CN103196357A - 探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪及其测量方法 - Google Patents

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Inventor
吴涛
郑丽群
王兴旭
杨永宽
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Abstract

探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪及其测量方法，这种方法主要用来检测各种形式的腐蚀，也可检测大多数的裂纹以及监控腐蚀和裂纹的扩展。其原理是将探针和电极在待测区布置成阵列，对电极施加同一激励信号；然后测量通过金属结构电场的微小变化，用测得的电压值与初始设定的测量值进行比较，依此来检测由于腐蚀等引起的金属损失、裂纹、凹坑或凹槽。本发明可应用于储藏罐或其他金属建筑物上。本发明有很高的灵敏度和精确度，可在早期探测到腐蚀减薄的改变，从而可在腐蚀损害发生之前优化预防措施。本发明可用于高温工况，而没有温度漂移和降低精度的问题，具有测量误差小、灵敏度高，抗干扰能力强，适用范围广等优点，能够实现远程在线测量。

Description

探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪及其测量方法
 
技术领域
本发明涉及一种新型无损检测装置及方法，具体地说是一种探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪及其测量方法。
背景技术
近年来国内石化企业大量炼制高硫、高酸原油，使设备腐蚀加剧，所带来的问题也愈加严重，为了防止事故发生，需要加强设备腐蚀监测，尤其对设备壁厚的大面积实时检测是目前企业迫切需要的。目前对设备壁厚的检测主要采用的是超声波检测，超声波测厚需要耦合剂，检测时是测量点壁厚，不仅测量时间长、工作效率低，而且测量误差大、灵敏度不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度高、检测面积大、寿命长的探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪及其测量方法。
采用的技术方案是：
探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪，包括探针组、采集器及检测电路，其特征在于所述的探针组由多个呈矩阵分布的探针构成，探针为柱状电极，用于测试金属的壁厚；所述的补偿试块设置在被测管道的表面，其一端与被测管道紧密连接，用于腐蚀试片的温度补偿；所述的激励信号电极，用于提供激励信号；所述的探针通过连接器与采集器连接；所述采集器包括：壳体、连接器接口及通讯线接口，采集器与上位机进行通讯连接；检测电路设置在电路板上，电路板设于壳体密闭空间内。
所述检测电路包括：柱状电极的电极间被测金属的电阻及补偿试块电阻，二者串联后与恒流源相连，在被测金属的电阻及补偿试块电阻上产生的电压信号采用差分输入的方式分别送至第1放大器及第2放大器的输入端，第1放大器及第2放大器的输出信号经再次放大、调制及A/D转换后与中央处理器的信号输入端相连，中央处理器根据输入信号的大小控制恒流源的输出，通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接；所述被测金属、柱状电极及补偿试块为同种金属材质。
本发明的探针呈矩阵分布的金属腐蚀面壁厚测量方法，其特征在于包括以下步骤：
将被测金属及补偿试块同时置于温度相同的检测介质中；在被测金属及补偿试块组成的串联回路中施加同一激励信号；通过被测金属电阻及补偿试块电阻获取被测金属及补偿试块两端的响应电压，以差分输入的方式送至检测电路；
Figure 102616DEST_PATH_IMAGE001
通过公式                                       计算被测金属
的减薄量，其中UF0、UB0为被测金属3（注：被测金属3，非特指的电流梯度方向两电极间的被测金属）和补偿试块的初次检测响应电压（未被腐蚀时），HF0为被测金属的原始管壁厚度（未被腐蚀时），UF、UB为被测金属和补偿试块的正常检测时响应电压，HF为被测金属的当前管壁厚度；根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。
还具有以下步骤：根据上述响应电压信号的大小调整恒流源的输出幅度。
本发明具有以下有益效果及优点：
1．测量误差小。补偿试块与被测金属温度基本相同，同时检测电路将被测金属和补偿试块采用差分输入的方式接入输入端，进行温度补偿，因此有效减小了测量误差；
2．灵敏度高，抗干扰能力强，工作效率高。本发明以恒流源做为激励信号，可以通过频段滤波提取有效信号以抑制噪声信号，与现有技术中采用直流恒流源相比，增强了抗干扰能力，采用双通道同时采样的运放，提高了灵敏度，由此缩短了测量时间，提高了工作效率，避免了人工操作所带来的人为因素的影响；
3．适用范围广。此项技术是监测管道指定区域腐蚀情况的非接触技术，还可应用于储藏罐或其他金属建筑物上；能够用于检测复杂的几何体（弯头、T-接头、Y-接头等）。
4．实现远程在线测量。本发明装置与上位计算机进行通讯连接，实现测量结果的远程通讯，由上位计算机处理并显示测量结果和腐蚀曲线，可以实时在线监测金属的腐蚀状况。
附图说明
图1为本发明电阻探针布置示意图。
图2为本发明采集器外部结构示意图。
图3为本发明电阻探针测量电路原理图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明的探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪，包括探针矩阵组、连接器及采集器三部分，探针矩阵组包括：探针1、补偿试块2、激励信号电极3，探针1为柱状电极，用于测试金属的腐蚀速率；补偿试块2设置在被测管道4的表面，其一端与被测管道4紧密连接，用于被测管道4的温度补偿；激励信号电极3用于提供激励信号；本实施例采用与监测设备相同的材质，如碳钢等，用于测试金属的腐蚀速率；补偿试块2与被测金属为同种金属材质，用于被测金属的温度补偿。
所述采集器包括：壳体5，壳体5正面的连接器接口6，激励电极接口7，壳体5背面有电源接口8及通讯接口9，通讯接口9与上位计算机进行通讯连接。
如图3所示，所述检测电路包括被测金属电阻RF及补偿试块电阻RB，二者串联后与恒流源A7相连，在被测金属电阻RF及补偿试块电阻RB上产生的响应电压UF、UB采用差分输入的方式分别送至第1放大器A1及第2放大器A2的输入端，第1放大器A1及第2放大器A2的输出信号分别经第3放大器A3及第4放大器A4再次放大、第1调制器A5及第2调制器A6调制成直流信号后，再经A/D转换器转换成数字信号后与中央处理器的信号输入端相连，中央处理器根据该输入信号的大小控制恒流源A7的输出幅度，以控制各级放大器输出不能饱和、A/D输入不能超过输入范围。通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接。
本发明装置的工作过程如下：
电阻探针腐蚀监测技术是以测量金属腐蚀损失为基础，通过测量金属的腐蚀损耗减薄而得出金属腐蚀速率的变化。被测金属电阻RF随着金属腐蚀损失而增大，其随时间变化的函数曲线即可得到金属损失量随时间的函数曲线，也就是腐蚀速率；另一方面，被测金属电阻RF随温度的变化会增大或减小，为了消除由于温度变化带来的测量误差，通过温度补偿电路即以差分输入方式测量与被测金属3在同一温度条件的补偿试块2来消除温度对测量结果的影响，减小信号干扰。检测电路中第1、2放大器A1、A2采用高输入阻抗、高精度仪表放大器，其输入端接收被测金属电阻RF、补偿试块电阻RB两端的响应电压UF、UB，第1、2放大器A1、A2的输出信号分别经过第3、4放大器A3、A4（本实施例采用高精度运算放大器的进一步放大后，由第1、2调制器A5、A6进行信号调制，将信号调制成直流信号输入A/D转换器进行模数转换，中央处理器根据A/D转换器输出的数字信号大小控制恒流源A7的输出幅度，形成闭环控制，以保证接收到的信号不会产生线性失真，减小测量误差，同时中央处理器通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接，由上位计算机对检测数据进行计算处理，并显示测量结果和和腐蚀曲线，通过显示实现检测系统的在线测量。
本发明方法具体步骤如下：
将被测金属3及补偿试块2同时置于温度相同的检测介质中；
在被测金属3及补偿试块2组成的串联回路中施加同一激励信号；
通过被测金属电阻RF及补偿试块电阻RB获取两电阻两端的响应电压UF、UB，以差分输入的方式送至检测电路；
通过被测金属厚度公式
Figure 750635DEST_PATH_IMAGE002
                                                    （3）
计算被测金属的减薄量，其中UF、UB,分别为被测金属电阻RF和补偿试块电阻RB两端的电压，LF、LB为被测金属3和补偿试块2的长度，SB、为补偿试块2的截面积，HF为被测金属管壁厚度，WF为被测金属展开后截面的宽度。
根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。
上述计算公式（3）的推导过程如下：
被测金属电阻RF随着被测金属在腐蚀介质中的腐蚀增大而增加，同时被测金属电阻RF及补偿试块电阻RB随温度的变化而增加或减小。通过对被测金属电阻RF及补偿试块电阻RB施加恒定电流激励信号，测量被测金属电阻RF及补偿试块电阻RB两端的激励响应电压UF、UB,计算RF、RB的变化：
       
Figure 546739DEST_PATH_IMAGE004
其中：⊿I 为流过被测金属3（注：被测金属3，非特指的电流梯度方向两电极间的被测金属）的恒定电流，IH为恒定电流 
又有： RF=ρ×LF÷SF         RB=ρ×LB÷SB
其中：ρ为金属电阻率，随温度而改变
 LF 、LB为被测金属和补偿试块的长度，为常数
SF 、SB为被测金属3和补偿试块2的截面积，SF随着金属的腐蚀厚度减薄而减小，SB为常数（补偿试块2不参与腐蚀） 
                            
Figure 465333DEST_PATH_IMAGE006
                                （1）
由于： 
                                           
其中：HF是被测金属3管壁厚度，⊿YF是被测金属3展开截面宽度。WF为整体被测金属展开截面宽度。
电流元⊿I在整体被测金属展开截面宽度WF积分，得到总电流IF
Figure 656985DEST_PATH_IMAGE008
得到
Figure 735799DEST_PATH_IMAGE009
（2）
IH＝IF                                                                                              （3）
由于被测金属和补偿试块2是串联，电流相等
由式（1）、（2）、（3）可得：
Figure 358410DEST_PATH_IMAGE010
                                                            （4）  
由于LB×SB是补偿试块2的体积，不腐蚀，不变；LF×WF被测金属的长和宽，不腐蚀，不变；故K= (LB×SB)÷(LF×WF)可在初次检测时（未被腐蚀时）进行标定。
Figure 130057DEST_PATH_IMAGE011
标定后得到公式
                                                        （5） 
其中UF0、UB0为被测金属3和补偿试块2的初次检测响应电压（未被腐蚀时），HF0为被测金属的原始管壁厚度（未被腐蚀时），UF、UB为被测金属3和补偿试块2的正常检测时响应电压，HF为被测金属的当前管壁厚度；根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。
我们用管道做了腐蚀试验；金属腐蚀面检测仪进行了测量，结果验证了测厚公式的正确性。
铁板涮酸腐蚀实验；
初始图表：32点阵，形成28柱图；每一柱体表示量探针之间的管道单元，柱体高即为管道厚度。管道初始厚度6.5mm。
 
刷酸结束，减薄已经可以识别；且实测厚度与公式计算结果吻合。

Claims (3)

1.探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测仪，包括探针组、采集器及检测电路，其特征在于所述的探针组由多个呈矩阵分布的探针构成，探针为柱状电极，用于测试金属的壁厚；所述的补偿试块设置在被测管道的表面，其一端与被测管道紧密连接，用于腐蚀试片的温度补偿；所述的激励信号电极，用于提供激励信号；所述的探针通过连接器与采集器连接；所述采集器包括：壳体、连接器接口及通讯线接口，采集器与上位机进行通讯连接；检测电路设置在电路板上，电路板设于壳体密闭空间内；所述检测电路包括：柱状电极的电极间被测金属的电阻及补偿试块电阻，二者串联后与恒流源相连，在被测金属的电阻及补偿试块电阻上产生的电压信号采用差分输入的方式分别送至第1放大器及第2放大器的输入端，第1放大器及第2放大器的输出信号经再次放大、调制及A/D转换后与中央处理器的信号输入端相连，中央处理器根据输入信号的大小控制恒流源的输出，通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接；所述被测金属、柱状电极及补偿试块为同种金属材质。
2.探针呈矩阵分布的金属面壁厚测量方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将被测金属及补偿试块，同时置于温度相同的检测介质中；
（2）对被测金属及补偿试块施加同一激励信号；获取被测金属及补偿试块两端的激励响应信号，计算被测金属的减薄量；
（3）根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。
3.按权利要求2所述的探针呈矩阵分布的金属面壁厚检测方法，其特征是：
通过公式：
Figure 914822DEST_PATH_IMAGE001
 
计算被测金属的减薄量，其中UF0、UB0为被测金属和补偿试块的初次检测响应电压，HF0为被测金属的原始管壁厚度，UF、UB为被测金属和补偿试块的正常检测时响应电压，HF为被测金属单元的当前管壁厚度，整个矩阵测量，可得整个矩阵平面的腐蚀情况。
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