电磁流量计衬里和电极对流体噪声影响
及工艺处理方法的讨论
浦瑞斯仪表（上海）有限公司 马中元 马 博
摘要
提高电磁流量计衬里和电极的加工粗糙度水平，不仅仅是改善了产品的外观性能，更重要的是从本质上降低了流体噪声产生的几率和幅度，从而提高流量计测量的灵敏度和稳定性。本文从传感器衬里和电极粗糙度引起电磁流量计动态零点的流体噪声分类、产生，引导出能够降低流体噪声提高信噪比的重要措施。进而介绍电磁流量计传感器制造中一些关键工艺措施，希望对提高我国电磁流量计制造水平和产品竞争能力起到一定帮助作用。
关键词 流体噪声 极化电压 电极钝化膜
0.序言
电磁流量计测量中，电解质流体对金属电极的电化学反应会产生直流极化电压。这种与流速无关的电压被称为流体噪声。从法拉第1832 年首次应用地磁场和电磁感应方法测量泰晤士河流速的失败，到广泛地应用电磁流量计测量导电液体流量的今天，流体噪声一直是电磁流量计要解决的重要技术问题之一。尤其在进入低频矩形波励磁时代以来，流体噪声的影响表现得更为突出。往往有些新装配的流量计受电极极化的影响，输出摆动需要经过长时间在水中浸泡才能消除。流体噪声的大小直接影响到流量计测量的灵敏度、线性度和稳定性。
因此，研究流体噪声，探讨其产生的原因，找出降低流体噪声的方法，提高传感器信噪比特别是对微弱励磁电流（电磁水表、两线制电磁流量计）的发展和低流速（0.1m/s 以下）及高流速（15m/s 以上）流量测量范围的扩展具有重大意义。
1.流体噪声
电磁流量计在应用中除了受周围环境条件，电磁场、静电场等因素产生的噪声影响外，被测介质的流体噪声也是非常重要的影响因素。流体噪声是一种直流极化电压，在低频矩形波励磁方式中尤为突出，常有：浆液噪声、流动噪声和高端流速噪声。
流体噪声的产生原因有下面几种情况：
⑴不锈钢电极的耐腐蚀是在其表面具有一个极薄的钝化层，使得电化学反应达到平衡状态。如图1 所示，流体中的固体物撞击电极，使得电极表面钝化层被破坏，失掉电化学平衡。而金属材料与流体介质接触具有重新恢复生成表面钝化层保持电化学平衡的能力。在达到电化学平衡期间，金属和流体中的游离离子在信号电场作用下不断进行着电化学反应。固体颗粒撞击电极，不断破坏保护的钝化层；电化学反应又反复生成钝化层，于是形成了电极间的电位不断大幅度地变化，这种变化的电位造成流量信号中的流体噪声。这种情况也即电磁流量计中通常讲的浆液噪声。理论和实践
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表明，影响电化学反应信号电场变化的频率升高，可使流体噪声幅度迅速下降，这就是高频励磁和双频励磁可以解决浆液测量的原因。
⑵流体摩擦衬里和电极，流体中发生的正、负离子从电解质流体中分离。衬里和电极表面越粗糙，游离的离子浓度就越高。见图2，受电极信号电场的作用，一部分离子会向电极移动，形成噪声电压，这种噪声被称为流动噪声。流动噪声在低电导率测量时表现比较突出。流动噪声与外电场强度有关，高流速时感应信号越大，噪声幅度也越大，输出就会很不稳定。
⑶流体电导率和pH 值的急剧变化也会形成流动噪声，流量计上游加药表现的测量不稳定就是典型例子。原因是不同介质在不均匀混合时，流体中容易分离出正、负离子，受电极信号电场的作用，一部分离子会向电极移动，形成了流动噪声电压，造成输出的不稳定。
⑷由于高流速流动流体靠近衬里和电极部位的层流边界层厚度变得很薄，如图3 所示，衬里和电极的粗糙度高度突破了流速层流边界层的厚度，流体撞击这部分粗糙度高度，发生流速发散和突变。有一部分与测量管中心轴方向相同（或相反）的流速分量，受信号权重函数的作用，对电极信号产生了很大影响，形成了大的正误差，这就是高端流速噪声。
可见，上述流体噪声中的流动噪声和高端流速噪声与测量管的衬里和电极表面粗糙度直接有关，极化电压产生的浆液噪声与电极表面粗糙度也有很大关系。 2.金属电极抗流体腐蚀钝化膜的形成
不锈钢电极的抗腐蚀性能，主
要是由于表面覆盖着一层极薄(约 1nm 厚)致密的钝化膜。这层钝化膜隔离腐蚀性流体介质，是不锈钢电极防护的基本屏障。不锈钢电极钝化具有动态特征，不应看作腐蚀完全停止，而是形成扩散的阻挡层，使阳极反应速度大大降低。对不锈钢电极，通常在有还原剂(如氯离子)情况下倾向于破坏钝化膜，而在氧
化剂(如空气和水)存在时能保持或修复钝化膜。不锈钢电极放置于空气和水中会形成氧化膜，但这种膜的保护性不够完善，速度也很慢。图4 为不锈钢电极用XPS(X-ray photoelectronspectroscopy)光电能谱设备进行的表面化学分析量化图。左图是未经工艺处理的电极表面向内不同深度主要元素铬（Cr）、氧（O）、铁（Fe）的含量比率。可以看到，在深度约1nm 位置铬的含量约20%，即表示钝化膜为贫铬层。右图为经过机械研磨抛光或酸洗、化学抛光等工序进行钝化处理工艺措施，使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解，去掉了贫铬层，造成铬在不锈钢表面的富集，在深度约1nm 位置铬的含量约达30%。这种富铬钝化膜的极化电位(SCE)可达+1.0V，接近贵金属金、铂的极化电位，因此，不锈钢得以提高抗腐蚀的稳定性。不同的钝化处理方法也会影响膜的成分与结构，从而影响不锈性。如通过电化学改性处理，可使钝化膜具有多层结构，在阻挡层形成CrO3 或Cr2O3，或形成玻璃态的氧化膜，使不锈钢能发挥最大的耐蚀性。
不锈钢电极的耐腐蚀主要依靠表面钝化膜，如果钝化膜不完整或有缺陷，不锈钢仍会被腐蚀，当然仍然会出现流体噪声。电极在加工成形、组装及安装标记等过程中会带来表面油污、铁锈、非金属脏物、低熔点金属污染物、油漆、焊渣与飞溅物等，这些物质影响了不锈钢电极的表面质量，破坏了其表面的氧化膜，降低了不绣钢的抗全面腐蚀性能，也形成流体噪声的产生，影响到流量计测量的稳定性。所以改善电极装配前的工艺处理和存放、装配的工艺方法，保护好钝化膜是电磁流量计制造中重要技术之一。
3.衬里和电极的表面粗糙度对流体噪声的影响
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流体噪声的高低与衬里和电极表面的粗糙度有关。无论对浆液噪声、流动噪声和流速高端噪声这种关系都很密切。很明显，粗糙的衬里和电极表面会加大对流体的摩擦力，容易引起流体中离子分离的加剧，给流动噪声产生创造条件。光滑的衬里和电极表面能够让流体顺滑流过，减小流体与衬里和电极的摩擦力，因此离子分离的机会将大大减少，流动噪声也将减小。可以想象流体流动速度加快，衬里和电极对流体的摩擦力也会加大，流体中离子分离同样会加剧。再加上流体流速的加快，感应电势增大，电场对离子运动的作用力增大，因此流动噪声要增大。所以，
在有流动噪声的情况下流量计使用流速不宜过高。参考文献曾经讨论过高雷诺数（即高流速）下电磁流量计测量管粗糙度对测量的影响，图5 所示出不同衬里材料（主要表面粗糙度不同）的误差差别。可以看出，横河加不锈钢网的PFA 衬里由于粗糙度最低，刚度好，试验条件下未出现高端流速噪声形成误差；橡胶衬里的粗糙度最高，出现高端流速噪声误差组最早；聚氨酯衬里尽管出现高端 流速噪声晚一些，但由于其强度不高，产生的误差幅度最大。这说明衬里和电极粗糙度是产生高端流速噪声的重要原因。对于浆液噪声，由于电极表面覆盖的一层钝化膜仅有约1nm 厚，如果电极本身粗糙度较高，表面高低不平，钝化膜就很难达到致密和厚薄均匀，这将对膜的稳定性受到影响，进而也会影响到膜的保持和修复。流体和电极的电化学反应就会不断进行，就难以做到稳定的测量浆液流体。也就是说，电极表面的粗糙度高低，也直接影响到浆液噪声的产生与消除。
图6 摘自知名电磁流量计生产厂商E+H 公司的流量测量手册一书，它是用于食品工业生产过程流量测量用PTFE 或PFA 氟塑料衬里电磁流量计的剖视图。由于食品的电导率一般较低而且粘度较
高，测量时出现流动噪声的可能性很高。可以看到，E+H 公司的衬里和电极粗糙度要求为Ra0.3，入口和出口连接金属管的粗糙度要求为Ra0.8。Ra0.3 和Ra0.8 分别表示绝对粗糙度的平均高度为0.3μm 和0.8μm。Ra0.3 已经是由机械研磨或电解抛光到达的镜面粗糙度等级。这里，金属管起接液
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