CN101517420B - 用于腐蚀测量的现场设备 - Google Patents

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/02Electrochemical measuring systems for weathering, corrosion or corrosion-protection measurement

Abstract

通过用来执行一种或多种先进的腐蚀测量类型的可编程配置来说明低功率腐蚀测量设备(2),该腐蚀测量设备(2)可提供用于在线腐蚀监视或离线腐蚀数据归档的现场发送器(4)中的电导、常规腐蚀、和/或局部化腐蚀值等。

Description

用于腐蚀测量的现场设备
技术领域
[0001] 本发明总体上涉及腐蚀测量,尤其涉及用于腐蚀测量的低功率现场设备(field device)0
背景技术
[0002] 现场安装的发送设备已经被广泛地应用于过程控制环境当中来提供过程变量信 息给控制和/或数据获取设备。与实验室测量设备不同,在设备会经历极端温度和湿度的 制造工厂、化学处理工厂、炼油厂等环境中需要使用密封的保护性外壳构成现场设备以便 承受恶劣的环境条件。这样的设备会被典型地用在分布式控制系统中,用来感应用于控制 进行中的过程的温度、流体压力、流动、以及其它变量,并且这样的设备一般地通过4-20mA 控制回路连接到其它控制设备,发送器从4-20mA控制回路获得电能并且经过该4-20mA控 制回路将感应到的过程变量提供给控制系统。由回路供电的发送器被广泛地应用于感应 各种过程变量,并且通常将发送器配置为根据测量得到的过程变量使得回路电流在4mA至 20mA之间变化(例如,4mA代表过程变量的0%,而20mA代表过程变量的100% )。其它发 送器根据诸如HART等标准协议提供数字通信,发送器利用这些标准协议经由控制回路来 发送并且接收数据、命令、以及其它信息。
[0003] 许多化学过程涉及在管道、储罐、以及其它结构中存储或是通过这些管道、储罐、 以及其它结构传送流体,上述这些结构会随着时间的推移由于与传送的或存储的流体发生 接触而被腐蚀。在这些情况下,期望能够确定上述腐蚀的量和速率,以便实现为了维护而通 知结构安全的评估,并且还可以识别出流体自身的、不想要的或不期望的腐蚀等级,其中在 诸如抑制剂注入等补救措施中和/或确定并优化这些补救措施效率中使用腐蚀数据。其它 腐蚀测量应用包括诸如混凝土中钢的腐蚀等暴露于非流体的结构的腐蚀,其中无论是处在 固态、液态还是气态,引起腐蚀的材料通常被称为电解质(electrolyte)。然而,由于大多数 化工过程环境的特性以及管道和流体储存容器的大小和位置,通常使得应用复杂并且昂贵 的实验室级设备和测量系统来执行腐蚀测量是不切实际的。特别的,这种昂贵的系统不适 用于实时地在线测量管道或存储容器的腐蚀条件。此外,在线测量设备必须能够在非常低 的电能花费下操作,诸如可以从标准的4-20mA控制回路或是从电池获得电能。近来已经引 入了现场腐蚀发送器来提供对于这些应用的腐蚀测量功能。然而,传统的现场腐蚀发送器 都不能提供必要等级的腐蚀测量准确性和用来测量广泛类型的结构材料的腐蚀、所传送的 流体类型、以及温度的通用性,因此需要改善现场发送器以测量一个或多个腐蚀相关值。
发明内容
[0004] 现在总结本发明的发明内容的各个方面以帮助基本上理解本发明,其中,这里给 出的发明内容并不是本发明的完整概括,并且既没有打算限制本发明的特定元件,也没有 打算描绘本发明的范围。然而,发明内容的主要目的在于在随后给出具体实施方式之前以 简化形式展示本发明的一些原理。本发明涉及用来实时地、准确地测量诸如腐蚀速率、局部化腐蚀(例如,凹陷)、溶液(电解质)电阻或电导等一个或多个腐蚀相关值的低功率现场 设备,并且可在不适用昂贵的且精密的实验室仪器系统的现场环境中使用本发明提供的低 功率现场设备。
[0005] 根据本发明的一个或多个方面,提供了由回路供电的腐蚀测量设备,用于测量或 监视暴露于电解质的结构的腐蚀。所述设备包括使用来自4-20mA回路、电池、太阳能板等 的电能向所述设备供电的电源系统,和具有信号调节电路的探针接口系统,该信号调节电 路与处在电解质中的两个或多个测量电极相接口。所述信号调节经由第一电极向电解质提 供一个或多个激励信号并且包括经由所述电极中的至少第二个电极感应诸如电流、电压等 一个或多个与腐蚀相关的电信号的感应电路。在特定实施例中,开关系统具有多个模拟开 关,该多个模拟开关根据相对应的控制信号进行操作从而选择性互连所述激励和感应电路 中的电路部件与多种不同配置下的电极,从而利用一种或多种类型测量实现了提供诸如电 解质电阻或电导、腐蚀速率、局部化腐蚀指数等腐蚀相关值,其中测量类型包括但不局限于 溶液(电解质)电阻(电导)测量(SRM)、谐波失真分析(HDA)、线性化极性电阻测量(LPR)、 电化学噪声测量(ECN)等。所述开关系统还可操作地与激励电路的驱动放大器耦合,从而 激励(辅助)和感应(工作)电极都处在驱动放大器的反馈路径当中,在所述电极之间流 过的电流使得工作电极和参考电极之间的电压与所应用的激励电压相同。此外,在特定实 施例中,所述开关系统还连接处在电流至电压转换器电路的反馈路径中的感应电路的限流 电阻,从而所述限流电阻不会影响电流感应操作。
[0006] 例如,所述设备还包括处理系统,处理系统可以是微处理器、微控制器、DSP等,可 操作地与所述探针接口相耦合,从而控制向电解质提供的激励信号,以选择性地配置并且 操作感应部件,并且基于来自所述感应电路的测量值计算一个或多个腐蚀相关值。还可操 作处理器以便将计算得到的腐蚀值存储到非易失性存储器当中以备随后上载。所述腐蚀值 可以是所连接的控制回路中的、4-20mA信号形式下的过程变量输出。所述设备还可包括支 持HART或其他类型的数字通信的通信接口,以便允许用户在给定的设备周期中配置测量 的次数和测量的类型,并且经由回路或其他有线或无线通信向用户提供腐蚀相关值。
[0007] 根据本发明的其他方面,整流器系统与感应电路相耦合以便基于无dc的感应信 号向模拟数字(A/D)转换器提供不是无dc的信号,这可以作为用来一致地交变感应信号的 极性与提供给电解质的激励信号的交变极性的同步整流器的一部分。以这种方式,A/D输 入具有非零的平均值,从而允许亚奈奎斯特取样(sub-Nyquist sampling)速率和平均以 确保测量得到的电流值。整流器的使用方便了提供基本上无dc的方波激励信号以减小误 差并且降低与不是无dc的信号相关的腐蚀加剧,同时由于在测量电解质电阻/电导时,处 理系统对在低A/D取样速率下得到的多个感应电流读取值取平均,因此还实现了节省设备 电能。在一个示例中,同步整流器包括用来交变感应信号的极性且由处理器扳动的第一开 关和用来同步地交变激励信号的极性的第二开关,以便利用模拟数字转换器接收在相当低 的取样速率下取样的并且取平均的、不是无dc的信号来向电解质提供激励频率下的、基本 上无dc的AC激励信号以便准确地测量出电解质电阻。在一个实施例中,在小于等于大约 500Hz的频率下提供无dc的方波激励,其中优选频率处在大约100-200HZ之间,并且A/D转 换器在小于大约每秒十次取样的速率下取样感应电流。
[0008] 根据本发明的另一方面,所述设备还包括用来提供电极与4_20mA回路之间隔离的隔离屏蔽(isolation barrier),通过该隔离屏蔽,无需单独的隔离屏蔽即可将所述设备 方便地包括在给定的工厂安装环境中。本发明的其他方面还涉及提供所述设备中的内部 安全电路以保护不受大电流和/或高电压的不利影响,并且该内部安全电路可以是两级系 统,并且可包括用来保护电极的电阻。
[0009] 根据本发明的另一方面,所述设备可作为独立的数据获取及存储设备操作,在一 系列设备周期的每一个中,处理器都计算腐蚀相关值并且将计算得到的腐蚀相关值存储以 备用户随后检索,其中可以将这些数值存储在所述设备的非易失性存储器当中。在这个方 面,所述设备可通过控制回路或其他有线的或无线的装置与外部通信设备接口,以使用户 使用HART或其他合适的通信协议来配置所述设备和/或从所述设备检索已存储的计算得 到的腐蚀相关值,其中所述设备可存储一日或多日中有价值的、计算得到的腐蚀相关值。
[0010] 根据本发明的另一方面,可通过动态地调节AC激励幅值来改进电解质电阻测量 以便更好地利用A/D转换器的输入范围,其中,所述处理系统提供了具有第一幅值的激励 信号并且选择性地增大激励信号幅值直到所得到的感应电流信号超过了预定的阈值。
[0011] 根据本发明的另一方面,可操作所述设备进行自我校准以补偿电流感应和整流器 电路中的偏压误差,处理系统控制激励电路初始地不提供激励信号并且使得同步整流器开 始交变所感应到的电流信号的极性。在不应用激励信号操作同步整流器时处理器利用A/D 转换器取样感应电流,基于一个或多个感应电流信号取样来计算偏压(offset)值。再将所 述偏压(offset)值存储以便在计算电解质电阻或其他腐蚀相关值时作为偏压(offset)校 正随后使用。
[0012] 在另一方面,在HDA测量期间调节激励以补偿电极之间的差异,其中,处理系统测 量不应用激励信号而感应得到的电压信号,将感应得到的电压值作为偏压(offset)存储, 之后使得激励电路提供带有偏压(offset)的正弦波激励电压信号并且基于感应得到的电 流信号中的谐波利用HDA计算腐蚀相关值。
[0013] 根据本发明的其他方面,通过使用大于等于大约50mHz频率下的正弦波AC激励实 现了改进的谐波失真分析(HDA)类型测量,其中,所述设备基于多于一个周期(优选地,大 约10至20个周期)内的、感应得到的正弦波电流信号计算一个或多个腐蚀相关值。这实 现了无需极大地延长设备测量周期时间即可利用足够多的电流取样充分地执行傅立叶分 析以获得电流谐波读取。
[0014] 本发明的再一方面涉及动态算法变化,其中可能会执行HDA测量和运算,并且 在高电解质电阻环境下或是在提示HDA测量中可能会出现误差的其他条件下自动切换 (switchover)到UR测量。在这个方面,处理系统执行HDA类型测量并且在一系列设备周 期的每一个当中基于由感应电路感应出的电流信号来计常数(B值)。随后 执行一种或多种关于计算得到的B值的合理性测试,诸如通过确定量(I?s/a?s+RP))是否小 于阈值(例如,在一个示例中大约为0. 1)来确定计算得到的电解质(电解质)电阻&和计 算得到的极性电阻&的相对大小,确定量OI1I3-I22)是否大于零,和/或确定计算得到的B 值是否处在预定范围(例如,在一个示例中大约为10-60mV)之内。在一个实施例中,如果 合理性测试提示谐波失真分析很可能会产生准确的腐蚀相关值,则处理系统利用计算得到 的B值作出的谐波失真分析来选择性地计算腐蚀相关值;否则,利用用户定义的或默认的B 值执行的UR测量来计算腐蚀值。[0015] 根据本发明的其他方面,在利用电化学噪声(ECN)测量获取腐蚀相关值中,处理 系统使用连续矩运算来计算至少一个统计值,从而降低了存储大量数据的需求并且减少了 每个设备周期中所需运算的次数。
[0016] 在相关方面中,处理器可操作地基于取样得到的电流信号的标准偏差和取样得到 的电流信号的rms来计算局部化腐蚀指数,其中标准偏差和rms都是基于连续矩运算的。
[0017] 本发明中与ECN相关的另一方面涉及通过在ECN测量期间将辅助和工作电极连接 到电路的虚拟接地极(ground),有效地缩短了辅助和工作电极。在一个实施例中,处理系统 选择性地再配置开关部件以便将辅助和工作电极连接到探针接口系统中的虚拟接地极,利 用ECN基于感应电路的感应信号计算腐蚀相关值。
[0018] 本发明的再一方面涉及在所述设备中使用线性化极性电阻(LPR)测量,其中不使 用预定的用户B值而是使用计算得到的B值。此外,在特定实施例中,计算得到的B值还要 经过低通滤波以提高噪声抗扰性。在一个实施例中,在一系列设备周期的每一个中,处理系 统都基于由感应电路感应得到的电流信号中的谐波计算B值,并且基于计算得到的B值以 及利用线性化极性电阻测量由感应电路感应得到的电流信号计算给定设备周期中的腐蚀 相关值。
附图说明
[0019] 如下的说明书和附图将会详细地给出本发明的特定的说明性实施方式,这些实施 方式都是用来说明实现本发明的各种原理的示例性方式。然而,所说明的这些示例并不能 穷举地包括所有可能的实施例。请结合附图一起考虑本发明,并将在如下的本发明的具体 实施方式中提出本发明的其它目的、优点、以及新颖的特征,其中:
[0020] 图1是用来说明包括根据本发明一个或多个方面的具有相关探针和电极的、由回 路供电或电池供电的发送器的示例性腐蚀测量设备的立体图;
[0021] 图2是用来说明包括数字系统、回路接口、以及探针接口的、图1所示的发送器的 进一步细节的示意图;
[0022] 图3A是用来说明图1和图2所示的示例性发送器中的探针接口系统和数字系统 部分的示意图,其中该探针接口系统和数字系统部分包括受处理器控制的激励电路、传感 电路、以及用于设备的程序重构以执行各种不同类型的腐蚀测量的模拟开关系统;
[0023] 图;3B是用来说明图1和图2所示的示例性发送器中的回路接口系统中的隔离电 路的进一步细节的示意图,其中该隔离电路包括隔离变压器和两级内部安全屏蔽(safety barrier);
[0024] 图4是用来说明图1至图:3B所示的设备中的SRM、HDA、LPR、电池偏置电压(cell offset voltage)、以及ECN测量等几种示例性开关系统配置的表;
[0025] 图5是示意性地说明安装在管道或存储结构中的测量设备的探针和电极的正视 图,其中电极暴露于所传送的或存储的电解质以便执行腐蚀测量;
[0026] 图6是用来说明图5所示的构成中的电极和所测量的电解质的其中之一的等效电 路的简化示意图;
[0027] 图7是用来说明通过图1至图6所示的具有多阶段测量周期的设备中的激励电路 应用到所测量的电解质中的示例性激励波形的曲线图,其中该示例性激励波形包括用于电解质电阻测量的实质上无dc的200Hz方波、用于HDA和LPR测量的IOOHz正弦波、以及无 激励的ECN部分;
[0028] 图8是用来进一步说明在电解质电阻测量的设备中所使用的实质上无dc的方波 激励信号的曲线图;
[0029] 图9A是用来说明在图1至图6所示的设备中使用动态激励幅值调节执行电解质 (溶液)电阻测量(SRM)的示例性操作的流程图;
[0030] 图9B至图9D是用来说明图1至图6所示设备在动态幅值调节过程中,对应于不 同激励波形幅值的、关于方波激励电压和相对应地测量得到的平均电流的、电压的、以及电 流曲线的曲线图;
[0031] 图IOA是用来说明以大约200Hz应用的示例性方波电压激励信号的曲线以及使用 大约300毫秒的低取样周期取样的两个示例性同步A/D转换器取样信号的曲线图;
[0032] 图IOB是示出了在图IOA中的两个示例性取样时刻的激励电压和感应到的电流曲 线的曲线图;
[0033] 图IOC是用来说明在图1至图6所示设备中的在线电流放大器偏压(offset)测 量的示例性操作的流程图;
[0034] 图11是用来说明在图1至图6所示设备中具备HDA或UR测量的动态算法变化 的设备的操作流程图,其中包括对计算得到的B值的合理性测试;以及
[0035] 图12是用来说明图1至图6所示设备中的示例性偏压(offset)测量和HDA腐蚀 测量的激励信号调节的流程图。
具体实施方式
[0036] 现在参考附图,下面结合附图对本发明的几个实施例或实施方式进行描述,其中 在整个说明书中相同的元件使用了相同的附图标记,并且其中各个特征和曲线都不是按 照比例绘制。本发明涉及可编程的低功率腐蚀测量现场设备,使用一种或多种高级的腐 蚀测量手段来提供腐蚀测量和监视,提供电导值、常规腐蚀值、和/或局部化腐蚀值等,从 而实时地执行腐蚀监视和/或离线腐蚀数据归档(log),而归档的数据可以在通过标准的 4-20mA控制回路或其它通信装置连接的分布式控制系统中被使用,或是作为具有下载已存 储的腐蚀数据到用户通信设备的独立(stand-alone)设备来操作。
[0037] 首先参考图1,下面根据本发明的一个或多个方面来描述一种示例性现场腐蚀测 量设备2,该示例性现场腐蚀测量设备2包括具有下面将会详细描述的基于处理器的电子 电路的发送头4、探针6、以及优选地由与安装了用来腐蚀监视/测量的该设备2的金属结 构匹配的材料所制成的一组三个电极8,其中电极8浸入或是内嵌在溶液或其他电解的固 体、气体或液体当中,其中溶液或其他电解的固体、气体或液体可以在安装结构中存储或是 传送,这些安装结构诸如是管道、存储容器、或是其他所感兴趣的结构。发送器外壳4和探 针6都是由环境保护性材料构成的,以便实现设备2的现场应用,诸如在线腐蚀监视以生 成关于腐蚀速率的过程变量、局部化腐蚀指数(腐蚀局部化程度)、和/或电解质电阻(电 导)。在操作中,探针6可以安装到感兴趣的结构上,并使电极延伸到管道内部或是流体腔 室中以便暴露在内部的腐蚀过程中。
[0038] 如下面将会详细说明的,设备2可执行多种不同的与腐蚀相关的测量,包括测量极性电阻RP、溶液电阻RS、以及电化学噪声测量。线性化极性电阻(LPR)测量是一种适用 于大多数情况的简单技术,其中对测试电极应用设定电压并且测量所得到的电流以便获得 极性电阻艮的值。随后通过I· = B/Rp从极性电阻RP (等于所施加的电压/流过的电流) 计算腐蚀电流I。m,其中B是Mem Geary常数。任何出现的大的溶液电阻Rs(与串联地 存在)以及关于B值的不确定都会影响LPR,UR通常十分鲁棒(robust)并且不受噪声等 影响,特别是在下面将会进一步详细描述的实施例中使用正弦波激励。谐波失真分析(HDA) 直接地通过所获得的电流的谐波计算I。UCT (如果所应用的电压是绝对的正弦波),并且不需 要知道B值。由于来自UR和来自HDA的IcotJS论上应该是相同的,因此可以基于已知的 或是测量到的&通过HDA运算所使用的谐波信息来计算B。HDA还受到溶液电阻Rs的影响, 趋于“线性化”响应,其中谐波失真是非线性的&而不是与&串联存在的Rs所造成的。由 于谐波处在低电平,来自HDA的测量结果(Icmrimm)会受到从一个测量到另一测量的噪声的 干扰,如果从噪声I。UCT和从艮计算B值,则计算得到的B值也会有噪声。为了解决这种情 况,需要对用来计算Icmrimm的值进行滤波或是取平均,但是这将会降低设备2的响应时间 并且抑制检测腐蚀侵扰改变的能力。为了实现上述挑战性目标,设备2 (从艮和IeurriiaJ计 算每次测量得到的瞬时B值,并且通过数字低通滤波来对B的波动取平均,其中可以与瞬时 Rp 一起使用滤波后的计算得到的B值来计算I。m。SRM、LPR、以及HDA等所有扰动技术提供 了测试电极的平均腐蚀速率并且对于局部化腐蚀都不非常敏感。然而,在设备2中ECN也 是可行的,其提供了一种非扰动的测量技术(不使用外部应用的激励),以提供任何局部化 腐蚀的指示。此外,ECN可以检测电化学引起的局部化侵蚀(凹坑、狭缝腐蚀等)以及由对 测试电极上形成的任何保护性氧化膜的机械损伤引起的局部化侵蚀,这些机械损伤诸如气 蚀损伤、腐蚀损伤、应力腐蚀破裂等。
[0039] 参考图2,示意性地描述了发送器的电子电路4,电子电路4包括具备电隔离 (galvanic isolation)和内部安全(IS)屏蔽电路12的回路接口 10、以及向内部设备提供 来自控制回路11的电流或是可选地来自电池13、太阳能板(未示出)或其他电源的电能 的电源系统14,其中设备2通过内部安全(IS)屏蔽电路12与标准4-20mA控制回路11接 口。回路接口 10进一步包括可操作地与数字系统20的处理器22和控制回路11相连接的 通信接口 16,从而允许处理器22使用HART或其他通信协议与外部通信设备(未示出)进 行通信,以此用户可以对设备2进行设置或者编程和/或可以从设备2获取已存储的计算 得到的与腐蚀相关的值。此外,示例性回路接口 10包括用来控制回路11中的电流所专用 的数字模拟转换器(DAC) 10,从而允许处理器22控制回路中的电流以指示通过测量/计算 得到的过程变量(例如,对应于腐蚀速率、局部化腐蚀指数、电导等的4至20mA之间的回路 电流级),并且还提供了 FSK或其他类型的回路电流调制以便根据诸如HART等适当的协议 经由回路11或其他有线或无线通信装置执行数字通信。
[0040] 设备2还包括具有处理系统22的数字系统20,该处理系统22可以是诸如微处理 器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件等任何形式的处理电路,通过处理系 统22可以实现上面所述的各种功能。数字系统20包括一种或多种形式的存储器M,尤其 是诸如闪存、FRAM等非易失性存储器,并且数字系统20可包括模拟数字转换器(A/D)沈,其 中A/D 26和/或存储器M可以是独立的部件或电路,或是可以集成在处理器22当中。
[0041] 此外,腐蚀测量设备2还包括含有信号调节电路34的探针接口系统30,以便与处
10在要测量的电解质中的多个测量电极8接口。此外,在所说明的实施方式中,探针接口 30还 包括用来产生通过信号调节电路34应用到执行下面将会详细说明的特定类型测量的至少 一个电极8上的激励信号的第二 DAC 32,其中激励DAC 32可选地处在数字系统20当中或 是集成到处理器22当中。信号调节电路34包括用来根据DAC 32经由第一电极El (还被 称为辅助电极)向电解质的输出提供激励信号的激励电路34a、以及用来经由一个或两个 其他电极E2和/或E3来提供感应诸如电压、电流等一个或多个与腐蚀相关的电信号的感 应电路34b,其中第二电极在这里被称为用来感应关于腐蚀速率的电流信号的参考电极或 工作电极,其中参考和/或辅助电极E2、E1可以是由惰性材料制成的。此外,信号调节系统 34还包括具有多个模拟开关部件的开关系统34c,这些模拟开关部件实现了激励电路34a、 感应电路34b中的各个部件的、以及多种配置下的电极8的受处理器控制的再配置。
[0042] 参考图3A、图;3B和图4,描述了探针接口系统30和数字系统20的特定部件的进 一步细节,在图3A中包括激励电路34a、感应电路34b、以及包含标记为U13至U16的四个 模拟开关器件34c的开关系统。模拟开关U13至U16中的每一个都具有两种开关状态,在 图中表示为“0”状态和“ 1”状态,其中处理系统22提供了相对应的开关控制信号CS13至 CS16以控制每个开关34c的状态。此外,模拟开关U13至U16还具有受芯片选择输入(未 示出)控制的第三操作状态,其中开关端子都断开与极端子(pole terminal)的连接。因此 连接开关U13至U16以实现受处理器控制的激励及感应电路3½和34b中的部件互连来再 配置腐蚀测量设备2成多种不同的腐蚀测量设置,其中图4示出了用来说明设备2的SRM、 HDA、LPR、电池偏差电压、以及ECN测量操作等下的开关设定或状态的表70。用户可对示例 性设备2进行编程以便在图4所示的任何一种单一的测量模式下操作,或是在一系列设备 周期的每个周期中通过组合两种或是更多的所列测量类型来执行测量,从而可实现腐蚀发 送器2适应于任何一种腐蚀测量或监视应用。在这个方面,通过使放大器和其他部件的个 数最小,回路接口 30在由回路或电池电源施加的严格功率约束的阻抗和准确性方面上实 现了信号调节电路与电极8的最优互连,同时还提供了在单独的用户可编程设备2中使用 ECN、HDA、SRM、UR和偏压(offset)来执行腐蚀测量及监视方面上的先进性能。
[0043] 处理器22在每个测量周期中都控制激励DAC 32以便分别地经由激励电路34a、 第一(辅助)电极E1、以及开关系统3½提供对该单元的适当激励,并且还经由感应电路 34b、开关34c、以及参考及工作电极E2和E3来操作测量A/D沈以实现对电池(cell)电压 和/或电流的相关测量。利用形成与激励及感应电路3½和34b连接的电阻R49至R51以 及滤波网络肪4至R56、C56、C57和C58,经过探针6形成了电极耦合。在下面所描绘的情 况中,设备2在每个设备周期中通过器件U13至U16的受控开关来执行一系列测量。此外, 在所说明的设备2中,特定的可选择测量类型(例如,SRM、HDA、以及LPR)涉及激励信号的 应用,而其他类型(例如,ECN)则不涉及激励信号的应用,其中使用HDA或UR测量类型来 计算常规腐蚀,使用SRM技术来测量电解质电阻或电导,并且使用ECN测量来计算局部化腐 蚀指数值。通常的,按照第一极性或是按照相反的第二极性,作为由DAC 32提供的电压信 号对辅助电极El应用(任何的)激励信号,其中该第一极性使用第一放大器(例如,运算 放大器)U12A直接地经过开关U13的“0”状态路径,而该第二极性经由逆变器配置的放大 器U12B经过开关U13的“1”状态,并且驱动放大器UlOA经过开关U16的“0”状态路径和 电阻R61向辅助电极El提供对应的输出电压。此外,在这些配置中,电极处在激励电路34a的驱动放大器UlOA的反馈回路中,因而辅助和工作电极El和E3之间的电流流动会引起参 考电极E2和工作电极E3之间的电势与所应用的激励信号电压相等。此外,在特定的操作 配置中,还可以不应用激励,其中开关系统使得辅助电极El与激励电路3½电隔离,而处理 系统22通过感应电路34b对E2和E3上感应得到的电压信号进行取样。
[0044] 从任何应用的激励电压信号得到的回流电流流过示例性的三个电极恒电势 (potentiostatic)测量配置中的工作电极E3,其中感应电路34b经由形成流向电压转换器 的电流的、具有在流向电压转换器的电流的反馈路径上的限流电阻R57的电流感应放大器 U9A来感应上述电流,如此限流电阻R57(例如,1千欧姆)不会影响电流的感应操作。流 向电压转换器的电流所经过的电阻R57对电流路径引入了接近零的电压降,可以选择电阻 R57的值来提供根据需求的增益、高信号灵敏度、以及宽的动态范围,以便保护U9A对负载 的倒相输入(inverting input),并且电阻R57处在U9A的反馈回路当中从而消除了电阻 R57对电流测量的影响。使用这种感应电路34b的、流向电压转换器的电流来感应HDA和 ECN测量中的电流,并且还与同步整流器一同使用以测量极性电阻LPR。
[0045] 流向电压转换放大器U9A的电流对应于开关U15的“0”和“ 1”状态分别提供了放 大器U8A的倒相输入的输出或是非倒相输入的输出,其中U8A的输出提供了用于电流感应 的、流向A/D转换器沈的两个输入中的一个。电流感应极性开关U15因此作为整流器来操 作从而实现了特定的测量类型,以便实现受来自处理器22的控制信号CS15控制的拨动开 关(toggled switch) 0在这个方面,当激励极性开关U13和电流感应极性开关U15同步地 操作时(通过处理器22对控制信号CS13和CS15的开关进行控制),这些模拟开关部件构 成了在用来测量电解质(溶液)电阻&的特定实施例(SRM模式)中使用的同步整流器。 此外,在腐蚀测量设备2执行HDA、LPR、以及ECN测量中,无需扳动用来测量来自工作电极 E3的感应电流的极性开关U15即可使用电流感应部件。利用放大器U7A驱动第二模拟输入 以便经过高阻抗路径R59感应参考电极E2处的电压,感应电路34b进一步提供了电压感应 能力,并利用放大器U5A来比较参考电极E2处的电压和参考电压VREF 31。
[0046] 因此,A/D 26可在处理器22的控制下获得并且转换模拟电压和电流值,并且随后 向处理器22提供关于这些测量的数字量。此外,A/D转换器沈还可以是任何合适的转换 设备,诸如一个实施例中的基于delta-sigma调制器的转换器,并且优选地在相当低的转 换速率下操作。例如,如此操作A/D 26以便在大大低于激励信号频率的取样速率(诸如低 于大约每秒10次取样)下获得与各种腐蚀相关的感应信号的测量取样,例如在一个实施例 中每300毫秒取样一次,从而维持在由回路或电池供电的实施方式中的电源系统14的电能 预算之下。因此,处理系统22可操作地与探针接口系统30耦合以便通过激励电路3½控 制提供给电解质的激励信号,并且提供控制信号CS13至CS16给开关系统3½来选择性地 再配置开关部件U13至U16,以便基于来自感应电路34b的所接收到的测量值来执行多种不 同类型的腐蚀测量并且计算至少一个腐蚀相关值。
[0047] 因此,除了支持HART通信的4_20mA回路接口之外,发送器的电路4还提供了经由 探针6对电极8的激励信号的应用、对于感应得到的电极信号的调节、模拟数字转换电路 26、以及处理部件22,其中该处理部件22可控制激励信号的应用,获取信号测量,并且执行 信号分析以产生腐蚀速率、电解质电阻或电导、和/或局部化腐蚀指数等过程变量。设备2 可被配置用来产生代表过程变量的控制回路11中的4-20mA信号,其中过程变量可以是表示正在进行中的通常连续的腐蚀过程的当前速率的、单位为每年多少密耳或毫米的常规腐 蚀速率、电解质电阻或电导值、或是无单位的并且代表具有低腐蚀速率的过程中发生局部 化腐蚀的程度的量度的凹陷(Pitting)或局部化腐蚀因子,但是这样的局部化腐蚀会导致 降低材料强度的、管道或储罐材料中出现的、小的并且最终是深的洞。还可以配置设备2周 期性地或是响应从回路11中的另一控制实体或用户通信设备请求得到的数据,通过数字 通信来报告上述这些值中的一个或多个。
[0048] 现在参考图1至图:3B,设备2包括用来提供从4_20mA回路隔离开电极El至E3和 设备2的电路的隔离及内部安全(IS)屏蔽12。如图;3B所示,来自4-20mA回路11的电流 流经具有保险丝Fl的初级安全区(primary safetyarea) 12a的输入级、电涌保护器附和 电阻R3和整流器1加1、以及紧跟的用来提供隔离变压器Tl的输入的逆变器12a2。变压器 Tl的隔离输出提供了次级隔离区(secondary isolated area) 12b的输入,该次级隔离区 12b包括由稳压齐纳管N6至N9组成的电压保护电路12bl、以及由晶体管P5至P8和电阻 R17、R21、I^9至R30、R34、R35和电容C34组成的限流电路。第一内部安全屏蔽级的输出提 供了第二 IS屏蔽级12c的输入,该第二 IS屏蔽级包括另外的稳压齐纳管NlO至附5,从而 进一步限制通过回路控制器电路15所监视的可能电压。设备2的IS保护还提供了 1千欧 姆的保护电阻R57至R61以保护电极El至E3。在操作中,测量到的电解质和电极El至E3 典型地接地,因而探针接口电路30的前端也通过低阻抗路径接地。隔离电路12,特别是隔 离变压器Tl的提供,减轻了或是避免了潜在的经过4-20mA控制回路11的接地回路问题, 其中多个设备都安装在同一储罐或管道中。因此,无需外部隔离部件即可使用设备2,从而 节省了安装成本。此外,隔离变压器Tl还可构成示例性整体防爆炸(内部安全或IS)屏蔽 中的部件。这种两级IS电路12b和12c允许在无需外部IS电路即可提供内部安全的应用 中使用设备2,从而进一步降低安装成本。例如,在这些应用中,(例如,美国)使用具有防 爆炸证明的罩(enclosure)来构成外壳4 (图1)或是欧洲使用标记为“EX d”的外壳4,并 且设备2中的内部IS电路的提供允许设备2连接到非IS回路11上。以这种方式,无需使 用额外的屏蔽,示例性设备2即可有效地将Ex d或防爆炸安装方法“转变”成对于电极8和 探针6(图1)的保护。
[0049] 参考图5至图7,在操作中,如图5所示,与在传送电解质50的管子或其他金属结 构40中浸没的电极8 一起安装探针6,其中电极可以是任何几何形状的,包括嵌入式安装 (flush mounted)并且无需彼此处在一条线上,其中图5仅仅是示意性的。图6示出了电 极中的其中一个El和图5所示装置中的需要测量的电解质50的等效电路60,其中其它电 极E2和E3的电路都与图6所示的电路相等同。如图6所示,电极/电解质电路60包括内 部电池电压(internal cell voltage) V。和极性电阻艮的串联组合,而在电极El与电解质 50之间该串联组合又与电化学双层电容Cdl并联连接,其中电解质50具有作为SRM测量对 象的电阻Rs。如图7中的激励信号曲线图100所示,在三个测量阶段101、102、103中利用 一种可能配置的发送设备2执行信号测量,其中三个测量阶段101、102、103可选地在一系 列设备周期的每一个中可以以任何顺序设置,或是可编程设备2在每个设备周期都只执行 一种测量,或是在给定的设备周期中执行两种或更多类型测量的组合。在这种配置下,开始 时可进行SRM测量以提供溶液电阻值Rs,随后在LPR或HDA测量中再使用电阻值Rs来确定 腐蚀速率以校正极性电阻I^p的运算中出现的任何误差,而上述这些电阻Rs和I^p在图6中实质上是串联的。
[0050] 在图7所示的示例性配置的第一测量阶段101中,初始地在周期IOOa中操作同 步整流器以执行下面将会进一步描述的偏压(offset)测量,之后在周期IOOb中动态地调 节AC激励信号的幅值。之后在部分101中应用相对高频的ac激励信号以执行溶液电阻 /电导测量,之后紧跟着间隔IOOc以测量由于非相同电极8导致的不平衡所造成的偏压 (offset)。此外,在第一阶段101中,设备2还有利地应用均值为零的AC波形(实质上无 DC偏压(offset))以避免极性化工作电极接口。此外,在示例性设备2中,在低速下操作 DAC 32和处理器22 (为了节约电能),其中SRM期间的DAC输出被设定为给定的dc电平并 且使用开关系统3½来切换输出极性以产生用于SRM测量的双极性方波激励信号。为了最 小化在阶段101中由于SRM测量可能产生的小DC电池(cell)电流的影响,将阶段101的 持续时间设定得尽可能短并且在阶段102的UR测量之前紧跟SRM测量之后无需极性化即 可提供间隔周期100c,从而允许去除工作电极接口的极性。
[0051] 在第一阶段101中,使用高频方波激励来测量电解质(溶液)电阻民(电解质电 导是1/RS)。在第二部分102中,设备2应用较低频率的正弦波激励电压并且测量电流和相 关的谐波,以便使用LPR和/或HDA技术来确定腐蚀速率。在第三部分103中,没有应用激 励,并且该设备使用ECN测量方法测量出电化学噪声以便确定局部化腐蚀指数。
[0052] 在设备周期的第一部分101中,处理器22使得开关系统3½按照图4所示的表 70中的SRM行来配置开关U13至U16,其中U14和U16处在开关状态“ 1,,并且在处理系统 22的控制下通过同步地扳动开关U13和U15来操作同步整流器以提供频率小于大约500Hz 的、优选地频率为大约100至200Hz之间的方波激励/电流感应整流器,其中图7中的曲线 图100示出了在第一测量阶段101中以大约200Hz的频率下的操作。值得注意的是在图6 所示的等效电路中,相对高频(例如,高于大约50Hz)的应用将会由于电容Cdl而有效地缩 短上端支路(upper leg)的长度,其中经由工作电极E3感应得到的AC电流将会倒相地与 电解质电阻艮成比例。还可在SRM测量中使用诸如正弦波、方波等其他波形。在阶段101 中所描述的SRM测量涉及在辅助电极El处提供正弦波激励电压并且一并地通过工作电极 E3处感应得到的电池(cell)电流的感应电路34b和A/D沈执行测量,其中DAC 32 (图3A) 提供了利用可交变所应用的激励电压的极性的U13的开关而受处理器22控制的等级下的 DC输出信号,所应用的激励电压处在经由控制信号CS13通过处理器22控制的激励频率下。 在工作电极E3处感应得到的电池(cell)电流也是激励频率下的方波。处理器22还经由 CS15操作电流感应极性开关U15以便在相同频率下扳动开关,因而可以整流感应得到的AC 电流信号以向A/D转换器沈提供整流后的输入信号。为了节省电能,处理器22控制A/D转 换器26在非常低的频率下取样,例如在一个实施例中频率大约是3. 3Hz。因此处理器222 可获得关于感应电流的多次读值并且对这些读值取平均以便计算随后用来计算电解质电 阻Rs的平均感应电流。
[0053] 参考图8,同步整流器的操作允许向辅助电极El提供实质上无dc的激励信号从 而不会恶化电池(cell)中的腐蚀,经由U15对感应电流信号的整流允许A/D转换器沈在 低取样速率下操作从而节省了电能,而进行了足够多次数的取样又允许处理系统22可获 得精确的平均电流值,其中倘若不进行上述整流,平均电流值则会是零或接近零。在这个方 面,值得注意的是对辅助电极的dc电压的应用会改变被测量的腐蚀过程的电化学特性,并且因此会干扰任何随后进行的腐蚀速率测量。此外,通过将上述dc成分斩波(chop)成均值 为零的ac成分,对于电流感应电路的整流将会有效地消除会导致非相同电极8出现的感应 电流中的任何dc。此外,还可在除开关频率之外的其他频率下操作以排除干扰。图8描述 了一种通过DAC 32和同步整流器的操作在第一测量阶段101期间可能应用的实质上无dc 方波激励信号波形,波形的幅值大约是+/_20mV,其中图3A所示的DAC 32提供了用来通过 扳动开关U13来切换极性的实质上恒定的dc值以在辅助电极El处产生激励波形。因此, 设备2有利地在第一测量阶段101中提供了无干扰的、无dc的方波激励信号,同时还提供 了在执行SRM测量时实现对感应电流慢速取样的同步整流,从而使得回路或电池电能消耗 保持在电能预算之下并且还消除了 dc和噪声。
[0054] 参考图9A至图9D,设备2优选地在预定时间周期时,或是在每个SRM测量阶段 101的开始时,调节SRM测量中的方波激励信号的大小或幅值。这方便了改进A/D转换器 22的输入范围,从而方便了改进测量电流取样和计算得到的平均电流值等的准确性,并且 因此方便了电解质电阻(或电导)测量。图9A所示的处理120描述了这个示例性操作,其 中SRM阶段101开始于122并且在124以第一个(例如,低的)峰值到峰值的幅值向辅助 电极El提供相对高频率的方波激励信号。在一个实施例中,方波频率大约是200Hz,尽管 还可使用其他值,优选地小于等于大约500Hz。图9B至图9D描绘了根据图9A所示的处理 120在不同激励波形幅值下方波激励电压的电压和电流曲线与相对应地测量得到的平均电 流的曲线图140、144、150、154、160和164。在图9B所示的第一曲线140中,在相对低的第 一幅值142下应用大约200Hz的方波。在处理120中的1¾测量平均电流,例如,如上所述 利用同步整流器操作,通过A/D 26执行多次测量,或是使用其他适当的技术来测量平均电 流值。在1¾作出确定由此获得的平均电流值是否超过了预定阈值TH,其中可以使用任何 适当的阈值,通过这样的阈值可以做出关于A/D输入范围的最优使用的决定。在一个示例 中,阈值可以是A/D输入范围的大约一半,尽管还可使用其他值。
[0055] 如果测量得到的电流没有超过阈值TH (1¾中的否),则如图9B的电流曲线144所 示,在130中增大激励信号幅值(例如,在处理系统22的控制下增大DAC 32的输出),并且 图9A中的处理120再次返回到126以测量平均电流。图9C中的曲线150和154示出了这 种情况,其中新的激励信号幅值152大于图9B中的初始幅值。在128中新的平均电流与阈 值TH进行比较,并且如图9C中的曲线154所示,此电流仍低于阈值TH。相应地,图9A中 的处理120在130中再次将激励幅值增大到图9D所示的激励电压曲线160中的电平162。 在这个点上,如图9D的曲线164所示,最新的激励幅值162提供了大于阈值TH的感应得到 的平均电流(图9A所示的128中的是),并且图9A中的处理120前进至132,在此使用最 新的激励电压幅值来计算电解质电阻Rs,并且在134中结束阶段101中的SRM处理。以这 种方式,腐蚀测量设备2适用于利用整个A/D转换范围,其中处理系统22使已知的最新激 励电压幅值与在132中最新测量且计算得到的平均电流值相互关联,以便计算电解质电阻 Rs和/或电解质电导。这种激励幅值的自适应调节方便了可行的A/D分辨率的最优使用, 并且设备2无需牺牲准确性即可适用于具有非常低或非常高的电解质电导性的应用。
[0056] 参考图IOA至图10C,设备2还提供了对于电流放大器偏压(offset)的校准以进 一步提高计算得到的腐蚀相关值的精度。在这个方面,与同步A/D取样一并使用如上所述 的同步整流器则会导致如图IOA和图IOB所示在方波的每个周期内测量得到的电流和A/D
15转换器26的输入都会略微增大的情况出现。图IOA中的曲线170描绘了在SRM测量中使 用的200Hz方波电压激励信号,同时示出了使用大约300毫秒的长A/D取样周期在时间Tl 和T2分别得到的两个示例性同步A/D转换器取样Sl和S2。图IOB中的曲线图172和174 分别示出了在图IOA中的两个示例性取样时间Tl和T2处的激励电压和感应到的电流曲线 的示例性部分的进一步细节,其中可以看出的是第一电流取样Sl比第二电流取样S2略小, 这仅是由于它们是在激励周期当中的不同点执行取样的。除了这些误差(inaccuracy)之 外,用来感应电流信号的运算放大器U8A和U9A中的偏压(offset)会导致民、腐蚀速率、和 /或局部化腐蚀等运算中的精度。其余误差还来自整流器的逆变路径与非逆变路径之间的 dc偏压(offset)值、单元(cell)驱动放大器UlOA的一定的速度、以及与探针输入相关的 电阻和电容。
[0057] 为了减小上述误差,设备2提供了使用如图IOC所示的开始于182的处理180执 行在线电流放大器偏压(offset)测量,经过处理180,设备2基于测量得到的电流放大器偏 压(offset)自动地确定在线偏压(offset)值,同时通过处理器22扳动(toggle)同步整 流器部件。在184中,处理器22使得DAC32将激励信号设定成零,并且分别经由信号CS13 和CS15开始扳动同步整流器部件U13和U15,在184中,没有应用激励电压,其中经由信号 CS13和CS15以如上所述的SRM测量中一般使用的相同速率(例如,在一个实施方式中以 大约200Hz)来切换整流器部件。在190中,处理器22获取在188中使用A/D 26感应得 到的电流信号的多个取样并且计算平均电流值,随后将该平均电流值存储以备后续作为如 上所述的SRM测量中的偏压(offset)来使用,并且在192中结束该在线电流放大器偏压 (offset)测量。之后在阶段101中执行的SRM测量期间,在计算电解质电阻值民之前处理 器22使用已存储的偏压(offset)来校正电流读取值,从而抵消包括放大器WA和U8A的 电流感应电路中偏压(offset)带来的不利影响并且补偿与同步整理器操作和A/D转换器 26的同步取样相关的取样误差。
[0058] 现在参考图3A、图3B、图4、图7和图11,设备2还提供了改进类型的HDA和/或 UR测量,其中图4示出了与图3A中的U13至U16的开关状态相关的模式下的开关系统配 置。因此可配置设备2以使用LRP或HDA技术计算常规腐蚀速率Iro,基本LPR测量典型 地采用默认值或用户输入的B值,相反地HDA方法涉及根据测量得到的电流谐波同时计算B 值和腐蚀速率。然而,本发明的发明人已经意识到传统的HDA计算方法并不是对于所有的 腐蚀应用都适用或都是鲁棒的,其中根据使用测量得到的电流谐波和电解质电阻执行的在 线合理性(plausibility)测试的结果来操作设备2以选择性地采用上述技术(HDA或LPR) 中的其中一个。
[0059] 图7中的第二示例性测量部分102描述了在这部分102应用的激励,其中经由在 电流谐波的LPR或HDA类型测量中使用的辅助电极El,对该单元应用低频的正弦波激励电 压。在上述这些测量类型中,正弦激励信号优选地处在大约50mHz或更高的激励频率下,以 便无需不恰当地延长设备周期时间即可实现对于超出大于一个周期的激励信号的电流取 样的测量。因此,在特定的优选实施例中,在大约100至200mHz的激励频率下提供激励信 号,其中图7中的示例使用了大约IOOmHz的激励频率。此外,利用谐波失真分析或第二阶段 102中的LPR,优选实施例中的处理系统22基于大于十个周期的(优选地是20个周期的) 感应得到的正弦电流信号来计算腐蚀相关值。因此,与用来在单个周期上利用IOmHz的应用激励测量电流信号的传统设备相比较,上面描绘的设备2提供了可在处理系统22中利用 在大于单个周期上获得的数据执行分离傅立叶变换的改进能力,从而提高了关于所得到的 腐蚀相关值的计算精度。在这个方面,使用大约IOOmHz的示例性激励频率在大约20周期 上对电流信号执行取样带来了显著的改进,却仅对HDA或UR测量的第二测量阶段102的 持续时间带来了很小的提高。
[0060] 在图7的第二阶段102中,低频正弦激励会产生具有多个频域分量的所得到的感 应电流信号,这些频域分量包括在处理器22的腐蚀相关值运算中使用的激励频率下的基 波分量、二次谐波分量、以及三次谐波分量。通过对感应电流信号进行取样以得到上述谐波 信息并且通过A/D 26将这些谐波信息转换成数字化数据,利用处理系统22执行分离傅立 叶变换(DFT)以生成感应电流的频域下的频谱。如上所述,设备2的示例性实施例在超过一 个激励周期上取样感应电流信号,并且优选地使用大于大约50mHz (优选地使用大约100至 200mHz)的激励频率,从而不会不恰当地延长设备周期时间,尽管本发明并不局限于这些具 体的示例。从DFT频域频谱中,获取基波和各种谐波的幅值,并且在计算腐蚀速率中使用谐 波测量数据。此外,在一个可能的实施方式中,与正弦波激励电压的生成一致地计算DFT,其 中通过由DAC 32 (图3A)执行的一系列次级步骤,由处理系统22的存储器查询表或存储器 24(图2、利用相同的DFT运算中所使用的查询表生成正弦激励电压。在这个方面,示例性 表在每个周期都执行96个步骤以保持该表的大小尽可能的小,并且还允许用2、3和4对其 分割。
[0061] 在所描述的示例中,通过使电流取样值乘以来自查询表的合适的数,来‘速度非常 快’地执行DFT。进一步,示例性DFT运算还计算各谐波中的实分量和虚分量,并且由于与 选择实分量和虚分量的其中一个相比减小对噪声的灵敏度而使用模数(modulus)作为实 分量和虚分量的和的平方根(例如,(实分量2+虚分量2)1/2)。在各离散的正弦阶跃(sine step)之后通过使A/D值乘以来自正弦查询表的合适值,并且将乘积加到合适的加法器变 量来计算基波、二次谐波、以及三次谐波,其中这种方法降低了对于立即数存储的需要。优 选地,使用电阻分压器R52、R53来分级DAC 32的输出以便减小最小的单个微小台阶(bit step)的大小,其中可优选地选择R52和R53的值来覆盖电压偏压(celloffset)可能的最 宽范围,同时最小化单个微小台阶的大小,并且处理系统22可确保电池(cell)偏压和/或 所需的扰动幅值不会超出可使用的范围。进一步,在所描述的实施例中,还提供了时序延迟 以实现电池(cell)电流的正弦输出中台阶改变的效果,从而将前面的传递给由A/D沈执 行的电池(cell)电流感应/测量。
[0062] 优选地选择小于腐蚀处理的典型时间常数(例如,与艮并联的Cdl)的激励频率, 但对于从大于一个激励信号周期中获取数据的合理测量时间而言仍足够高。在这个方面, 以较高频率在相当多个数的周期中取样会减少取样中断(discontinuity)的次数。例如, 在发生了相当缓慢的信号漂移(signal drift)的情况下,如果仅在单个周期中获取数据, 则会取样得到中断(例如,第一取样与最后取样之间的差异),其中上述中断会引起傅立叶 光谱中出现过多的谐波成分,从而不利地影响HDA测量技术。此外,在多于一个周期中取平 均可提高对于干扰和噪声的抗扰性(immunity)。
[0063] 在所描述的实施方式中,处理系统22使用测量阶段102中获得的谐波数据在每个 设备周期中评估下列方程式(1)至方程式(3)以计算腐蚀电流1。。„,并且从腐蚀电流1。。„确定腐蚀速率:
_4] /—=/,2/((48)〗/2*(2*/丨*/3-/22)1/2)方程式(1)
[0065] Bhaem = (Icorrharm*Sine Amplitude)/I1)-(Rs*Icorrharm) 方程式 O)
[0066] Icorr = ((Bhaem OR Busee)^I1)/((Sine Amplitude)-(I^I1))方程式(3)
[0067] 其中I1是感应电流的基波分量,I2和I3分别是二次谐波分量和三次谐波分量, Sine Amplitude是在阶段102中应用的正弦激励电压信号的幅值,并且B是以伏特为单位 的特定应用中的腐蚀处理值。一旦计算得到腐蚀电流1。。„,就将其乘以与特定电极大小相 关的常数、法拉第常数、以及材料的原子量,以便计算以每年多少毫米或密耳为单位的腐蚀 速率。
[0068] 参考图11,示例性腐蚀测量设备的另一特征是基于测量得到的电流谐波I” I2和 I3计算B值Bhaem并且基于计算得到的Bhakm值和运算得到的电解质电阻Rs来选择性地使用 LPR或HDA算法。在这个实施例中,如果可能即执行HDA测量和运算,并且如果在给定的设 备周期中基于一个或多个合理性测试而怀疑HDA结果,则处理系统22改变成LPR类型测 量。特别地,设备2自动地执行三种类型的测试中的一种或多种以确定是否保证HDA运算 正确并且选择性地将该算法改变成高电解质电阻状态或表示HDA测量中可能会出现误差 的其他条件下的LPR。
[0069] 图11示出了在202开始如上图7所示的示例性设备周期中的第二阶段102的动 态改变HDA/LPR的处理200,其中处理器22使得DAC 32和激励电路3½在204中向辅助电 极El提供正弦激励信号,并且在206中使用A/D转换器沈通过感应电路34b测量工作电 极E3处感应得到的电流信号。处理器22在208中执行DFT以识别电流谐波I1U2和I3,并 且随后在210中执行一个或多个测试以确定是否可以执行HDA腐蚀测量。特别地,在212 中作出量QW1W3-I22)是否为正值。如果不是正值(在212中的“否”),则由于被测试量 (2*1^13-1/)的平方根出现在上述方程式(1)的分母而视为不能执行HDA类型的测量。处 理200前进至图11中的230,在230中处理系统22获得默认值或是用户提供的B值Busek, 并且在232中将这应用到上述UR腐蚀电流方程式C3)中以计算当前阶段102中的 Icoee'随后在240中结束上述循环。
[0070] 然而,如果发现第一被测试量0*1一13_122)是正值(在212中的“是”),处理200 前进至214,并且在214中作出电解质电阻Rs与极性电阻&相比较的相对大小的判断以确 定是否可以正确地测量谐波,其中大的Rs趋于线性化引起低谐波水平的电池(cell)响应。 在所述实施例中,在214中对量(RS/(RS+RP))与诸如在一个示例中大约0. 1的阈值进行比 较,并且如果小于阈值(在214中的“否”),则处理器22判断HDA是有问题的并且在前进 到216之前在215中设定标志。如果214中的测试没有指示大的Rs的出现(在214中的 “是”),则处理前进至在216、218中执行的第三测试,其中处理系统22在216中通过使用测 量得到的电流谐波I” 12和I3评估上述方程式⑴和方程式⑵以计算和〜_并 且低通滤波器对计算得到的B值Bhakm进行滤波。在所述示例中的计算得到的B值Bhakm是 数字化低通滤波过的(例如,移动平均线(moving average)或由处理器22执行的其他低 通类型的数字化滤波),以便去除瞬时波动和非法读取值,因此提高在测量得到的谐波具有 非常小幅值的状态下的设备灵敏度。
[0071] 随后在218中确定计算得到的B值Bhakm是否处在所指定的假定为介于最小值^dn与最大值Bmax之间的有效范围内,诸如在一个示例中介于大约10-60mV之间(例如, 或是对于水溶液电化学而言合理的其他公知的范围)。值得注意的是,对于计算得到的B 值Bhaem的示例性低通滤波,诸如移动平均数(moving average)或是其他数字滤波器,有 利地被操作以去除任何类型的短时波动和偶尔的无效读取,因此通过使用滤波后或平波后 的计算得到的B值可以在低幅值谐波状态方面提高设备的灵敏度。在一个实施例中,通过 (I-X) ^mn-D+^EAmin)计算滤波值Bhaem,其中在一个实施方式中X是大约0. 05。如果Bhakm 不处在测试范围之内(在218中的“否”),则HDA技术就值得怀疑,并且处理200前进至如 上所述的230和232。否则(在218中的“是”),在220中处理系统22利用HDA技术通过 用计算得到的B值Bhaem来评估上面的方程式(3)以计算腐蚀电流。
[0072] 腐蚀设备2的另一特征在于执行UR类型测量时利用计算得到的(优选地是低通 滤波后的)B值Bhakm代替预定的用户B值Bussi的能力。在一个实施例中,处理系统根据上 面的方程式(¾在每个设备周期中基于由感应电路感应得到的电流信号的谐波计算B值 并且基于Bhakm使用方程式(3)计算腐蚀相关值。此外,用户可使用用户B值Bussi来配置用 于LPR测量的设备2,而用户B值Bussi可通过任何合适的装置得到,诸如来自测试单(test coupon)的相关权重损失数据、电阻探针或壁厚度测量、LHU卖取等,其中可通过用户或连 接有设备2的DCS来监视计算得到的B值Busek。在这个方面,观测到的计算得到的B值Busek 的变化表示过程电解质组成变化或是在过程控制/监视方面所感兴趣的其他过程事件。
[0073] 参考图12,设备2的另一特征在于对于正弦波HDA/UR激励信号的调节以补偿电 极8之间的差异。在这个方面,对于具有相同电极8的理想电池(cell),在正弦波激励的整 个周期中不会有净dc电流在电极之间流过,在这种情况下,不会干扰工作电极E3的电化学 特性。然而,假定电极8不相同,目标则为确保当通过设备2不应用激励时,流过工作电极 E3的电流为零。由于电极8位于驱动放大器UlOA的反馈回路当中,从辅助电极El流到工 作电极E3的电流会使得参考和工作电极E2和E3之间的电势与应用的激励的电势相同。
[0074] 在图12所示的示例中,处理系统22在邪4中将模拟开关切换到图4的表70中ECN 测量所指示的状态。这样配置后,在256中不使用激励来测量参考电极E2处的电压信号, 并且将其存储以便在HDA测量期间作为激励偏压(offset)使用,于是在258中完成在线的 电极偏压(offset)测量。之后,在沈0中处理器22将开关系统3½切换到如图4的表70 中所示的HDA配置,并且在处理器22的控制下通过DAC 32将偏压(offset)值加到激励信 号上在沈2中执行HDA测量。以这种方式,使用用来补偿偏压(offset)否则会造成电极8 之间出现差异等误差,设备2在图7所示的第二测量阶段期间执行HDA测量。通过执行HDA 之前的电池(cell)偏压(offset)测量并且将测量得到的偏压(offset)加到应用的正弦 波上,可以在HDA测量期间有效地消除由于电极差异所引起的任何电流,借此设备可补偿 电极El至E3之间的物理差异并且因此提高HDA腐蚀速率结果的准确性和可靠性。关于工 作电极E3处的测量,由于电极差异所引起的误差电流被认为是在应用极性时出现,其中提 供补偿性的偏压(offset)使得当相对于参考电极(RE)测量时,工作电极E3在其自由腐蚀 电势(E。m)附近极化,而不是在其他一些电势附近极化,因而从整体上提高了腐蚀测量的 准确性。
[0075] 在图7所示的示例性设备周期的第三测量阶段中使用了不对ECN类型测量应用外 部激励的自发噪声的检测。在这种测量模式下,设备2测量感应得到的电流(和电压),基于该电流和电压来计算包括均值、标准偏差(ο )、以及特定实施例中的rms等统计参数,并 且进一步从数据的统计矩(statistical ‘moment’)计算这些统计量。当应用时,在参考电 极E2与电路接地之间测量电压或电势噪声,而通过开关系统3½将辅助电极El和工作电 极E3有效地连接到虚拟接地极。可以完整的数据组(例如,在一段时间内对测量得到的电 压和电流的许多取样)中计算统计矩自身,但是上述方法会对处理器22产生极大的计算花 销并且会占用大量的存储器使用空间。因此在优选实施例中,使用了需要极小存储空间的 ‘连续矩’方法。在上述实施方式中,处理器22为电流和电压或是仅为电流计算噪声数据的 前两个统计矩,再从这两个统计矩中计算均值、标准偏差、以及rms的统计,并且在在线电 化学噪声(ECN)测量中使用。在设备2中有利地使用ECN以便计算噪声指数或局部化腐蚀 指数值,其中在设备2中可以计算任何形式的局部化腐蚀指数,这表示电极8倾向于受到给 定电解质的局部化腐蚀侵蚀。在一个实施例中,计算无量纲的局部化腐蚀指数值,当该局部 化腐蚀指数值超出特定水平时,则表示在给定安装下可能发生了局部化腐蚀侵蚀。在一个 实施例中,设备2提供了从作为电流噪声标准偏差σ i的局部化腐蚀指数值到在0到1之间 取值的电流噪声值(rmSi),其中大的σ i值和小的dc电流值(通常被看作是凹陷侵蚀)将 会导致局部化腐蚀指数中出现大(接近1)的值。另一方面,小的均勻腐蚀(小的Oi和小 的dc电流)对应于接近于零的局部化腐蚀指数值。在一个可能的实施例中,可以使用0. 3 的阈值作为报警限制,超出该报警限制则会向用户指示可能的局部化腐蚀侵蚀,尽管还可 选择其他合适的指数(无单位或有单位)和相对应的比较值。
[0076] 在设备2中经由工作电极E3来取样电流噪声,并且计算加权后的平均值或连续 矩,其中使用电流噪声统计来计算局部化腐蚀指数。此外,在一个实施例中,还可使用探针 接口 30的电压感应电路和A/D 26的第二输入通道来同样地测量电压(电势)噪声。在一 个优选的实施方式中,设备2在通过推导局部化腐蚀指数或其他统计量来计算rms或标准 偏差中使用连续矩运算方法。以这种方式,设备2不需要存储大量的数据并且在每个设备 周期中所需的计算量也相应地减少。在一个实施方式中,计算噪声统计作为每个A/D取样 的连接矩并且重复该处理直至获得特定数目的取样“n”,诸如在一个示例中为1000。在这 种情况下,通过处理系统22将两个矩变量Ml和M2初始化为零,并且将η的变量设定为1。 处理器22随后将开关系统设定为ECN配置,并且将取样的电流和电压测量都包括在连续计 算当中以便在每个取样时刻都更新矩值。下面的方程式被用来更新矩,其中xn作为当前电 流取样值,而η作为当前取样次数(例如,在这个示例中范围从1到1000):
[0077] d = (xn-Ml)
[0078] M2 = M2+(l/n)*(d2(l-(l/n)_M2))
[0079] Ml = Ml+(d/n)
[0080] 此外,在上述实施方式中,还对于电流取样同时获得的电压取样作出类似的计算, 而处理系统22还对电压噪声计算移动矩值Ml和M2。此外,还可以在执行时间和存储空 间方面来优选地优化上面的运算,诸如通过预先计算每个通道的如(l-1/n)的特定公共因 子,其中在每个取样周期按照上面所示的顺序执行关于M2和Ml的计算直至对于电流和电 压读取值都获得了预定数目(例如,η = 1000)的读取值。之后,可以按照如下计算电流统 计:
[0081]均值=Ml
20[0082] 电流标准偏差σ i = (M2)1/2
[0083] 电流 rms 值 Misi = (Ml2+M2)1/2
[0084]电流噪声指数=(M2/(M12+M2))1/2
[0085] 处理器22类似地计算关于电压噪声的相同统计并且随后按照如下计算电流腐蚀
口木^za -^corrnoise .
[0086] Icorrnoise = ( (Bhaem OR Busee) ^oi)/(In (10) * σ ν)
[0087] 在另一可能的实施例中,处理器22基于取样后的电流信号的标准偏差和取样后 的电流信号的rms来计算局部化腐蚀指数,其中标准偏差和rms都是基于连续矩运算的。在 这种实施方式中,无需感应出电压信号,并且也无需对于局部化腐蚀测量来计算相对应的 电压噪声统计,从而降低了处理器22的计算和存储空间方面的花销。在上述方法中,对于 测量得到的电流噪声(无激励)计算矩Ml和M2,并且如下计算电流噪声指数I。。„n。ise :
[0088] Icorrnoise = σ 乂啊=(M2/(Ml2+M2))1/2
[0089] 设备2的另一特征涉及通过在ECN测量期间将辅助和工作电极El和E3连接到探 针接口系统30的虚拟接地极而有效地缩短辅助和工作电极El和E3的长度。在一个实施例 中,如图4的表70中的ECN表项所示,处理系统选择性地再配置开关部件U13至U16,借此 辅助电极El经过电阻肪4和R58以及经过开关U14的“0”状态连接到提供虚拟接地极的 放大器UlOA的反向输入,并且工作电极E3经过电阻R56连接到U9A的反向输入处的虚拟 接地极,如图3A所示,在第三测量阶段103中的ECN测量期间,处理器22执行上面所述的 测量和计算。对于ECN测量而言,有效地缩短了辅助和工作电极El和E3之间的距离(例 如,两者之间为零欧姆)并仍能够操作以经由流向与工作电极E3耦合的感应电路中电压转 换器的电流来测量辅助电极El与工作电极E3之间的电流流动,并且工作电极E3包括限流 保护电阻R57。在这个方面,示例性感应电路34b在放大器U9A的反馈回路中包括这种电阻 (例如,在一个实施例中为大约1千欧姆)并且因此被视为不流过电流。
[0090] 设备2的另一有利特征在于适应于独立的数据获取设备和独立的存储设备的操 作,而独立的数据获取设备和存储设备可经由4至20mA的控制回路11实现回路供电,或是 经由图2中的电池13实现电池供电,其中电池13可通过太阳能板或其它装置充电。在这 个方面,在一系列设备周期中的每个周期内处理系统22都计算诸如&、腐蚀速率、局部化 腐蚀指数等腐蚀相关值,并且将计算得到的值存储在非易失性存储器M (图幻当中供用户 随后使用。通过用户通信设备(未示出)经过控制回路11或是通过其他的有线或无线装 置来访问设备2以实现累积的腐蚀数据的下载,例如使用HART或其他合适的通信协议。此 外,可操作设备2以存储一日或多日内有价值的、计算得到的腐蚀相关值,诸如所述实施例 中的、在长的设备周期时间内的、超过五日当中有价值的数据。在这个方面,对于短的周期 时间,可以存储更多的数据,诸如几个月或甚至几年内有价值的数据。这个特征对于设备2 远离分布式控制系统的远程应用十分有利,并且可在电池或太阳能供电下操作以独立地一 次获取几日内的腐蚀信息,这样在几分钟后可由设备2读取出数据并且因此将其存储在外 部用户通信设备当中以便将数据传递到电子表格或是另一系统以供进一步评估,其中在特 定实施方式中电池11可通过连接到设备2的太阳能板实现充电。
[0091] 上述示例仅是用来说明本发明的各个方面的几种可能的实施例,其中在阅读并且 理解了这篇说明书和所附附图之后本领域技术人员可以做出等同的改变和/或修改。特别是关于上述部件(组件、设备、系统、电路等)所执行的各种功能,用来描述这些部件的术 语(包括“装置”的参考)都是期望对应于(除非另外指明)执行上述部件的特定功能的 (即,功能上等同的)诸如硬件、软件、或两者组合等任何部件,尽管结构上并不等同于用来 执行本发明的所说明的实施方式中的功能的公开结构。此外,尽管已经参考几种实施方式 中的一个公开了本发明的特定特征,但是这些特征还可如期望的和对于任何给定或特定的 应用有利的方式与其他实施方式中的一个或多个特征相组合。此外,在具体实施方式和权 利要求书中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或这些术语的变形都是想要包括与 术语“包括”等同的方式。
[0092] 工业应用性
[0093] 本发明可以被应用到承载或暴露于腐蚀性电解质的管子或其他结构的腐蚀效果 的现场监视和分析。

Claims (14)

1. 一种由回路供电的腐蚀测量设备,用于测量或监视暴露于电解质的结构的腐蚀,该 腐蚀测量设备包括:回路接口,可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路的电能向所述 设备供电的电源系统;探针接口系统,具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电路,并且所 述信号调节电路包括:激励电路,可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供激励信号, 感应电路,可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多个与腐蚀相关的 电信号,和开关系统,具有与所述激励电路和所述感应电路耦合的多个模拟开关部件,所述开关 部件根据相对应的控制信号进行操作从而选择性互连所述激励和感应电路中的电路部件 与多种不同配置下的电极;以及处理系统,可操作地与所述探针接口系统相耦合,从而控制向电解质提供的激励信号, 向所述开关系统提供控制信号以选择性地再配置所述开关部件以执行多种不同类型的腐 蚀测量,并且基于从所述感应电路接收到的测量值计算至少一个腐蚀相关值。
2.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,进一步包括:模拟数字转换器,可操作地与所述处理系统和所述感应电路耦合以便将感应到的电信 号转换成数字值并且将所述数字值提供给所述处理系统;以及整流器系统,与所述感应电路耦合以便基于无dc的感应信号向所述模拟数字转换器 提供不是无dc的信号。
3.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,所述开关系统可根据相对应的控制信号来操作从而选择性耦合用来感应电流的感应 电路与处在驱动放大器的反馈回路中的第一和第二电极。
4.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,进一步包括: 隔离屏蔽,用来提供所述电极与所述4-20mA回路的电隔离。
5.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中, 所述回路接口包括具有限压和限流部件的内部安全屏蔽。
6.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,可在一系列设备周期的每一个中基于所述感应电路的感应信号来操作所述处理系统 以计算至少一个腐蚀相关值,并且在所述腐蚀测量设备中存储多个计算得到的腐蚀相关值 以备用户随后检索,腐蚀测量设备进一步包括:通信接口,可操作地与所述处理系统耦合,并且可操作地与外部通信设备接口以允许 用户配置所述设备或是经由所述外部通信设备从所述设备检索已存储的、计算得到的腐蚀 相关值。
7.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,所述激励电路可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供AC方波激励信号;所述处理系统可操作地控制向电解质提供的方波激励信号并且在一系列设备周期的 每一个中基于所述感应电路的感应信号计算电解质电阻值;并且所述处理系统提供具有第一幅值的激励信号并且选择性地增大激励信号幅值直到所 得到的感应信号超出了预定的阈值。
8.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中:所述开关系统进一步包括同步整流器,用于在所述处理系统的控制下,与提供给电解 质的激励信号的交变极性一致地交变感应信号的极性;其中,所述处理系统使得所述激励电路初始地不提供激励信号并且使得所述同步整流 器开始交变所感应到的电流信号的极性,在不应用激励信号操作所述同步整流器时取样感 应电流,基于至少一个感应电流信号取样来计算偏压值,并且将所述偏压值存储以便作为 计算至少一个校正相关值时的偏压校正随后使用。
9.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,所述处理系统使得所述激励电路初始地不提供激励信号,在不应用激励信号下取样由 所述感应电路感应到的电压信号,将所述感应到的电压值作为偏压存储,之后使得所述激 励电路向电解质提供带有所述偏压的正弦波激励电压信号,并且使用谐波失真分析基于由 所述感应电路感应出的电流信号中的谐波计算至少一个腐蚀相关值。
10.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,所述激励电路可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供正弦波激励信号;并且其中,使用谐波失真分析,所述处理系统可操作地基于由所述感应电路感应出的多于 一个周期的正弦波电流信号来计算至少一个腐蚀相关值。
11.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,在一系列设备周期的每一个当中,所述处理系统都可操作地基于由所述感应电路感应 出的电流信号中的谐波来计算Mern-Geary常数,并且对计算得到的Meem-Geary常数执 行合理性测试,其中,在每个设备周期中,如果所述合理性测试提示谐波失真分析很可能会产生准确 的腐蚀相关值,则所述处理系统利用计算得到的Stetr-Geary常数作出的谐波失真分析选 择性地计算至少一个腐蚀相关值;否则,利用用户定义的或默认的Merm-Geary常数执行 的线性化极性电阻测量来计算至少一个腐蚀相关值。
12.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,利用包括使用连续矩运算以计算至少一个统计值的电化学噪声测量,所述处理系统可 操作地基于所述感应电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值。
13.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,所述处理系统可操作地选择性地再配置所述开关部件以使所述开关系统将辅助和工 作电极连接到所述探针接口系统中的虚拟接地极,并且使用电化学噪声测量基于所述感应 电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值。
14.根据权利要求1所述的由回路供电的腐蚀测量设备,其中,所述激励电路可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供正弦波激励信号;并且其中,在一系列设备周期的每一个当中,所述处理系统可操作地基于由所述感应电路 感应出的电流信号中的谐波计算Mern-Geary常数,并且利用计算得到的Mern-Geary常数执行的线性化极性电阻测量,基于所述感应电路感应得到的电流信号计算给定设备周期 中的至少一个腐蚀相关值。
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