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.