CN102478496B - 精确测量腐蚀体系极化电阻的方法及专用测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确测量腐蚀体系极化电阻的方法及专用测试仪，用阶梯波对极小幅度电位极化扫描，确保在读数期间极化电流稳定而且保持，并且用频率特性区分并除去欧姆电阻，从而得到精确的极化电阻。测试仪由阶梯波发生器、输出驱动匹配器、探针、低噪声放大器、选频放大相敏检波、模数转换、数据处理显示记录、调理电路控制单元和中央处理器片上系统组成。本发明组合使用了专用检测探头，超低噪声高灵敏度放大，宽动态范围放大，多点频选频放大、模数转换器、信号发生器，数字检测和处理技术，基于电化学理论的分析处理软件及配套的人机对话记录重放，显示存储软件技术，遥测遥控技术，广泛适用于各种油气传输的生命健康检测系统。

Description

精确测量腐蚀体系极化电阻的方法及专用测试仪
技术领域
本发明是与精确测量油气金属管道内部腐蚀速率相关的极化电阻的方法有关。
背景技术
管道运输是我国五大运输产业之一，它广泛应用于油气、化工、供水等行业，在国民经济中占有极其重要的地位。埋入地下的金属管道周围环境及内部介质会对其造成腐蚀，腐蚀穿孔后产生的跑冒滴漏不仅对人们的生产生活造成影响，而且会污染环境，严重时还会发生爆炸和火灾，给国家和人民的生命财产带来巨大的经济损失。因此对地下金属管道的腐蚀状况进行检测与监控，及时发现安全隐患，避免事故发生，具有十分重要的意义。
目前对于金属管道外部腐蚀的检测方法很多，而且也很成熟，但是对于管道内部的腐蚀目前主要采用的是：超声波法、漏磁法、涡流法等。这些方法在检测过程中均需要将检测探头置于管道内部，靠管道内介质的压差推动前进，同时检测记录与管道内部腐蚀相关的数据，经计算机分析后给出腐蚀的位置和状况。这些方法对管道内腐蚀的检测一般来说是有效的，但也存在着许多不足。首先是设备昂贵（一台进口检测设备要100多万美元），检测费用高（正常情况下检测每公里费用在2万元左右）；其次是对于一些管道内部均匀腐蚀，使用目前的方法检测难度很大；对于小管径管道（外径小于273mm）目前的方法无法检测；无法实时监测腐蚀速度。正是由于上述原因，我国目前只是在管径较大的长输管道进行过里程不长的检测，而小管径管道在我国地下管道中占的比例比较大，是油气田、化工企业广泛应用的，因此对这类管道进行内部腐蚀检测是国内目前广大管道业主的迫切需求。
目前从金属油气管道外部对管道内部腐蚀检测方法主要有：1）由超声、涡流、射线在管道外部定期检测管壁厚度，从厚度随时间的变化，推算内腐蚀的速率，其局限性在于必需较长时间的数据积累才能得出有用的结论，而且要去掉保护层，实施较困难；2）国外还有电化学噪声法（美国）和线性极化电阻法（俄罗斯）以及微分极化电阻法（中国，1986年），这些方法有在线实时测定内腐蚀速度的优点，但精度差，受油气成分变化影响产生误判，误差较大。
本发明的要点是采用高速计算机芯片（440Mps，32bit）实时轮换进行线性极化电阻（LPR）测量、流体欧姆电阻测量、微分极化电阻测量、电化学电流和电位噪声测量自动选择，信号源的脉冲频率、脉冲幅度自适应选择测量系统的中心频率、带宽和增益，自动调节，自动记录。本发明提出并实现了以前从未实现过的快速测量极化电阻的方法。
发明内容
本发明的的在于克服现有技术的不足，提供一种能够适应所有管径的管道，而且又能够进行实时监测管道腐蚀速度，以对其进行了有效控制的方法。其核心思想是用精确测量极化电阻的方法推算油气金属管道内部的腐蚀速率，从而实现大量在用的液化气和石油输送管线的长期健康监测。
本发明的技术解决方案是：
一种精确测量腐蚀体系极化电阻的方法，其特征在于:用阶梯波对极小幅度电位极化扫描，确保在读数期间极化电流稳定而且保持，并且用频率特性区分并除去欧姆电阻，从而得到精确的极化电阻。
一种专用于实施权利要求书1的测试仪，其特征在于：它由阶梯波发生器（1），输出驱动匹配器（2），探针（3），低噪声放大器（4），选频放大相敏检波（5），模数转换（6），数据处理显示记录（7），调理电路控制单元（8）和中央处理器片上系统（9）组成。
所说的程控阶梯波发生器由锁存器、数模转换器及阻抗变换器构成。
所说的输出驱动匹配器由电平转换电路和准恒流驱动电路构成。
所说的探针是由与金属管道同一材质制成。
所说的低噪声放大器由低噪声放大器和程控增益仪表放大器构成。
所说的模数转换器不仅把选频放大器的输出信号转变成数字量，而且同时把对应的时间统一信号、增益、中心频率及带宽同时记录。
所说的调理电路控制单元由阶梯波数据输出接口、输出驱动控制接口、中心频率和带宽控制接口、构成。
本发明在于提出并实现了以前从未实现过的精确测量极化电阻的方法，其核心是：数字化自适应测量来实现大动态高精度信号发生器是阶梯波输出，其频率和输出恒流值是极化电阻的特征自动调节、自动记录的，选频放大器的滤波中心频率、带宽、增益自动调节、自动记录。
提高金属材料在介质中的极化电阻Rp的精度的说明：
一、现在国内外应用的Rp测量中，由于加压电极上的极化值E是连续变化的，在线性极化测量读数的速度和频率选择均会影响测量结果，因为读数过快，电极未达到稳定；而读数过慢，极化值E已不是原来数值了。
本发明用阶梯波取代了锯齿波，在每个读数过程中保持E值恒定，测量该点极化电流的稳定值，该点测量完成后变动ΔE后，再测量下一个点数值。
最后通过将极化曲线处理得到自腐蚀电极附近的线性极化电阻。
二、阶梯波产生的电位信号为E=ΔV×N×Δt,N=0～1024
其中，ΔV为小于10mV的电位变化值，在Δt测量间隔内维持恒定；
Δt为每个点的测量时间，其值由电极达到稳定所需最小时间和测量系统读数所需时间约束；
N为测量点数，其最大值可选28～232（256～4294967296），
测试电极到参考电极的电流为
其中，为电极间介质的充电电流，符合欧姆定律，与两电极间的电容和介质的介电常数及介质的电阻率有关。
为测试电极附近由电化学反应产生的电极反应电流（极化电流），它引起腐蚀。
目前，国内外应用的Rp测量中或者假定参考电极到研究电极间的介质电阻忽略不计，或者假定电极间的电容和介电常数不变，这导致了难以忽略的测量误差。
本发明除将E改用阶梯波，测量时恒压变化量ΔE恒定，测量读数时间Δt自适应提高了Rp测量精度外，还将和用频率特性区分开。
得到真正的极化电阻
其中K是一个探针的电极结构相关的常数。
三、本发明为了完成较复杂的自适应测量和计算，使用了32位SOC芯片，研发了相应的管理、采集、数据处理、显示、历史数据查询等功能。
本发明的实现过程：
根据以上测量原理，本发明还提供了一种极化电阻测量仪，它由阶梯波发生器（1），输出驱动匹配器（2），探针（3），低噪声放大器（4），选频放大相敏检波（5），模数转换（6），数据处理显示记录（7），调理电路控制单元（8）和中央处理器片上系统（9）组成。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明电阻测量仪框图。
图2是程控阶梯波发生器示意图。
图3是输出驱动匹配器示意图。
图4是探针示意图。
图5是低噪声放大器示意图。
图6是选频放大相敏检波示意图。
图7是调理电路控制单元示意图。
具体实施方式
下面分别对极化电阻测量仪的各主要电路加以说明：
1）程控阶梯波发生器，它由锁存器、数模转换器和阻抗变换器组成，见图二。由图一（9）中央处理器片上系统经由图一（8）调理电路把极化电平相关的数据送到图二（1）锁存器，再由锁存器把锁定的极化电平相关的数据送到图二（2）数模转换器转换成构成阶梯波的一个阶梯电平信号，再经图二（3）阻抗变换器使输给图一（2）输出驱动匹配器。
2）输出驱动匹配器，它由电平转换器电路和准恒流驱动电路组成，见图三。图三（1）电平转换电路将图一（1）送来的阶梯波信号进行电平转换后送到图三（2）准恒流驱动电路，转换器测量电极匹配的极化电平信号。
3）探针，见图四，电极金属材料应与传输管道的金属材料同质。探针能牢固地安装到管道壁上，探针插入管壁的深度能方便调节，探针能可靠地与信号导线连接。
4)低噪声放大器，由低噪声前置放大器和程控增益仪表放大器组成，见图五，它从探针取得和极化电流相关的信号并放大。
5）选频放大相敏检波，见图六，程控选频放大器图六（1）的中心频率和带宽由中央处理器控制，经图六（2）相敏检波器变成直流信号送到模数转换器（图一6）
6）模数转换器把相敏检波器送来的信号从模拟信号转换成数字信号
7）数据处理显示记录单元系软件，另申报知识产权。本单元结合图一（9）单元，图一（8）单元，图一（1）单元对数字信号进行分析计数处理，消除欧姆电流的成分，计算出极化电流，进一步计算出极化电阻并和阶梯波的阶梯序号一起存储、记录并把结果显示在液晶屏幕上。
8）调理电路控制单元由图七（1）阶梯波数据输出接口，图七（2）输出驱动控制接口，以及图七（3）中心频率和带宽控制接口组成，它用来实现中央处理单元对图一（1）、图一（2）、图一（5）各功能单元的控制。

Claims (7)

1.一种精确测量腐蚀体系极化电阻的方法，其特征在于:用阶梯波对极小幅度电位极化扫描，确保在读数期间极化电流稳定而且保持，并且用频率特性区分并除去欧姆电阻，从而得到精确的极化电阻；
在每个读数过程中保持阶梯波产生的电位信号E值恒定，测量Δt时间点极化电流的稳定值，Δt时间点测量完成后变动ΔE后，再测量下一个点数值；最后通过将极化曲线处理得到自腐蚀电极附近的线性极化电阻；
阶梯波产生的电位信号为E＝ΔV×N×Δt,N＝0～1024
其中，ΔV为小于10mV的电位变化值，在Δt测量间隔内维持恒定；
Δt为每个点的测量时间，其值由电极达到稳定所需最小时间和测量系统读数所需时间约束；
N为测量点数，
测试电极到参考电极的电流为I＝IΩ+Ij
其中，IΩ为电极间介质的充电电流，符合欧姆定律，与两电极间的电容和介质的介电常数及介质的电阻率有关；
Ij为测试电极附近由电化学反应产生的电极反应电流，它引起腐蚀；
测量时恒压变化量ΔE恒定，测量读数时间Δt自适应提高了极化电阻Rp测量精度，还将IΩ和Ij用频率特性区分开；
Ij＝I-IΩ
得到真正的极化电阻
其中K是一个探针的电极结构相关的常数。
2.一种专用于实施权利要求1的测试仪，其特征在于：它由阶梯波发生器(1)，输出驱动匹配器(2)，探针(3)，低噪声放大器(4)，选频放大相敏检波(5)，模数转换(6)，数据处理显示记录(7)，调理电路控制单元(8)和中央处理器片上系统(9)组成。
3.按权利要求2所述的测试仪，其特征在于：所述阶梯波发生器由锁存器、数模转换器及阻抗变换器构成。
4.按权利要求2所述的测试仪，其特征在于：所述输出驱动匹配器由电平转换电路和准恒流驱动电路构成。
5.按权利要求2所述的测试仪，其特征在于：所述探针是由与金属管道同一材质制成。
6.按权利要求2所述的测试仪，其特征在于：所述低噪声放大器由低噪声前置放大器和程控增益仪表放大器构成。
7.按权利要求2所述的测试仪，其特征在于：所述调理电路控制单元由阶梯波数据输出接口、输出驱动控制接口、中心频率和带宽控制接口构成。
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