电磁水表是新型全电子智能水表之一,具有高性能、低压损、长寿命等特性,是物联网技术在供水系统中得以应用的重要终端,其核心为应用电磁感应的流量传感器。电极作为传感器中拾取信号的重要部件,直接与被测介质接触。流体介质的压力、温度、腐蚀性等都会对金属电极造成不同程度的影响。关于电极的工艺及维护,在行业内是比较热门的话题,但未见深入阐述其原理的文献报道。研究金属电极的极化干扰原理,有针对地提出改进工艺,对提高传感器信噪比,特别是对微电流励磁的电磁水表的测量扩展范围, 具有重要指导意义。
1、电极极化的一般行为
不同金属导体接触或相连,会产生不同的电势,这被称为接触电势。根据固体能带理论的观点,由于两金属的费米能级(导带中电子最高占据能级,即占有电子与不占有电子区域的分界面的集合,代表电子的化学势)不同,所以当两金属接触时可以交换电子,发生从化学势高到化学势低的电子流动,产生接触电势。这种化学能转化为电能的典型应用之一是金属的原电池效应,其逆过程为电解池。这两个过程均与金属电极在水中的行为相关。
原电池包括两个半电池反应,即阳极反应和阴极反应。其中阳极(负极)失去电子发生氧化反应导致电势升高,阴极(正极)得到电子发生还原反应,其电势降低。电解池则相反,是将电能转化为化学能,通常两电极为同材质的金属,即费米能级近乎相同,若无外接电源不会发生电子转移。两金属电极被置于电解液中并外接电源时,会使液体介质电解,电子从电势高的电极(正极)流向电势低的电极( 负极) ,形成电流。这时在两电极附近同样发生电化学半反应(微电池)阳极(正极)失去电子发生氧化反应电势升高,阴极(负极)得到电子 发生还原反应电势降低。因此随着时间的累积,正极的电势不断升高,负极的电势不断降低,相当于形成了一个与外接电源同向的电池串联在回路中。这正是水流体电磁检测技术中,恒磁励磁情况下信号电极在被测液体中所经历情形,即电极发生了极化。当有电流通过时,电极电位偏离其平衡电位的现象被称为电极的极化。此时极化电势同相叠加到信号电势上,会产生直流干扰。