電磁管道流量計金屬電*抗流體腐蝕鈍化膜的形成

提高電磁管道流量計襯里和電*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，從而提高流量計測量的靈敏度和穩(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動態(tài)零點(diǎn)的流體噪聲分類、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傳感器制造中一些關(guān)鍵工藝措施，希望對提高我國電磁管道流量計制造水平和產(chǎn)品競爭能力起到一定幫助作用。

1.流體噪聲

電磁管道流量計在應(yīng)用中除了受周圍環(huán)境條件，電磁場、靜電場等因素產(chǎn)生的噪聲影響外，被測介質(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，在低頻矩形波勵磁方式中尤為突出，常有：漿液噪聲、流動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*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電場作用下不斷進(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中的流體噪聲。這種情況也即電磁管道流量計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)信號電場變化的頻率升高，可使流體噪聲幅度迅速下降，這就是高頻勵磁和雙頻勵磁可以解決漿液測量的原因。

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。見圖2，受電*信號電場的作用，一部分離子會向電*移動，形成噪聲電壓，這種噪聲被稱為流動噪聲。流動噪聲在低電導(dǎo)率測量時表現(xiàn)比較突出。流動噪聲與外電場強(qiáng)度有關(guān)，高流速時感應(yīng)信號越大，噪聲幅度也越大，輸出就會很不穩(wěn)定。

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

⑷由于高流速流動流體靠近襯里和電磁管道流量計電*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。有一部分與測量管中心軸方向相同（或相反）的流速分量，受信號權(quán)重函數(shù)的作用，對電*信號產(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，上述流體噪聲中的流動噪聲和高端流速噪聲與測量管的襯里和電*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*反應(yīng)速度大大降低。對不銹鋼電*，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)存在時能保持或修復(fù)鈍化膜。不銹鋼電*放置于空氣和水中會形成氧化膜，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。可以看到，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影響膜的成分與結(jié)構(gòu)，從而影響不銹性。如通過電化學(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，不銹鋼仍會被腐蝕，當(dāng)然仍然會出現(xiàn)流體噪聲。電*在加工成形、組裝及安裝標(biāo)記等過程中會帶來表面油污、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，影響到流量計測量的穩(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制造中重要技術(shù)之一。