電磁管道流量計(jì)金屬電*抗流體腐蝕鈍化膜的形成

提高電磁管道流量計(jì)襯里和電*的加工粗糙度水平，不僅改善了產(chǎn)品的外觀性能，更重要的是從本質(zhì)上降低了流體噪聲產(chǎn)生的幾率和幅度，從而提高流量計(jì)測(cè)量的靈敏度和穩(wěn)定性。本文從傳感器襯里和電*粗糙度引起電磁管道流量計(jì)動(dòng)態(tài)零點(diǎn)的流體噪聲分類(lèi)、產(chǎn)生，引導(dǎo)出能夠降低流體噪聲提高信噪比的重要措施。進(jìn)而介紹電磁管道流量計(jì)傳感器制造中一些關(guān)鍵工藝措施，希望對(duì)提高我國(guó)電磁管道流量計(jì)制造水平和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力起到一定幫助作用。

1.流體噪聲

電磁管道流量計(jì)在應(yīng)用中除了受周?chē)h(huán)境條件，電磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)等因素產(chǎn)生的噪聲影響外，被測(cè)介質(zhì)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*化電壓，在低頻矩形波勵(lì)磁方式中尤為突出，常有：漿液噪聲、流動(dòng)噪聲和高端流速噪聲。

流體噪聲的產(chǎn)生原因有下面幾種情況：

⑴不銹鋼電*的耐腐蝕是在其表面具有一個(gè)*薄的鈍化層，使得電化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)。如圖1所示，流體中的固體物撞擊電*，使得電*表面鈍化層被破壞，失掉電化學(xué)平衡。而金屬材料與流體介質(zhì)接觸具有重新恢復(fù)生成表面鈍化層保持電化學(xué)平衡的能力。在達(dá)到點(diǎn)化學(xué)平衡期間，金屬和流體中的游離離子在信號(hào)電場(chǎng)作用下不斷進(jìn)行著電化學(xué)反應(yīng)。固體顆粒撞擊電*，不斷破壞保護(hù)的鈍化層；電化學(xué)反應(yīng)又反復(fù)生成鈍化層，于是形成了電*間的電位不斷大幅地度變化，這種變化的電位造成流量信號(hào)中的流體噪聲。這種情況也即電磁管道流量計(jì)中通常講的漿液噪聲。理論和實(shí)踐表明，影響電化學(xué)反應(yīng)信號(hào)電場(chǎng)變化的頻率升高，可使流體噪聲幅度迅速下降，這就是高頻勵(lì)磁和雙頻勵(lì)磁可以解決漿液測(cè)量的原因。

⑵流體摩擦襯里和電*，流體中發(fā)生的正、負(fù)離子從電解質(zhì)流體中分離。襯里和電*表面越粗糙，游離的離子濃度就越高。見(jiàn)圖2，受電*信號(hào)電場(chǎng)的作用，一部分離子會(huì)向電*移動(dòng)，形成噪聲電壓，這種噪聲被稱(chēng)為流動(dòng)噪聲。流動(dòng)噪聲在低電導(dǎo)率測(cè)量時(shí)表現(xiàn)比較突出。流動(dòng)噪聲與外電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，高流速時(shí)感應(yīng)信號(hào)越大，噪聲幅度也越大，輸出就會(huì)很不穩(wěn)定。

⑶流體電導(dǎo)率和pH值的急劇變化也會(huì)形成流動(dòng)噪聲，流量計(jì)上游加藥表現(xiàn)的測(cè)量不穩(wěn)定就是典型例子。原因是不同介質(zhì)在不均勻混合時(shí)，流體中容易分離出正、負(fù)離子，受電*信號(hào)電場(chǎng)的作用，一部分離子會(huì)向電*移動(dòng)，形成了流動(dòng)噪聲電壓，造成輸出的不穩(wěn)定。

⑷由于高流速流動(dòng)流體靠近襯里和電磁管道流量計(jì)電*部位的層流邊界層厚度變得很薄，如圖3所示，襯里和電*的粗糙度高度突破了流速層流邊界層的厚度，流體撞擊這部分粗糙度高度，發(fā)生流速發(fā)散和突變。有一部分與測(cè)量管中心軸方向相同（或相反）的流速分量，受信號(hào)權(quán)重函數(shù)的作用，對(duì)電*信號(hào)產(chǎn)生了很大影響，形成了大的正誤差，這就是高端流速噪聲。

可見(jiàn)，上述流體噪聲中的流動(dòng)噪聲和高端流速噪聲與測(cè)量管的襯里和電*表面粗糙度直接有關(guān)，*化電壓產(chǎn)生的漿液噪聲與電*表面粗糙度也有很大關(guān)系。

2.金屬電*抗流體腐蝕鈍化膜的形成

不銹鋼電*的抗腐蝕性能，主要是由于表面覆蓋著一層*薄(約1nm厚)致密的鈍化膜。這層鈍化膜隔離腐蝕性流體介質(zhì)，是不銹鋼電*防護(hù)的基本屏障。不銹鋼電*鈍化具有動(dòng)態(tài)特征，不應(yīng)看作腐蝕完全停止，而是形成擴(kuò)散的阻擋層，使陽(yáng)*反應(yīng)速度大大降低。對(duì)不銹鋼電*，通常在有還原劑(如氯離子)情況下傾向于破壞鈍化膜，而在氧化劑(如空氣和水)存在時(shí)能保持或修復(fù)鈍化膜。不銹鋼電*放置于空氣和水中會(huì)形成氧化膜，但這種膜的保護(hù)性不夠完善，速度也很慢。圖4為不銹鋼電*用XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)光電能譜設(shè)備進(jìn)行的表面化學(xué)分析量化圖。左圖是未經(jīng)工藝處理的電*表面向內(nèi)不同深度主要元素鉻（Cr）、氧（O）、鐵（Fe）的含量比率?？梢钥吹?，在深度約1nm位置鉻的含量約20%，即表示鈍化膜為貧鉻層。右圖為經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨拋光或酸洗、化學(xué)拋光等工序進(jìn)行鈍化處理工藝措施，使鐵與鐵的氧化物比鉻與鉻的氧化物優(yōu)先溶解，去掉了貧鉻層，造成鉻在不銹鋼表面的富集，在深度約1nm位置鉻的含量約達(dá)30%。這種富鉻鈍化膜的*化電位(SCE)可達(dá)+1.0V，接近貴金屬金、鉑的*化電位，因此，不銹鋼得以提高抗腐蝕的穩(wěn)定性。不同的鈍化處理方法也會(huì)影響膜的成分與結(jié)構(gòu)，從而影響不銹性。如通過(guò)電化學(xué)改性處理，可使鈍化膜具有多層結(jié)構(gòu)，在阻擋層形成CrO3或Cr2O3，或形成玻璃態(tài)的氧化膜，使不銹鋼能發(fā)揮*大的耐蝕性。

不銹鋼電*的耐腐蝕主要依靠表面鈍化膜，如果鈍化膜不完整或有缺陷，不銹鋼仍會(huì)被腐蝕，當(dāng)然仍然會(huì)出現(xiàn)流體噪聲。電*在加工成形、組裝及安裝標(biāo)記等過(guò)程中會(huì)帶來(lái)表面油污、鐵銹、非金屬臟物、低熔點(diǎn)金屬污染物、油漆、焊渣與飛濺物等，這些物質(zhì)影響了不銹鋼電*的表面質(zhì)量，破壞了其表面的氧化膜，降低了不繡鋼的抗全面腐蝕性能，也形成流體噪聲的產(chǎn)生，影響到流量計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性。所以改善電*裝配前的工藝處理和存放、裝配的工藝方法，保護(hù)好鈍化膜是電磁管道流量計(jì)制造中重要技術(shù)之一。