CN108318529B

CN108318529B - 用于电压检测的温度补偿方法、电场指纹检测方法及系统

Info

Publication number: CN108318529B
Application number: CN201810108252.4A
Authority: CN
Inventors: 李焰; 吴承昊; 姚万鹏; 李亚东
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: Endy Testing Technology Qingdao Co ltd
Priority date: 2018-02-02
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: CN108318529A

Abstract

本发明提供的用于电压检测的温度补偿方法，该方法根据材料特性以及金属电阻率随时间而发生变化的规律，用回归分析的方法建立一个温度与电压变化的关系方程，而后通过推导得到温度补偿方程，并基于实测温度对采集电压进行温度补偿。新的补偿方式不会受到现场环境复杂性的影响，而且更简单直接在监测采集数据过程中进行补偿，受人员和人工操作的影响小，不仅可以提高温度补偿的精度而且能够更好的保证其稳定性，并且通过新的补偿方法减少了参比电极对的安装，减小了外加因素对现场的影响，提高安全性。本方法能更准确的反应温度的实时变化对电压信号的影响，同步性好，且施工难度低，无需外部的额外安装，节省了材料成本和安装成本，经济性好。

Description

用于电压检测的温度补偿方法、电场指纹检测方法及系统

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体的为一种检测电压的温度补偿方法以及应用于检测领域的电场指纹检测方法和系统。

背景技术

电场指纹(FSM)检测技术是一种新型的无损检测技术，主要依据被测对象表面微小电压变化，对金属结构的缺陷、裂纹、腐蚀以及它们的扩展情况进行高精度的检测。电场指纹(FSM)检测技术可实现在线实时监测且监测精度及准确性高，可辨别不同的腐蚀类型。

电场指纹技术采集的是金属结构因为腐蚀缺陷的发生、发展所引起的监测对象表面的电压变化。当金属结构受到腐蚀时，即结构厚度发生变化时，可以测量出表面的电压变化，通过与金属结构初始的电压值比较，可以进一步研究电压值变化量与结构壁厚减薄量之间的关系。

上式中I是恒定的激励电流，长度L、宽度W是根据采集矩阵的有效检测区面积所确定的固定值，当温度恒定时电阻率ρ是常数，则电压的变化仅与被测金属结构的壁厚T成反比。但当温度发生变化时，电阻率ρ会随之变化，使得检测电压的变化还与ρ的变化有关，从而影响对金属结构壁厚减薄的判断，所以有效的温度补偿是必不可少的。

现有技术中，温度补偿的方法通常都是在被测部位附近安装一块与被测物体材质相同的参考板(或采用被检测结构上的某一段)，然后在参考板上安装参考电极，通过被测物体本身的测量电极的测量值与参考电极的测量值的比较来做温度补偿，但这需要参考板与被测部位的环境参数保持一致，且在检测过程中不能受到任何形式的损伤、破坏。这种温度补偿方法存在以下不足：

(1)温差极不稳定。在实际应用中，由于工艺环境和被测结构的复杂性以及各自传热和散热条件不尽相同，参考板的温度和被测对象检测部位的温度存在一定差异；而且参考板属于额外的硬件安装，其安装位置和检测结果的监测很大程度依赖于人工经验，如果安装过程有偏差，会因为现场的复杂性及参考板本身随着时间的变化而加大温度补偿的误差，而额外的硬件安装也会对被测物产生一些影响。

(2)忽略了服役环境的腐蚀性带来的影响。当参考板长期暴露在具有腐蚀性的服役环境中时，根据参考电极定义的参考板检测区面积所确定的长度L、宽度W和壁厚T将由于参考板的腐蚀将不再是固定值，此时参考板电压的变化不仅受温度的影响，还要受参考板的外形参数的变化影响。这也给准确的温度补偿带来一定困难。

综上，这种温度补偿方法稳定性不好，而且对于安装的需求很高，有较多的不确定因素。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中，基于参考板的温度补偿方法的不足，提供一种基于电场指纹技术采集电压的新的温度补偿方法，并结合无损检测技术领域的具体应用提供一种采用该温度补偿方法的无损检测方法，可对检测结果进行精确补偿，以修正检测结果的温度补偿方法。

为了实现以上作用，本发明提供以下技术方法：

用于电压检测的温度补偿方法，用于修正由于温度变化引起的金属电压采集结果的变化，所述温度补偿方法包括以下步骤：

在模拟软件中建立待检测金属材料的仿真模型，并在模型上布置电压采集矩阵；

模拟不同的温度，并获取电压采集矩阵反馈的不同温度下的电压值；

根据不同温度下电压值与其的对应关系，采用回归分析的方法，拟合出温度-电压回归方程：U＝a+b*T+c*T²，其中，T为可变温度值，U为温度T下电压采集电极反馈的测量电压值，a、b和c为与金属材料有关的补偿系数，通常根据进行的回归分析中所获得的回归方程中所获得，因不同的金属材料而不同；

取任意两个时刻的温度值和电压值代入温度电压回归方程，两式相减得到下面这个方程：

ΔU＝U₁-U₂＝(T₁-T₂)[b+c(T₁+T₂)]；其中U₁为t₁时刻的电压值，T₁为t₁时刻的温度值，U₂为t₂时刻的电压值，T₂为t₂时刻的温度值；

以初始时刻的数据为参考，则推出温度补偿方程为：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

其中U_补为补偿后的电压值，U_实为实时采集到的电压值，T_实为实时的温度值，T₀为初始时刻的温度值。

根据实时电压值U_实、温度值T_实，以及起始时刻的温度T₀，计算完成温度补偿后的电压U_补。

作为优选：建立不同的金属材料仿真模型，并根据上述步骤分别进行温度补偿方程的推导；根据所得的不同金属材料的温度补偿方程建立温度补偿数据库，按不同金属材料种类进行分类。

电场指纹检测系统，用于进行金属腐蚀检测，包括温度采集单元和电压采集单元，进一步包括温度补偿单元；所述温度补偿单元包括：

初始数据存储单元：用于存储检测开始时刻的温度值以及电压值；

实时数据获取单元：用于获取温度检测单元和电压检测单元的实时采集数据，包括电压数据和温度数据；

补偿方程存储单元：存储金属材料对应的温度补偿方程，所述温度补偿方程为：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

其中U_补为补偿后的电压值，U_实为实时采集到的电压值，T_实为实时的温度值，T₀为初始时刻的温度值；根据实时电压值U_实、温度值T_实，以及起始时刻的温度T₀，计算实时的温度补偿后的电压U_补。其中对于待检测物的温度采集是通过在待测物上布置温度传感器网络来实现的，通过传感器将物理信号转换成电信号来实现实时采集。

补偿计算单元：用于调用补偿方程存储单元存储的金属材料对应的温度补偿方程、初始数据存储单元存储的起始时刻的温度值T₀以及实时数据存储单元存储的实时电压数据U_实和温度数据T_实，进行补偿电压U_补的计算。

电场指纹检测方法，用于进行金属的腐蚀检测，包括以下步骤：

采用电场指纹检测系统采集初始电压值和温度值；

采用电场指纹检测系统实时采集待检测物的电压值和温度值；

采用上述的电压温度补偿方法对采集到的电压值进行补偿修正；根据修正后的电压值与初始电压值进行比较，以判断待检测物是否受到腐蚀并分析实时腐蚀情况。

其中对于待检测物的温度采集是通过在待测物上布置温度传感器网络来实现的，通过传感器将物理信号转换成电信号来实现实时采集。

本发明的有益效果为：

本发明提供的用于电压检测的温度补偿方法，不易受到现场环境复杂性的影响，受人员和人工操作的影响小，不仅可以提高温度补偿的精度而且能够更好的保证其稳定性，并且通过新的补偿的方式减少了参比电极对的安装，减小了外加因素对现场的影响，提高安全性。

本方法能更准确的反应温度的实时变化对电压信号的影响，同步性好，且施工难度低，无需外部的额外安装，节省了材料成本和安装成本，经济性好。

附图说明

图1(a)为仿真模拟Q235钢20℃时电压图；

图1(b)为仿真模拟Q235钢30℃时电压图；

图1(c)为仿真模拟Q235钢40℃时电压图；

图1(d)为仿真模拟Q235钢50℃时电压图；

图1(e)为仿真模拟Q235钢60℃时电压图；

图1(f)为仿真模拟Q235钢70℃时电压图；

图1(g)为仿真模拟Q235钢80℃时电压图；

图1(h)为仿真模拟Q235钢90℃时电压图；

图1(i)为仿真模拟Q235钢100℃时电压图；

图2为Q235钢温度与电压拟合曲线。

图3为温度补偿数据库建立流程图；

图4为检测流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种检测电压的温度补偿方法，该方法可以修正由于温度变化引起的电阻率变化对于采集电压值的影响。本发明进一步还提供了一种采用检测电压的温度补偿方法进行检测的检测方法，该检测方法可以极大的提高基于电场指纹技术的检测精度。

首先，本实施例提供了一种检测电压的温度补偿方法，该方法可以应用于对金属检测物的电压检测。

检测电压温度补偿方法，用于修正由于温度变化引起的金属采集电压检测结果的变化，温度补偿方法包括以下步骤：

S1：建立待检测金属的材料模型。

COMSOL是多物理场耦合仿真软件。本发明利用COMSOL仿真软件，在COMSOL仿真软件中建立待检测金属的材料仿真模型，计算有效检测区后在有效检测区上布置电压采集矩阵；例如，如果待检测物为铸钢，则在软件中建立铸钢的材料仿真模型，并对模型俩端通入电流；而为了能够采集外加电场情况下的电压值，在模型上布置电压采集电极或电压采集矩阵，以便可以获取电压值。

S2：模拟不同的环境温度值，并获取不同温度下的电压值。

模拟不同的温度，并获取电压采集矩阵反馈的不同温度下金属材料模型获取的电压值；将这些数据以温度和电压的对应关系进行存储。

本实施例中，以Q235钢为例，来仿真模拟温度变化对电压产生的影响。如图1(a)至图1(i)所示，反应了从20℃到100℃的温度变化过程中，以每10℃为一个区间，随着温度的变化，电压的明显变化。从单个模型中电压值从左到右逐渐升高，整体来看随着温度的升高右侧的颜色明显加深，说明随着温度的升高，电压值变大。

我们对上述所建模型进行网格划分(网格为等尺寸划分)，从有效检测区中提取数据，并对数据进行预处理，理论上在无腐蚀情况下等尺寸采集矩阵下的电极间的电压值相等，而由于随机误差的原因，数值间存在微小差异，为了减小所得数据误差，对相同温度下的数据取平均值，使其更接近当前温度下的真值，获得的温度变化和电压变化的数值对应表，如表1所示：

表1温度变化和电压变化的数值对应表

温度(摄氏度)	电压(伏)	温度(摄氏度)	电压(伏)
				20	0.000001996088	70	0.000002322014
30	0.000002056839	80	0.000002393810
				40	0.000002120404	90	0.000002467178
50	0.000002185589	100	0.000002542569
				60	0.000002252793

S3：拟合电压回归方程。

根据温度值和电压值的对应关系，采用回归分析的方法，拟合出温度电压回归方程。回归分析的软件很多，本实施例中，采用SPSS(Statistical Product and ServiceSolutions)统计分析软件来辅助进行回归分析。将上述采集的不同温度值，和温度值对应的电压值均导入至分析软件中，进行回归拟合。

最终拟合之后的电压回归方程为：

U＝a+b*T+c*T²，其中，T为可变温度值，U为温度T下电压采集电极反馈的测量电压值，a、b和c根据不同金属材料进行的回归分析中所获得的回归方程中所获得，因金属材料的不同而不同。

仍然以Q235钢为例，基于表1中所述数据，对温度和电压关系进行拟合，拟合曲线如图2所示，拟合电压回归方程为：

U＝1.8799*10^-6+5.5977*10^-9*T+1.02997*10^-11*T²。

S4：推导温度补偿方程。

取任意两个时刻的温度值和电压值，分别获得电压回归方程：

U₁＝a+b*T₁+c*T₁ ²；

U₂＝a+b*T₂+c*T₂ ²；

将上述两式相减，得：

ΔU＝U₁-U₂＝(T₁-T₂)[b+c(T₁+T₂)]；表示因温度变化而引起的电压变化量。则推出温度补偿方程为：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

S5：温度补偿计算。

采用S4中推导得到的温度补偿方程对实时采集的电压值进行补偿，根据实时电压值U_实、温度值T_实，以及起始时刻的温度T₀，计算实时的温度补偿后的电压U_补。以上计算过程的原理为：以起始时刻的温度值T₀作为基准，补偿因温度变化而引起的电压变化量；而由于温度的升高将导致电压变大，因此，采用实时的电压测量值U_实减去由于温度变化引起的电压变化量，即得到补偿修正之后的电压值。

本实施例中，对Q235钢拟合得到的温度补偿方程为：

U_补＝U_实-(T_实-T₀)[5.5977*10^-9+1.02997*10^-9(T_实+T₀)]；

由于金属的种类不同，金属的性质差异较大。作为温度补偿方法的进一步改进，为了能够实现不同种金属的电压温度补偿，建立温度补偿数据库，按金属材料种类分别存储每种金属材料的温度补偿方程。数据库建立流程如图3所示。建立不同的金属材料仿真模型，分别进行温度补偿方程的推导；存储在温度补偿数据库中，当需要应用某种金属的温度补偿方程时，直接从温度补偿数据库中调用即可。

本发明进一步提供一种电场指纹检测系统及采用该检测系统进行电场指纹检测的方法。

电场指纹检测系统包括硬件部分和软件部分，其检测原理为通过在被测物上设置电压采集矩阵，通过采集被测物的电压，分析其电压变化，来判断被测物的实时腐蚀情况。

本实施例中其中硬件部分基于美国国家仪器公司的PXI/PXIe模块化仪器搭建，其性能稳定，采集精度高；软件部分基于LabView软件平台编写，能够与硬件很好的联系在一起，并且可以有效调用温度补偿数据库。

具体说，电场指纹检测系统，包括温度检测单元和电压检测单元，并进一步包括温度补偿单元。其中温度检测单元和电压检测单元分别用于采集被测物的温度值和电压值。

具体的说温度补偿单元包括：

初始数据存储单元：用于存储检测开始时刻的温度值以及电压值，也就是起始时刻温度值T₀和电压值U₀；

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

其中U_补为补偿后的电压值，U_实为实时采集到的电压值，T_实为实时的温度值，T₀为初始时刻的温度值；根据实时电压值U_实、温度值T_实，以及起始时刻的温度T₀，计算实时的温度补偿后的电压U_补。而为了可以提高系统的通用性，可以进一步将补偿方程存储单元设计为温度补偿数据库，根据待测金属的不同，调用不同金属的温度补偿方程，进行计算。

补偿计算单元：用于调用补偿方程存储单元存储的金属材料对应的温度补偿方程、初始数据存储单元存储的起始时刻的温度值T₀以及实施数据存储单元存储的实施电压数据和温度数据，进行补偿电压U_补的计算。

电场指纹检测方法，基于电场指纹检测系统进行金属的检测，具体流程参考图4，包括以下步骤：

采用电场指纹检测系统采集被测物初始温度值和电压值；采用电场指纹检测系统实时采集待检测物的电压值和温度值；

采用上述的电压温度补偿方法对采集到的电压值进行补偿修正；根据修正后的电压值与初始电压值进行比较，以判断待检测物是否受到腐蚀。如果待测受到腐蚀，这种腐蚀将反应在电压的变化上，例如，随着时间的推移被测部分会发生腐蚀，则被检测部分随着壁厚的减薄，电阻将增大(根据电阻公式可得)，这样所采集到的电压值也随之增大，根据电压值的变化我们来判断腐蚀的具体情况。而修正后的补偿电压可以更精确的逼近腐蚀后的采集电压的真值，有效提高监测精度。

由于采用了新的补偿方法，无更多额外因素的影响，因此采用本发明提供的电场指纹无损检测系统和检测方法进行检测，不受现场环境复杂性的影响，安全性高，稳定性好，可以有效提高电场指纹检测系统的检测精度。

Claims

1.用于电压检测的温度补偿方法，用于修正由于温度变化引起的金属电压变化而对检测结果造成的影响，其特征在于，所述温度补偿方法包括以下步骤：

在模拟软件中建立待检测金属材料的仿真模型，计算有效检测区后在有效检测区上布置电压采集矩阵，并于模型两端馈入激励电流；

模拟不同的温度，并获取电压采集矩阵在不同温度下的电压值；

根据不同温度下电压值与其的对应关系，采用回归分析的方法，拟合出温度-电压回归方程：U＝a+b*T+c*T²，其中，T为可变温度值，U为温度T下电压采集矩阵获取的电压值，a、b和c为和金属材料有关的补偿系数；

取任意两个时刻的温度值和电压值代入温度电压回归方程，并相减得：

以初始时刻的数据为参考，则推出温度补偿方程为：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

2.如权利要求1所述的用于电压检测的温度补偿方法，其特征在于：所述温度补偿方法进一步包括以下步骤：

建立不同的金属材料仿真模型，分别进行温度补偿方程的推导；

根据所得的不同金属材料的温度补偿方程建立温度补偿数据库，按不同金属材料种类进行分类。

3.电场指纹检测方法，用于进行金属的腐蚀检测，其特征在于，包括以下步骤：

采用电场指纹检测系统采集初始电压值和温度值；

采用权利要求1或2所述的电压温度补偿方法对采集到的电压值进行补偿修正；

根据修正后的电压值与初始电压值进行比较，以判断待检测物是否受到腐蚀及腐蚀程度。

4.电场指纹检测系统，用于进行金属腐蚀检测，包括温度采集单元和电压采集单元，其特征在于，进一步包括温度补偿单元；所述温度补偿单元采用权利要求1或2所述的温度补偿方法，对温度进行补偿，所述温度补偿单元包括：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

其中U_补为补偿后的电压值，U_实为实时采集到的电压值，T_实为实时的温度值，T₀为初始时刻的温度值；根据实时电压值U_实、温度值T_实，以及起始时刻的温度T₀，计算实时的温度补偿后的电压U_补；b和c为和金属材料有关的补偿系数；ΔU表示任意两个时刻的温度值和电压值代入温度电压回归方程，相减后所得的差；

5.如权利要求4所述的电场指纹检测系统，其特征在于，所述电场指纹检测系统进一步包括温度补偿数据库，用于按材料种类分别存储每种材料的温度补偿方程。