CN102507431B

CN102507431B - 一种多通道电偶腐蚀测量装置

Info

Publication number: CN102507431B
Application number: CN2011103586800A
Authority: CN
Inventors: 程文华; 张慧霞; 王均涛; 郝鹏飞; 邓春华
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: CN102507431A

Abstract

本发明属于金属材料电偶腐蚀测量技术领域，涉及一种多通道电偶腐蚀测量装置，采用SOC处理器结构设计，电极连接电缆的前端与电极连接，后端接入电压电流测量切换单元，前端信号调理电路与A/D转换电路电连通后的两端跨接基准源，前端并与电压电流测量切换单元电连接，A/D转换电路的输出端串联多通道电气隔离单元后与主控模块电连通，主控模块内置有SOC处理器，主控模块分别与显示模块、存储模块和通讯模块电连接，并实现电信息控制；参比电极输入的信号放大后并入前端信号调理电路并构成信号处理系统；其整体结构简单，原理可靠，使用操作方便，测量数据精确，控制灵活，应用广泛。

Description

一种多通道电偶腐蚀测量装置

技术领域：

本发明属于金属材料电偶腐蚀测量技术领域，涉及一种电偶腐蚀电位和电流的多通道测量设备，特别是一种多通道电偶腐蚀测量装置。

背景技术：

异种金属材料在同一介质中相互接触时，由于腐蚀电位不相等，在两者间存在电偶电流，使得电位较负的金属腐蚀加速，而电位较正的金属腐蚀速度减小。在工程防腐设计中，异种材料间的电偶腐蚀控制十分重要，如果设计不当，将加速某些部件的腐蚀，造成巨大的损失。因此各种材料在特定环境下的电偶序及其电偶腐蚀行为是工程防腐设计中控制电偶腐蚀发生的重要依据。我国在1995年制定了国家标准“船用金属材料电偶腐蚀试验方法”，主要通过材料自腐蚀电位、电偶电位和电偶电流的测量，分析不同材料间的电偶腐蚀特性，为异种材料的匹配设计及电偶腐蚀控制提供参考数据。早期的电偶腐蚀测量方法是采用手工测量，一般采用数字万用表、电流表、零电阻电流计等对阴阳极的电偶电位和电偶电流进行测量，在测量过程中需要手动切换电极的通断状态，容易造成测量数据的不准确，而且测量速度慢，测量数据点较少，无法捕捉电偶电流的快速变化。中国实用新型专利CN 200420098658.2中公布了一种采用单片机和上位计算机进行电偶腐蚀测量的多通道电偶腐蚀实验数据采集装置，该装置有效解决了手工测量存在的问题，还可实现多个通道电偶腐蚀数据的测量，但该装置是通过上位计算机进行控制，电偶腐蚀的参数设置和数据存储等功能只能在上位计算机上完成，下位机无法脱离上位计算机进行工作，控制方式繁琐，因此限制了该装置在某些场合的应用，尤其是进行现场试验时或需要自主运行的场合应用受限。一般情况下，金属材料的电偶腐蚀试验过程不会少于15天，特殊情况下可达数月，对于较长时间的电偶腐蚀试验，现有多通道电偶数据自动测量技术的可靠性较差，容易导致数据丢失，而且在试验过程中若测量设备出现问题将导致偶对体系的腐蚀状态发生变化，直接影响到测量结果的准确性。由此可见，在实际应用中现有多通道电偶腐蚀测量设备在控制方法、信号调理、噪音干扰等仍存在技术瓶颈，有待解决。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计研制一种基于SOC处理器的智能化多通道电偶腐蚀测量装置，能够独立进行金属材料电偶腐蚀试验过程的可编程控制和电偶腐蚀数据的采集、存储以及测量状态的显示和查询，用于室内外不同环境中异种金属材料间电偶腐蚀电位和电偶腐蚀电流的测量，解决现有电偶腐蚀测量设备在控制方法、信号调理、噪音干扰等方面的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用SOC处理器结构设计，包括电极连接电缆、电压电流测量切换单元、前端信号调理电路、A/D转换电路、基准源、多通道电气隔离单元、主控模块、显示模块、存储模块、通讯模块和SOC处理器，其中的前端信号调理电路包括工作电极输入、辅助电极输入、参比电极输入、双掷继电器、第一电阻、第二电阻、第一运算放大器、基准源、第一平衡电阻、第二平衡电阻、第三平衡电阻、第二运算放大器和第四平衡电阻；电极连接电缆的前端与电极连接，后端接入电压电流测量切换单元，前端信号调理电路与A/D转换电路电连通后的两端跨接基准源，前端信号调理电路前端与电压电流测量切换单元电连接，A/D转换电路的输出端串联多通道电气隔离单元后与主控模块电连通，主控模块内置有SOC处理器，主控模块分别与显示模块、存储模块和通讯模块电连接，并实现电信息控制；前端信号调理电路中的基准源的信号放大后接入第一运算放大器输入端的辅助电极输入处，第一运算放大器另一输入端对接工作电极输入并连接由第一电阻和第二电阻串联及并接双掷继电器构成的电路后对接第一平衡电阻和第三平衡电阻，第一平衡电阻的另一端分别与第一运算放大器的输出端和第二平衡电阻连接，第二平衡电阻另一端接入第二运算放大器的一个输入端，第二平衡电阻的一端接入第二运算放大器的输出端并通过第四平衡电阻接地，第二运算放大器的另一输入端接第四平衡电阻并接地；参比电极输入的信号放大后并入前端信号调理电路并构成信号处理系统。

本发明能够通过编程控制实现金属材料电偶腐蚀试验过程中的数据采集、存储和显示；通过1～20组电极连接电缆(每个通道一组)分别连接到不同的电偶组对，同时进行电偶腐蚀试验，每个通道均能够通过电位和电流测量的切换实现开路电位、偶合电位和偶合电流的分别测量，各通道之间采用电气隔离，能够消除各组信号之间的相互干扰；前端信号调理电路由工作电极输入、辅助电极输入、参比电极输入、双掷继电器、精密电阻、运算放大器、基准源、平衡电阻和运算放大器组成，通过采用前端信号调理、差分ADC驱动电路的设计结构，提高设备的电流测量精度，并有效抑制电源干扰和系统串扰，能够进行脱机或联网工作；采用参考电极对地浮动和辅助电极钳位到2.5V中值电平的前端信号调理电路结构，简化多通道电偶腐蚀三电极测量体系的前级电路结构，有效提高前级电路的线性精度；采用半桥式T型电流量程切换电路，保证电流量程切换过程中电流不中断；双掷继电器一端位于两个量程采样电阻的中点上，另一端与采样电阻的一臂短路，保证继电器动作过程中电偶电流的正常续流；采用集成运放并联进行零电阻电流计电路的设计，提高电流驱动能力，在多级运放之间使用阻容消除自激；采用差分输入ADC和差分ADC驱动电路结构，通过单一模拟电源实现双极性差分数据采集，抑制电源干扰和系统串扰。

本发明与现有技术相比，解决了现有多通道电偶腐蚀测量设备存在的控制方法繁琐、可靠性差的缺点，使其控制方式更加灵活，使用范围扩大，而且在前级电路上较传统设计进行了改进，更加适合多通道电偶腐蚀三电极体系的测量要求；其整体结构简单，原理安全可靠，使用操作方便，测量数据可靠，结果精确，控制灵活，应用广泛。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意框图。

图2为本发明的前端信号调理电路结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步说明。

实施例：

本实施例采用SOC处理器结构设计，包括电极连接电缆1、电压电流测量切换单元2、前端信号调理电路3、A/D转换电路5、基准源4、多通道电气隔离单元6、主控模块7、显示模块8、存储模块9、通讯模块10和SOC处理器11，其中的前端信号调理电路3包括工作电极输入12、辅助电极输入13、参比电极输入14、双掷继电器15、第一电阻16、第二电阻17、第一运算放大器18、基准源4、第一平衡电阻20、第二平衡电阻21、第三平衡电阻22、第二运算放大器23和第四平衡电阻24；电极连接电缆1的前端与电极连接，后端接入电压电流测量切换单元2，前端信号调理电路3与A/D转换电路5电连通后的两端跨接基准源4，前端信号调理电路3前端与电压电流测量切换单元2电连接，A/D转换电路5的输出端串联多通道电气隔离单元6后与主控模块7电连通，主控模块7内置有SOC处理器11，主控模块7分别与显示模块8、存储模块9和通讯模块10电连接，并实现电信息控制；前端信号调理电路3中的基准源4的信号放大后接入第一运算放大器18输入端的辅助电极输入13处，第一运算放大器18另一输入端对接工作电极输入12并连接由第一电阻16和第二电阻17串联及并接双掷继电器15构成的电路后对接第一平衡电阻20和第三平衡电阻22，第一平衡电阻20的另一端分别与第一运算放大器18的输出端和第二平衡电阻21连接，第二平衡电阻21另一端接入第二运算放大器23的一个输入端，第二平衡电阻21的一端接入第二运算放大器23的输出端并通过第四平衡电阻24接地，第二运算放大器23的另一输入端接第四平衡电阻24并接地；参比电极输入14的信号放大后并入前端信号调理电路3并构成信号处理系统。

本实施例的多通道电偶腐蚀测量设备采用ARM 920T SOC处理器进行设计，由20组电极连接电缆组成，20组电极连接电缆(每个通道一组)可分别连接到不同的电偶组对，同时进行电偶腐蚀试验，每个通道通过双掷继电器进行切换，实现开路电位、偶合电位和偶合电流的分别测量，各通道之间采用物理电气隔离，消除各组信号之间的相互干扰；前端信号调理电路通过双掷继电器和精密电阻构成的半桥式T型电流量程切换电路，保证电流量程切换过程中电流不中断；采用集成运算放大器并联和平衡电阻组成的零电阻电流计电路，提高电流驱动能力，将参比电极输入端对地浮动，并通过基准源将辅助电极输入端钳位到2.5V电平，简化了多通道电偶腐蚀三电极测量体系的前端电路结构，有效提高了前级电路的线性精度；A/D转换电路采用差分输入ADC和差分ADC驱动电路结构，通过单一模拟电源实现双极性差分数据采集；基准源、多通道电气隔离、主控模块、显示模块、存储模块和通讯模块等采用常规的电子电路设计结构实现。

Claims

1.一种多通道电偶腐蚀测量装置，包括电极连接电缆、电压电流测量切换单元、前端信号调理电路、A/D转换电路、基准源、多通道电气隔离单元、主控模块、显示模块、存储模块、通讯模块和SOC处理器，其特征在于采用SOC处理器结构设计，前端信号调理电路包括工作电极输入、辅助电极输入、参比电极输入、双掷继电器、第一电阻、第二电阻、第一运算放大器、第一平衡电阻、第二平衡电阻、第三平衡电阻、第二运算放大器和第四平衡电阻；电极连接电缆的前端与电极连接，后端接入电压电流测量切换单元，前端信号调理电路与A/D转换电路电连通后的两端跨接基准源，前端信号调理电路前端与电压电流测量切换单元电连接，A/D转换电路的输出端串联多通道电气隔离单元后与主控模块电连通，主控模块内置有SOC处理器，主控模块分别与显示模块、存储模块和通讯模块电连接并实现电信息控制；基准源的信号放大后接入第一运算放大器输入端的辅助电极输入处，第一运算放大器另一输入端对接工作电极输入并连接由第一电阻和第二电阻串联及并接双掷继电器构成的电路后对接第一平衡电阻和第三平衡电阻，第一平衡电阻的另一端分别与第一运算放大器的输出端和第二平衡电阻连接，第二平衡电阻另一端接入第二运算放大器的一个输入端，第三平衡电阻的一端接入第二运算放大器的输出端并通过第四平衡电阻接地，第二运算放大器的另一输入端接第四平衡电阻并接地；参比电极输入的信号放大后并入前端信号调理电路并构成信号处理系统。

2.根据权利要求1所述的多通道电偶腐蚀测量装置，其特征在于通过编程控制实现金属材料电偶腐蚀试验过程中的数据采集、存储和显示；通过1～20组电极连接电缆分别连接不同的电偶组对，同时进行电偶腐蚀试验，每个通道均能够通过电位和电流测量的切换实现开路电位、偶合电位和偶合电流的分别测量，各通道之间采用电气隔离，能够消除各组信号之间的相互干扰；通过采用前端信号调理、差分ADC驱动电路的设计结构，提高设备的电流测量精度，并有效抑制电源干扰和系统串扰，能够进行脱机或联网工作；采用参比电极对地浮动和辅助电极钳位到2.5V中值电平的前端信号调理电路结构，简化多通道电偶腐蚀三电极测量体系的前级电路结构，有效提高前级电路的线性精度；采用半桥式T型电流量程切换电路，保证电流量程切换过程中电流不中断；双掷继电器一端位于两个量程采样电阻的中点上，另一端与采样电阻的一臂短路，保证继电器动作过程中电偶电流的正常续流；采用集成运放并联进行零电阻电流计电路的设计，提高电流驱动能力，在多级运放之间使用阻容消除自激；采用差分输入ADC和差分ADC驱动电路结构，通过单一模拟电源实现双极性差分数据采集，抑制电源干扰和系统串扰。