电磁流量计工艺处理方法与电极四氟衬里对流体噪声影响
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
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。在达到点化学平衡期间，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地度变化，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 photoelectron spectroscopy)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Zui大的耐蚀性。广州明柏仪表厂
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
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Zui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Zui高，出现高端流速噪声误差组Zui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Zui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，金属管起接液环作用，用来把测量流体电连接为信号的基准参考电位。接液环（接液电极或流量计上、下游连接金属管道）如同电极，同样受到被测流体的电化学作用产生流体噪声，所以也需要受到高度重视，减小粗糙度高度。
日本横河公司2009年研究开发的双频两线制电磁流量计，把降低衬里和电极的粗糙度，完善电极钝化膜作为提高传感器信噪比的关键技术之一。对衬里和电极粗糙度提出了Ra在 0.05～0.15μm范围的镜面要求。这一措施使得传感器感应信号和传感器的信噪比提高1倍以上，因此在大幅度降低励磁电流的情况下，两线制双频励磁电磁流量计能够得到与四线制具有同样优良的测量精度。
4.衬里和电极加工工艺方法讨论
4.1 衬里
为满足测量管粗糙度要求，需要根据流体种类选用优良的衬里材料。对不同的衬里材料更需要采用优良的加工工艺方法。目前常用的衬里材料有：氯丁橡胶、EPDM橡胶、聚氨酯、氟塑料PTFE和PFA。这里简述不同衬里的工艺要点，提请流量计制造者参考。
氯丁橡胶适于DN300以上大口径传感器，多用于测量水、污水、弱酸、弱碱介质流体。一般直接用胶片粘接貼附在不锈钢导管内壁，通过硫化制成。这种工艺，橡胶衬里的表面粗糙度一般比较高，操作时应特别注意搭接缝处的平整，但相对粗糙度要低。用于小口径的氯丁橡胶和EPDM橡胶衬里，则使用模具加压，貼附在导管内壁然后硫化，降低衬里表面粗糙度取决于模具芯棒的表面粗糙度和加压及硫化工艺。
当前，国内聚氨酯衬里多使用的是软质材料，采用浇灌的工艺办法，衬里粗糙度不仅取决于芯棒模具表面粗糙度，也会受到浇灌、排气、加热、冷却和材料成分、比例的影响。国外硬质聚氨酯多采用聚氨基甲酸乙脂橡胶，其成形的重要工艺要点是，除去注入过程中卷入的气泡、使化学反应（硬化、交联）得以稳定进行；采用离心浇注的工艺方法：保证原料在保管时处于干燥状态，均匀、顺滑地对原料进行混合、搅拌，为除去卷入原料的气泡，设定适当导管的旋转速度，良好地控制原料处理、硬化、交联的温度。
要求粗糙度低的衬里材料应使用氟塑料。用于配管、罐等容器的PTFE氟塑料衬里，通常是在金属管内衬入一个薄壁聚四氟乙烯管，或者是采用将聚四氟乙烯管插入，然后进行粘接的工艺方法。这种衬里主要的缺点是耐负压不高，受温度影响大，粘接往往不可靠。对于电磁流量计，优良的氟塑料衬里是PFA。PFA主要采用的办法是注入熔融树脂，而后注塑（射出注塑法）。采用射出注塑法，属无接缝一体成形。PFA衬里的品质具有良好的耐化学药品性、耐热性、耐附着性（表面光洁度）。尤其是在耐化学药品性、耐热性方面，运用独特的制造技术，可减少内部应力与内在气泡，以避免产生裂纹，这样使流量计用在严酷的环境下时，仍具有很高的可靠性。为此，在PFA衬里制造过程中，重要的管理点是对注塑温度（树脂粘度、金属模具温度）、金属模具的冷却控制（冷却时间、温度）、树脂的压力控制。注塑温度设定要尽可能低，以减少PFA树脂的热劣化。注塑中，金属模具的温度要均匀地保持大于树脂熔点。由于需要进行高精度冷却控制，故应在金属模具中设置多个冷却回路，并进行相互独立的冷却控制操作。在进行冷却控制的同时，还应对树脂压力进行控制。
4.2 电极
电极处理包括抛光和钝化工艺。抛光有三种方法，机械抛光是不锈钢抛光的三种抛光（即机械抛光，化学抛光和电化学抛光）的第一道工序。接下来两者相结合，如机械抛光—化学抛光或机械抛光—电化学抛光。机械抛光用于初级抛光，将电极表面凹凸的不平度加工到一定的粗糙度，然后再进行化学抛光或电化学抛光。化学抛光和电化学抛光可以除去电极表面微观不平度，从而提高到镜面光亮，同时可以完成抛光和钝化两道工艺的目的，增加表面了铬含量，形成良好的钝化层。对于毛坯表面由于存在宏观不平度，要先用机械抛光方法达到Ra≤0.8µm的粗糙度，再用化学抛光或电化学抛光方法提升到Ra=0.05µm 以上的粗糙度，才能获取Zui后的光亮度，镜面光泽和良好的钝化层。
经过抛光和钝化处理的电极能够形成稳定的钝化层。但在储存、转运、装配时，一定要注意保持表面钝化层不被破坏。与电磁流量计传感器传统地、简单地采用在水中浸泡（有时这种方法需要几天几夜时间），自然形成钝化层生产方式相比，经过抛光和钝化工艺处理的电极，能够获得稳定抗腐蚀性能的电极，相当高地提高了生产效率，是一种先进的生产工艺。