（guǎn）道作為基準點連接方式,而使用接地環,接（jiē）地環的材料也使用（yòng）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。也就是說,降低了直流共模幹擾。相反,如果電*材料越（yuè）貴重,譬如是（shì）鉭或鉑,金屬接液（yè）部件的材料是碳鋼或不鏽鋼,測量電*上的直流噪聲也很大。
在測量鹽酸、硫酸等（děng）腐蝕性很強的介質時,盡管測量電*是鉭或鉑能夠耐強酸腐蝕;但金屬接液部件的材質是碳鋼（gāng）、不（bú）鏽鋼,耐不了強酸的腐蝕,直流（liú）噪聲也增（zēng）大（dà）,會發生輸出的大（dà）幅度擺動。所以,在重視測量電*不被腐蝕的同時,必須注意信號基（jī）準的（de）接液環（huán）的材質耐腐蝕。
從式(2)可以看到,*化電位受溫度影響(式中,T是（shì）絕（jué）對溫度)。這說明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（wài）,轉換器必須能夠（gòu）有電（diàn）容（róng）進行直流噪聲隔離,免（miǎn）於進入放（fàng）大（dà）器被放大。
4、結束語
直流噪聲對電磁流量信號的基準的穩定性十分重要。直流噪聲的成因（yīn）不限（xiàn）於接液部件（jiàn）金屬*化電壓(材料腐蝕),它還包含地磁感應（yīng）電壓、溫（wēn）差電（diàn）勢、接觸電勢以及電*汙染等諸（zhū）多方麵的原因。這（zhè）裏,我們不多討（tǎo）論。

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