对电磁水表电极极化及工艺原理的分析

对电磁水表电极极化及工艺原理的分析

陶哲楠

宁波水表（集团）股份有限公司 315032

摘要：本文对电磁水表电极极化进行分析，并对电磁水表不锈钢电极工艺原理进一步探究，希望能为提升电磁水表精度及稳定性提供有效建议。

关键词：电磁水表；电极极化；工艺原理

引言：使用期限长、高性能以及损耗低是电磁水表明显特性，流量传感器是电磁水表核心装置，其中电极直接影响着传感器信号拾取效果，被测流体的温度、腐蚀性均会影响金属电极变化。基于此，通过分析电磁水表电极极化及工艺原理，如何制定合适的改进工艺措施，是目前各相关人员需要考虑的问题。

1.电磁水表电极极化

1.1电极极化的一般行为

当不同金属导体相互接触或连接时，均会有不同的电势产生，即为接触电势，鉴于两种技术费米等级差异性，因此，相互接触的两种金属可进行电子交换并有接触电势产生。基于金属原电池效应，将化学能向电能转化，逆过程被称之为电解池，金属电极在水中的行为均与上述两个过程存在密切关联。

阳极反应、阴极反应是原电池两个半电池反应。阳极失去电子，在氧化反应作用下，则会引起电势升高；阴极得到电子，在还原反应作用下，则会引起电势降低。电解池与上述过程恰恰相反，将电能向化学能转化，其中两电极的金属材质均属于同一种类型，所以两金属的费米能级相似，没有外接电源支持下，也不会出现电子转移情况。基于外接电源连接，电解液所放置的两金属电极在其作用下，则会促使液体介质被电解，电子从正极(高电势)向负极(低电势)流向，进而形成电流^[1]。与此同时，电化学半反应在上述两金属电极附近产生，阳极失去电子后，在氧化反应作用下，电势升高；阴极得到电子后，在还原反应作用下，电势降级。随着时间推移，正极的电势呈不断升高趋势，负极的电势呈不断降低趋势，以此形成串联外接电源与内里电池的回路。通过利用水流体电磁检测技术中，确认被测液体中信号电极历经情况，从而电极产生极化。此时电流通过，电极电位与原有电位产生偏离，该现象为电极的极化，在信号电势基础上，再相互叠加极化电势，则会发生直流干扰。

1.2不锈钢电极

1.2.1不锈钢电极敦化

信号电极选择过程中，需要对极化电势干扰因素进行综合考虑，不同介质属性，对电极材料的耐腐蚀性要求也各不相同。比如，工业用水、生活用水这一类腐蚀性较低的介质，其电极材料常选用不锈钢，该介质具有良好力学性能与高耐腐蚀性优点。

钝化效应是不锈钢具备较强耐腐蚀性关键要素，在一定特殊条件下，金属丧失化学活性，即为钝化行为。钝化行为既是不锈钢优势，也是其较为明显的缺点。通常情况下，不锈钢在自身钝化行为帮助下，能够具备全面耐腐蚀性与良好的电偶腐蚀性能，但在某种特殊条件影响下，不锈钢钝化膜局部被破坏，进而加快被腐蚀速度。Fe、Cr、Ni、Mo等金属元素的阳离子是不锈钢表面形成钝化膜的基本条件，在氧化性介质中，与其发生反应，产生氧化物、氢氧化物的过程，即为不锈钢钝化膜形成过程。不锈钢钝化膜制备实验，选择三电极法辅助完成实验过程。具体操作如下：(1)通过利用恒电位极化在酸溶液内进行电极一定时间，使其将金属在空气中所形成的氧化膜进行去除；(2)在开路情况基础上再次成膜，此过程需要耗时较长。一般情况下，部分不锈钢表面的钝化膜结构为：内层Cr₂O₃+外层Fe₃O₄。其中Cr与Fe的氧化物含量是影响液体中不锈钢钝化膜是否稳定的主要因素，为了提升不锈钢的耐点腐蚀性，可选择将一定Cr、Mo和Ni等元素进行添加，钝化膜稳定性可根据不同要求来决定。

1.2.2不锈钢电极受流体氢离子浓度指数影响分析

不仅电极影响不锈钢钝化行为，其中被测介质也与不锈钢钝化行为存在密切关联。当钝化行为受到被测介质氢离子浓度指数影响时，不锈钢内部中元素的溶解率产生变化，使得不锈钢表面钝化膜的组成元素和厚度产生改变。中性与碱性溶液的氢离子浓度指数越高,Fe的氧化物稳定性越高，其不锈钢表面所形成的钝化膜厚度增加；酸性溶液中，Cr氧化物溶解速度低于Fe的氧化物溶解速度。因此，随着氢离子浓度指数降低，不锈钢钝化膜中Fe含量减少，Cr含量上升。在浓酸中将不锈钢电极进行电解，钝化膜电解前的Cr/Fe含量值低于电解后的Cr/Fe含量值。

在pH值6-8范围的溶液中的不锈钢，其耐腐蚀性能明显提升，在酸性溶液中的不锈钢，其耐腐蚀性能明显变差，而在偏碱性的溶液中的不锈钢，其自身耐腐蚀性能无太大变化。说明当水体的pH值不低于6.5且不超过8.5，均能表现出良好的耐腐蚀性能，电磁水表以不锈钢材质作为信号电极，可有效提升电磁水表精度与稳定性，但在特殊条件下，如水体因污染问题而导致pH值降低，导致电极电势升高，则会引起测量误差情况。

1.2.3不锈钢电极受温度影响分析

通过对此方面情况分析，温度是对不锈钢腐蚀行为产生影响最小的环境因素。通常情况下，电极在其反应作用下，如温度升高，加快离子传输速度，引起腐蚀问题，当温度达到临近腐蚀温度值，提升腐蚀行为诱发几率。在临界温度下的不锈钢普遍较为稳定。不锈钢电极受温度影响主要表现：在高温作用影响下，不锈钢钝化膜多孔性质、组成成分、物理结构均会产生改变，加快钝化膜外出溶解速度，钝化膜性能被破坏，极易发生钝化膜破裂情况。不锈钢腐蚀速度、点腐蚀敏感性会随着温度升高而增加。钝化膜破裂情况在不锈钢电极表面发生，则会提升金属腐蚀速度，加剧电极极化，且极化电流密度明显增加，经过多次高低温实验，电磁水表在设计阶段已经对温度影响电极极化程度进行了考虑，并给予相应补偿，加强仪表对环境因素抵抗性。

2.电磁水表不锈钢电极工艺

电磁水表不锈钢电极工艺原理具体表现在以下几个方面：

(1)加工制作。根据设计图纸要求，将不锈钢棒材进行电极粗胚加工，待确认尺寸、形状与设计图纸所标示的信息保持一致后，可进行抛光工序。

(2)高温退火。受到高温影响，其物质内部结构组成相对容易扩散，因此，通过对电极进行高温退火，以此来达到促进材料结构均一性提升的效果，降低因成分或结构差异所造成的微电池效应对电极干扰影响。部分不锈钢工件经过加工后，常常伴有磁性现象，其主要原因不锈钢在加工时，形状发生改变，被应力诱导下促使结构发生变化，进而有磁性情况表现。当电极存在磁性，测量管内部磁场受到影响，导致测量温差问题出现，基于此，退磁处理是加工完成后电极需要进行的重要工序，规避结构相变情况出现^[2]。

(3)酸洗。待上述工序完成后，氧化层在电极表面形成，呈现灰色。对电极直接进行抛光，虽然能够将氧化层从电极表面进行清除，但加工深凹处的氧化层难以完全清除。因此，需要将高温退火后的电极放置酸溶液中，达到既定浸泡时间，便可进行抛光处理，其氧化膜将被彻底清除。此外，为了提升表面钝化膜稳定性，需要二次抛光操作，此时电极表面光洁度明显上升一个等级，从而形成一个具有高稳定状态的钝化膜。电磁水表运行可靠性得以强化，并做好相应仪表修正补偿，可有效延长电磁水表使用期限。

结束语：基于材料角度分析电磁水表电极极化及工艺原理，因不锈钢在反应作用下所形成的钝化膜，使得自身耐腐蚀性得到增强，若电磁水表选择不锈钢作为信号电极，能够实现对电极的保护，精准把控温度、被测流体pH值等因素，提出针对性补偿措施，从而提升电磁水表精度及良好的使用性能。

参考文献：

[1]钱金凤,邱杰,刘宏亮.电磁水表电极极化及工艺原理[J].仪表技术,2019(10):6-9.

[2]杨刚.电磁水表应用特性浅析[J].中国计量,2019(05):76-79.