CN101393109B - 一种电感数据采集方法及所用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及设备腐蚀的数据采集技术，具体地说为一种电感数据采集方法及所用装置。其方法采用直接数字合成技术产生频率为5-15KHz、初始相位为零、峰值为5V的两路正交的交流信号，其中正弦交流信号经带通滤波后送至测试单元进行增益运算及差分放大，其余弦交流信号经带通滤波后与增益运算及差分放大后的正弦交流信号进行模拟乘法运算，再经低通滤波运算后取直流分量信号，经模数转换后进行数据处理。本发明具有测量精度高、响应速度快、应用领域广、集成度高、结构紧凑、抗干扰能力强等点。
Description
技术领域
本发明涉及设备腐蚀的数据采集技术，具体地说为一种电感数据采集方法及所用装置。
背景技术
石油及石化企业在生产产品过程中，介质对设备的腐蚀是制约企业安全生产及提高效率的瓶颈，企业对于腐蚀控制的要求紧迫，急需更有效的监测手段及防腐措施来控制腐蚀。以前腐蚀的测量方法主要有两种：一种是电化学方法，通常应用于连续的电化学介质，而在没有电解质时电化学方法是不适用的，另一种是电阻探针方法，用于研究在电介质及非电解质介质中的腐蚀规律，这种方法存在的问题是测量周期长，至少需要几天的时间才能获得结果。因此，多年来人们一直寻找一种方法，既能研究金属在非电解质或电阻率较高介质中的腐蚀规律，又能在很短的时间内获得结果。
电感探针和数据采集器正是这种背景下研制出来的。
发明内容
为了克服上述不足，本发明的目的是提供一种测量精度高、响应速度快的电感数据采集方法及所用装置。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：电感数据采集方法：采用直接数字合成技术产生频率为5-15KHz、初始相位为零、峰值为5V的两路正交的交流信号，其中正弦交流信号经带通滤波后送至测试单元进行增益运算及差分放大，其余弦交流信号经带通滤波后与增益运算及差分放大后的正弦交流信号进行模拟乘法运算，再经低通滤波运算后取直流分量信号，经模数转换后进行数据处理；
所述增益运算及差分放大采用如下公式：
其中U0为增益运算及差分放大输出数值；Ue为峰值；R为增益运算输入阻值；ω为交流信号频率；L为电感线圈电感值；ωL为电感感抗；r为电感阻值；AU为差分放大增益；Uesinωt为正弦交流信号；
为相位值；
所述模拟乘法运算得出合成电压U1采用如下公式：U0×Ue^cosωt合成电压U1；其中cosωt为余弦交流信号；
所述低通滤波运算采用如下公式：
电感数据采集方法所用的采集装置，包括：
一控制单元，以微处理器为核心，控制信号发生单元的输出信号参数，接收信号处理单元反馈的模数转换信号；
一信号发生单元，由直接数字频率合成器、第一～二带通滤波器组成，直接数字频率合成器产生具有频率、初始相位、峰值的两路正交的交流信号，分别送至第一～二带通滤波器；
一测试单元，由第一～二运算放大器及电感线圈组成，其中电感线圈跨接在第一运算放大器的反馈回路，第一运算放大器接收经带通滤波后的一路正弦交流信号，进行增益放大及运算，输出信号一方面经电感线圈反馈至反相输入端，另一方面经第二运算放大器进行差分放大，输出至信号处理单元；
一信号处理单元，由模拟乘法器、低通滤波器及模数转换器组成，模拟乘法器接收测试单元中差分放大信号，与另一路交流信号进行乘法运算，输出至低通滤波器选频取直流分量信号，至模数转换器。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用电磁感应原理并结合高精度、高灵敏度的电子芯片，即直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，缩写DDS)、模拟乘法器)，使本发明装置具有的特点。
2.应用领域广(石化、石油、电力、土壤等)、对介质的要求较低。
3.本发明装置集成度高、结构紧湊、抗干扰能力强。
4.本发明装置安装、使用简单、维护方便。
附图说明
图1为本发明电磁感应测量原理图。
图2为磁阻测试探针原理图。
图3-1为本发明装置结构框图。
图3-2为本发明装置结构原理图。
图4为图3-1中控制单元及信号发生单元电路原理图。
图5为图3-1中测试单元电路原理图。
图6为图3-1中信号处理单元电路原理图。
图7为本发明一个实施例电感探针腐蚀深度随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图3-1、3-2、4-6所示，电感数据采集装置，包括：
一控制单元，以微处理器U2为核心，控制信号发生单元的输出信号参数，接收信号处理单元反馈的模数转换信号；
一信号发生单元，由直接数字频率合成器U1、第一～二带通滤波器U3-U4组成，直接数字频率合成器U1产生具有频率、初始相位、峰值的两路正交的交流信号(正弦交流信号和余弦交流信号)，分别送至第一～二带通滤波器U3-U4；
一测试单元，由第一～二运算放大器U5-U6及电感线圈L1组成，电感线圈L1跨接在第一运算放大器U5的反馈回路，第一运算放大器U5接收经带通滤波的一路正弦交流信号，进行增益放大及运算，输出信号一方面经电感线圈L1反馈至反相输入端，另一方面经第二运算放大器U6进行差分放大，输出至信号处理单元；
一信号处理单元，由模拟乘法器U7、低通滤波器U8及模数转换器U9组成，模拟乘法器U7接收测试单元中差分放大信号，与另一路余弦交流信号进行乘法运算，输出至低通滤波器U8选频取直流分量信号，至模数转换器U9。
其中所述电感线圈L1置于电感探针内。通过电感探针测量置于磁场中的金属试样的腐蚀减薄量来评价介质对金属的腐蚀强度及腐蚀速度。电感探针可以应用于任何对金属产生腐蚀的场合。数据采集装置可以工作于在线(24小时通电采样)与离线(电池工作)两种模式。数据采集间隔可由计算机控制，其最小间隔可为5分钟。
测量原理：
1、电磁感应原理
数据采集装置工作时，测量的是电感探针内围绕试样的电感线圈L1的电感L，它由匝数N的平方和磁阻RM决定：
L＝N2/RM ------------------------(1)
电感线圈L1的磁阻RM可以写成磁力线的长度S与通过磁力线的截面积A、真空中的磁导率μ0和材料相对磁导率μr三者之积的商：
RM＝S/(μ0×μr×A) ------------------------(2)
电感探头由内置电感线圈L1中间并起到“铁芯”作用的试样组成。磁力线回路分为三部分：通过“铁芯”中的部分，“铁芯”磁力线长度为SFe，“铁芯”磁力线截面积为AFe；通过电感线圈L1的磁阻RM内空气中的部分，磁力线长度为S，截面积为A；通过线圈外空气中的部分，外部空气磁力线长度为Sa，外部空气磁力线截面积为Aa。其中第一部分和第三部分分别由于铁的相对磁导率μr远大于1，并且电感线圈L1外部可通过磁力线的面积Aa远大于电感线圈L1内部截面积，磁阻RM均可以忽略不计，于是电感线圈L1的磁阻RM为：
RM＝S/(μ0×A) (3)
当电感探针表面试样由于腐蚀或磨蚀而变薄时，电感线圈L1内空气中磁力线长度S增大。
将(3)式代入(1)式可得电感线圈L1的线圈电感L：
L＝(μ0×A×N×N)/S (4)
(4)式对S微分得：
于是，本发明可对线圈电感L和磁力线长度S作标定后，测量出线圈电感L的变化的
即可测得磁力线长度S的变化ΔS，从而确定腐蚀或磨蚀损失量。测量时对电感探针分别施加频率为10KHZ的正弦交流信号，由二者阻抗便可得到线圈感抗ωL和线圈电感L，再由(6)式可得到探头表面试样的腐蚀损失量。
图1为电磁感应测量原理图，当正弦交流信号加至电感线圈L1两端时，在电感线圈L1周围就会产生电磁场(参见图1)。而置于其中的金属试样就会影响磁场强度，间接影响电感线圈L1的线圈电感
的量。金属试样厚度为10mil-100mil为碳钢材料(材质不同对磁场强度影响也不同，带来的线圈电感量
也不同)。
所以，将金属试样置于电感线圈L1所产生的磁场中，当金属试样腐蚀减薄时，会影响电感线圈的等效电感及感抗，通过检测电感线圈L1线圈电感L的变化量
就可推算出金属试样的腐蚀减薄量。作为激励信号的正弦交流信号及作为反馈信号的、来自第二运算放大器U6的差分放大信号都通过电感探针的信号接口与第一运算放大器U5相连，见图2。
与采集装置匹配的是金属试样的厚度为25mil(0.625mm)。试片过较薄时(10mil左右)，测量分辨率高，一般为0.01μm。但探针寿命短，不利于实际应用；试片过较厚时(＞100mil左右)，测量分辨率较低，一般为0.1μm。
电感数据采集方法：采用数字合成技术产生频率为5-15KHz、初始相位为零、峰值为5V的两路正交的交流信号，其中正弦交流信号经带通滤波后送至测试单元进行增益运算及差分放大，其余弦交流信号经带通滤波后与增益运算及差分放大后的正弦交流信号进行模拟乘法运算，再经低通滤波运算后取直流分量信号，经模数转换后进行数据处理。
所述增益运算及差分放大采用如下公式：
其中U0为增益运算及差分放大输出数值；Ue为峰值；R为增益运算输入阻值；ω为交流信号频率；L为电感线圈电感值；ωL为电感感抗；r为电感阻值；AU为差分放大增益；Uesinωt为正弦交流信号；
为相位值。
Ui＝Uesinωt
iR＝Ui/R＝Uesinωt/R
所述模拟乘法运算得出合成电压U1采用如下公式： U0×Ue^cosωt合成电压U1；其中cosωt为余弦交流信号。推导过程如下：
所述低通滤波运算采用如下公式：
Ut＝Ue2/2RωLt
U0＝Ue2/2RωL0
采用电子技术和微型机技术自动产生特定频率和幅值的交流电压信号并施加在电感线圈上，自动测取流过线圈的响应电流，包括直流响应和交流响应，自动算出线圈感抗和电感L，并显示和存贮。
本发明采用直接数字频率合成器U1(Direct Digital Synthesizer，DDS)技术，利用高速、高精度DDS芯片产生图4中的输入信号。所选用DDS芯片采用高速的数字电路和高速的D/A转换技术，使频率分辨率高达0.01Hz，频率稳定度高(10-7～10-8)、输出信号的频率和相位可以快速程控切换、输出相位可连续、可编程。通过采用DDS技术提高了信号源的稳定性，为后续电路单元的处理带来了方便，同时也减小了来自信号源的误差和噪声。
另外，本发明采用微处理器U2(SOC系统芯片)，增加了CPU和外部处理电路的集成度，从总体上降低了系统的噪声指数，提高了系统的运算速度。
进一步，本发明采用直接数字频率合成器U1(AD9854)同步产生两路正交信号(正弦信号，Uesinωt)和(余弦信号，Uecosωt)，经后分别加到电感线圈一端和模拟乘法器U7一输入端。经过电感线圈后的输出信号再与(Uecosωt)进行乘法运算，然后在通过低通滤波就得到的结果
图7为采用测试探针进行的水溶液腐蚀速率和腐蚀规律试验中的一组电感探针腐蚀趋势试验数据曲线。采样间隔为30分钟，共采集800个试验数据。腐蚀深度变化量为14μm。通过曲线可以看出，开始时由于金属试样腐蚀减薄不明显，导致电感线圈的电感变化量很小，电信号减弱，并有小幅波动，腐蚀深度曲线呈缓慢上升趋势。在水溶液中加入一滴稀盐酸，经过一段时间腐蚀作用明显加强，腐蚀率较大，达到0.87mm/a。随着腐蚀过程的深入，腐蚀速率下降并达到平稳状态。这说明电感探针能够快速跟踪腐蚀过程的变化。
Claims (7)
1.一种电感数据采集方法，其特征在于：采用直接数字合成技术产生频率为5-15KHz、初始相位为零、峰值为5V的两路正交的交流信号，其中正弦交流信号经带通滤波后送至测试单元进行增益运算及差分放大，其余弦交流信号经带通滤波后与增益运算及差分放大后的正弦交流信号进行模拟乘法运算，再经低通滤波运算后取直流分量信号，经模数转换后进行数据处理；
所述增益运算及差分放大采用如下公式：
其中U0为增益运算及差分放大输出数值；Ue为峰值；R为增益运算输入阻值；ω为交流信号频率；L为电感线圈电感值；ωL为电感感抗；r为电感阻值；AU为差分放大增益；Uesinωt为正弦交流信号；为相位值；
所述模拟乘法运算得出合成电压U1采用如下公式：U0×Ue^cosωt合成电压U1；其中cosωt为余弦交流信号。
所述低通滤波运算采用如下公式：
ΔU＝Ue2/2RωΔL，其中ΔU为一个采样间隔两个合成电压之差；ΔL为一个采样间隔两个电感值之差；ω为交流信号频率。
2.一种按照权利要求1所述电感数据采集方法所用的采集装置，其特征在于包括：
一控制单元，以微处理器(U2)为核心，控制信号发生单元的输出信号参数，接收信号处理单元反馈的模数转换信号；
一信号发生单元，由直接数字频率合成器(U1)、第一～二带通滤波器(U3-U4)组成，直接数字频率合成器(U1)产生具有频率、初始相位、峰值的两路正交的交流信号，分别送至第一～二带通滤波器(U3-U4)；
一测试单元，由第一～二运算放大器(U5-U6)及电感线圈(L1)组成，其中电感线圈(L1)跨接在第一运算放大器(U5)的反馈回路，第一运算放大器(U5)接收经带通滤波后的一路正弦交流信号，进行增益放大及运算，输出信号一方面经电感线圈(L1)反馈至反相输入端，另一方面经第二运算放大器(U6)进行差分放大，输出至信号处理单元；
一信号处理单元，由模拟乘法器(U7)、低通滤波器(U8)及模数转换器(U9)组成，模拟乘法器(U7)接收测试单元中差分放大信号，与另一路交流信号进行乘法运算，输出至低通滤波器(U8)选频取直流分量信号，至模数转换器(U9)。
3.按照权利要求2所述的采集装置，其特征在于：所述电感线圈(L1)置于以金属试样为外壳电感探针内。
4.按照权利要求3所述的采集装置，其特征在于：金属试样厚度为10mil-100mil，材质为导磁材料。
5.按照权利要求2所述的采集装置，其特征在于：所述两路正交的交流信号分别为正弦交流信号和余弦交流信号。
6.按照权利要求2所述的采集装置，其特征在于：所述测试单元中第一运算放大器(U5)接收的一路交流信号为正弦交流信号。
7.按照权利要求2所述的采集装置，其特征在于：所述信号处理单元中模拟乘法器(U7)接收的一路交流信号为余弦交流信号。
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| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20090325 Assignee: Zhongke Engineering Research Center for Corrosion Control, Shenyang Assignor: Institute of metal research, Chinese Academy of Sciences Contract record no.: 2013210000135 Denomination of invention: Inductance data acquisition method and apparatus used Granted publication date: 20110928 License type: Exclusive License Record date: 20131025 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110928 Termination date: 20140919 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |