CN108318570A

CN108318570A - 一种基于挂片的模块化电场指纹检测系统及检测方法

Info

Publication number: CN108318570A
Application number: CN201810108250.5A
Authority: CN
Inventors: 李焰; 吴承昊; 李亚东; 姚万鹏
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: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: CN108318570B

Abstract

本发明提供了一种将腐蚀挂片法与电场指纹法相结合的检测系统和检测方法。在腐蚀挂片上设置电压采集电极矩阵和温度传感器，并将挂片置于被同步检测的腐蚀环境中。通过矩阵开关控制电压采集电极矩阵与数据采集模块之间的通断，检测挂片在加载激励电流后的实时电压及其变化，可以有效的捕捉到局部腐蚀的萌生以及发展过程，能够有效的对局部腐蚀进行跟踪并研究其腐蚀机理。本模块化电场指纹检测系统，具有激励小、精度高、一体化、可靠性好、安全性高等优点，采用高性能控制器，可根据需求编程获得实时信息，能够准确获得环境参数的实时数据，有更好的温度补偿体系，便于装置、设备和构件的局部腐蚀研究。

Description

一种基于挂片的模块化电场指纹检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，涉及检测系统和方法，具体的为一种模块化检测系统和检测方法。

背景技术

腐蚀挂片法是最经典、最常用的腐蚀研究、监测和评价方法，在基础设施建设、船舶与海洋工程、石油化工等流程工业中的应用最为广泛。腐蚀挂片的材质一般与被监测对象的材质相近或相同；为适应不同监测情况，挂片的类型可选择平板状、片状等类型；挂片的方向不宜影响流体的流动，一般选择挂片的大平面平行于液流方向。挂片的放置时间不固定，以腐蚀程度决定挂片的持续时间，一般需数月甚至半年。通俗的讲，腐蚀挂片法通过在被监测对象的指定位置设置金属挂片，在指定的腐蚀环境中暴露一段时间后取回挂片，通过挂片的被腐蚀情况来推断被监测对象的腐蚀情况。这种腐蚀检测技术价格低廉，操作简单，数据可靠性高，可同时对多种材料进行实验，适用于各种介质。但是，它也存在着测试时间较长，提供的腐蚀数据有限，不能及时反映瞬时腐蚀速率和环境条件或工艺参数变化对腐蚀的即时影响，难以实现实时监测，无法检测到腐蚀的萌生和发展，不能提供腐蚀机理信息，尤其是挂片法的检测分析需要在离线条件下进行，不能及时的提供安全预警信息。

电场指纹(FSM)检测技术是一种新型的无损检测技术，通过在被监测对象上设置采集矩阵，采集被监测对象的电流和电压。而若被监测对象被腐蚀，这种腐蚀将反应在电流和电压的变化。电场指纹腐蚀监测技术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，这种监测方法可实时反馈被监测对象的电压、电流等数据，实现在线实时监测且监测精度及准确性很高，可辨别不同的腐蚀类型。由于被检测区域的等效电阻非常小，因此，无论是长期以来从国外引进的设备还是国内新近研发的设备，都是通过加大馈入电流来保证响应电压的采集精度，电流的数量级一般都在10A～250A之间。而馈入电流过大容易引起金属试件的焦耳热效应等变化，对数据采集造成干扰，并且激励电源本身的波动所带来的影响也不容忽略，因此对于电流的稳定性及温度补偿就存在很高的要求。此外，通常需要单独配置高输出电流电源，设备集成度不高、操作不便，操作人员的人身安全问题也需要引起足够重视。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中挂片法的不足和电场指纹法无损检测技术现阶段存在的一些问题，提供一种可实时检测被测对象的腐蚀情况，弱激励、高精度、一体化的电场指纹检测系统及检测方法。

为了实现以上作用，本发明提供以下技术方案：

模块化检测系统，包括可安装于被检测自然腐蚀环境或工艺腐蚀环境中的挂片，所述挂片的两端设置有电流馈入电极及电流馈出电极，用以为挂片加载激励电流；所述挂片上设置有电压采集电极矩阵和温度传感器，用以检测挂片在加载激励电流以后的电压响应和实际温度；进一步包括数据处理模块及数据采集系统，所述数据采集系统包括电源模块、高速矩阵开关模块、万用表模块和多通道温度采集模块，电源模块的输出端分别与挂片两端的电流馈入电极和电流馈出电极连接，高速矩阵开关模块的输入端分别与电压采集电极矩阵的每一个电极连接，输出端与万用表模块连接，多通道温度采集模块与温度传感器连接，数据采集系统采集的数据均传递至数据处理模块；所述数据处理模块包括：

初始数据存储单元：用以存储检测系统启动时数据采集系统采集的初始数据；

实时数据存储单元：用以存储检测系统检测过程中数据采集系统采集的实时数据；

腐蚀结果反馈单元：用以根据初始数据存储单元及实时数据存储单元数据的比较结果反馈挂片的实时腐蚀情况。

作为优选：所述控制器进一步包括温度补偿单元，包括：

补偿方程存储单元：按金属种类存储温度补偿方程，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，b和c是与金属材料有关的温度补偿系数；

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和温度数据，进行补偿电压U_补的计算。

作为优选：所述检测系统进一步包括腐蚀环境参数传感器，所述腐蚀环境参数传感器的探头与所述挂片并列安装于同一被检测腐蚀环境的指定位置，所述数据采集系统进一步包括多通道电压采集模块和多通道电流采集模块，腐蚀环境参数传感器包括环境温度传感器、湿度传感器、风速传感器、盐度传感器、压力传感器、氧化还原电位传感器、酸碱度传感器、溶解氧传感器、流速传感器；电压型环境参数传感器与多通道电压采集模块连接，电流型环境参数传感器与多通道电流采集模块连接，环境温度传感器与多通道温度采集模块连接。

作为优选：所述数据处理模块采用PXIe处理器；所述电源模块采用PXIe可编程电源模块；所述高速矩阵开关模块采用PXI高速矩阵开关模块；所述万用表模块采用PXIe数字万用表模块；所述多通道温度采集模块采用PXIe温度采集模块；所述多通道电压采集模块采用PXIe电压采集模块；所述多通道电流采集模块采用PXIe电流采集模块；所述PXIe处理器、PXIe可编程电源模块、PXI高速矩阵开关模块、PXIe数字万用表模块、PXIe温度采集模块、PXIe电压采集模块、PXIe电流采集模块集成在PXIe机箱内。

作为优选：所述挂片的材质与指定腐蚀环境中指定装置、设备或构件的材质相同。

电场指纹检测方法，采用上述的模块化检测系统而实现，包括以下步骤：

将挂片安装于指定的腐蚀环境、指定的工作位置，对挂片加载电源模块输出的激励电流；

通过矩阵开关的控制，用万用表模块获取电压采集电极矩阵的电压值；所述电压值包括电极采集矩阵任意两个采集电极之间的初始电压值和实时电压值；

若实时电压值相对于初始电压值发生变化，则判断挂片受到腐蚀。

作为优选：数据采集系统进一步采集挂片的实际温度值，所述温度值包括挂片初始温度值和挂片实时温度值，根据温度补偿方程计算补偿电压：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

其中，对于挂片的温度采集是通过在挂片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。

若实时电压补偿值相对于初始电压值发生变化，则判断挂片受到腐蚀。

作为优选：电场指纹检测方法进一步包括以下步骤：根据发生变化的实时电压值所对应的电压采集电极矩阵上的电极的位置，来映射腐蚀的位置和特征尺寸。

作为优选：电场指纹检测方法进一步包括以下步骤：根据发生变化的补偿后的实时电压值所对应的电压采集电极矩阵上的电极的位置，来映射腐蚀的位置和特征尺寸。

作为优选：基于检测方法的检测系统可以收集并存储腐蚀环境参数传感器反馈的数据，分析腐蚀环境参数变化对腐蚀过程和速度的影响，研究其机理，完善腐蚀数据库。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将挂片法与电场指纹法相结合，对被测件进行实时检测，可以有效的捕捉到点蚀的萌生以及发展过程，能够有效的对点蚀的进行检测并研究其腐蚀机理，弥补挂片法的不足。该方法将挂片法和电场指纹法各自的优点都发挥出来，采集丰富的腐蚀数据，有效的采集腐蚀的动态数据，可极大的提高金属腐蚀机理的研究效率，并且能够及时反映不同参数变化所带来的影响，收集并分析给腐蚀控制提供更加有效的实时数据，给现场安全提供更加有效技术支持。

(2)本模块化腐蚀检测系统，具有激励小、精度高、集成度高、可靠性好、安全性高等优点，采用高性能控制器，可根据需求编程获得实时信息，以便分析研究。对挂片进行实时检测，可获得腐蚀的实时信息，当下参数变化对腐蚀的影响可得到迅速反馈并记录分析，可根据实际情况的要求对硬件系统进行调整，不仅能获得实时的腐蚀信息来进行调控，且能极大的提高对腐蚀机理的研究效率，丰富腐蚀大数据。

(3)可根据不同腐蚀环境、不同被测物，定制不同的挂片方案，更好的记录环境参数变化对腐蚀的影响，并结合测试方法能更加有效的精确检测局部腐蚀。

(4)测试系统由采用PXIe总线技术的模块化仪器组成，支持灵活的重新配置，易于搭建，可靠性高，性价比高。基于PXIe总线技术，使其具有级别更高、定义更严谨的环境一致性指标，符合产业环境下振动、撞击、温度与湿度的极限条件。

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；

图5为挂片结构示意图；

图6为检测系统结构示意图；

图7为检测流程图；

图8为电流密度及电压等势切片图。

其中，1-挂片，2-电压采集电极矩阵，3-馈入电极，4-馈出电极，5-腐蚀环境参数传感器矩阵，6-多通道电压采集模块，7-多通道电流采集模块，8-恒流源，9-温度采集模块。

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。

本发明提供了一种基于挂片法的电场指纹检测系统和检测方法，该系统和方法可实现被测物损伤的实时在线检测，具有集成度高、反应快、激励小、检测精度高等优点。

本实施例首先提供一种检测系统，该检测系统可用于石油管道等领域金属被测物的腐蚀检测，适用于自然环境腐蚀检测和实验室内腐蚀机理研究等。

模块化检测系统，是一种腐蚀挂片法与电场指纹法相结合的检测系统。包括可悬挂于被检测物上的挂片1，以及与挂片1连接，为挂片1提供电流的电源模块。挂片结构参考图5，根据挂片1的尺寸在挂片上设置有电压采集电极矩阵2，电压采集电极矩阵2的范围即为挂片试样的有效检测区域；电压采集电极矩阵类似于电场指纹法的采集矩阵，其作用是测量挂片1上反馈的电流或电压指标。本实施例中，电压采集电极矩阵直接焊接在挂片试样上。进行检测工作时，挂片1被悬挂于被测物上，由于和被测物处于同样的工作环境，如果被测物受到损伤，挂片1将会受到与被测物相同或相近似损伤。而为了可以更准确的反应被测物的损伤情况，挂片1的材质与被检测对象相同或性质相似的材质。

进行检测工作时，需要为挂片1外接恒流源8，基于此，挂片1上设置有馈入电极3及馈出电极4，电压模块与分别与挂片的馈入电极3及馈出电极4连接，用以为挂片1外接电流。馈入电极3及馈出电极4是不同于电极采集矩阵2的两个单独的电极，分别设置在挂片1的两端。本实施例中，电压模块采用可编程直流电源PXIe-4112，PXIe-4112直流电源中具有2条隔离通道，每个隔离通道可以产生小至10mV以内、大至1A的可调的恒流源，PXIe-4112具有16位分辨率，既可设定输出的电流值和限定电压，亦可实时回显实际输出的电流和电压，其在系统作用为负责给待测挂片通入1A以内可设置的稳定直流电。

腐蚀的结果是通过挂片1上电压采集电极矩阵2反馈的电压值或电流值来进行判断的。基于此，检测系统进一步包括处理器及数据采集系统，以采集挂片1反馈的电流或电压。检测系统结构参考图6。

所述数据采集系统包括矩阵开关模块、万用表模块和温度采集模块。温度采集模块用以采集环境温度，万用表模块采集的电压数据和温度采集模块采集的温度数据均传递至处理器。

矩阵开关模块的每一个开关输入点连接电压采集电极矩阵中的一个电极，输出端与万用表模块连接，万用表模块每次可以采集矩阵开关模块上任意两个开关之间的电压，也就是采集矩阵上任意两个矩阵点之间的电压。具体的说，矩阵开关模块结合万用表模块主要用于采集被测对象因腐蚀变化而引起的电位变化。本实施例中，矩阵开关模块采用PXI-2535高速矩阵转换开关，万用表采用PXIe-4081数字万用表。PXIe-4081是一款71/2位精密数字万用表，可快速准确地进行±10nV到1000V范围内的电压测量、±1pA到3A范围内的电流测量、10μΩ到5GΩ的电阻测量以及频率/周期和二极管测量；在高电压隔离数字化仪模式下，PXIe-4081能以1.8MS/s的采集速率进行波形采集。在系统中PXI-2535低噪声矩阵开关模块可以其高达50,000个交叉点/秒的切换速度来对多达136个的采集电极进行自由切换，其具体切换方式可根据需求编程设定，多个PXI-2535并用可以扩展更多数量的电极采集通道。将PXIe-4112、PXIe-4081和PXI-2535一同使用，可创建高达±12VDC/8VAC、多达136个电极且可扩展的高密度自动化测试系统。

温度采集模块主要用于挂片在腐蚀环境中的温度。电场指纹技术采集的是金属挂片自身电阻与激励电流乘积而得到的电压信号，那么对温度的补偿就有了很高的要求。金属材料的电阻率会随温度的变化而变化，因此需要精确的采集挂片的温度，为了更精确的反应检测结果，更好的方法是选择合适的温度补偿方法对数据采集结果进行修正。本实施例中，温度采集模块包括现场温度传感器和用于采集现场温度传感器数据的PXIe-4357温度探测器。现场温度传感器的探头固定在待测挂片上。PXIe-4357可与2线、3线和4线RTD测量兼容、自动探测与通道连接的RTD类型并可自动把每条通道配置成恰当的模式。

更进一步，数据采集系统还包括多通道模拟电流采集模块7、多通道模拟电压采集模块和腐蚀环境参数传感器矩阵5。其中，腐蚀环境参数传感器矩阵包括环境温度传感器、湿度传感器、风速传感器、盐度传感器、压力传感器、氧化还原电位传感器、酸碱度传感器、溶解氧传感器、流速传感器；电压型环境参数传感器与多通道电压采集模块连接，电流型环境参数传感器与多通道电流采集模块连接，温度传感器与多通道温度采集模块连接。腐蚀环境参数传感器矩阵用于采集被测物工作环境中的盐度、压力及湿度等环境指标。由于腐蚀环境的复杂性这里我们选取多种不同影响因素的传感器，传感器将各种环境因素转换为电压或电流信号，通过分别采集模拟电压信号和模拟电流信号来实时采集如盐度、压力、湿度、PH值等不同环境因素的变化数据，进而分析不同环境因素变化对腐蚀的不同影响。本实施例中，多通道模拟电流采集模块采用PXIe-4309模拟电压采集模块、多通道模拟电流采集模块采用PXIe-4303模拟电流采集模块。PXIe-4309和PXIe-4303分别属于多通道、高精度、高采样率的模拟电压输入模块和模拟电流输入模块，可根据不同环境因素，搭配不同传感器来进行连接设置。

上述万用表、温度传感单元、多通道模拟电压采集模块、多通道模拟电流采集模块采集的数据均传递至数据处理模块。

本实施例中处理器采用PXIe-8840中央处理器。PXIe-8840中央处理器、PXI-2535高速矩阵转换开关，PXIe-4081数字万用表、PXIe-4112直流电源、均集成在PXI机箱中。这种模块化的结构设计有利于系统的扩展和维护。

为了实现本发明的功能，所述数据处理模块具体包括：

初始数据存储单元：用以存储检测系统启动时数据采集系统采集的数据；初始数据存储单元是指检测系统启动运行时所采集的第一组数据，包括初始温度、初始电流和初始电压、初始环境参数等。初始数据存储单元将存储每个电极的具体测量数据。由于初始工作时，被测物是没有被损伤的，因此，初始数据将作为后续判断被测物是否被损伤的参考数据。

实时数据存储单元：用以存储检测系统检测过程中数据采集系统的实时采集数据；实时数据存储单元存储的数据量大，包括实时温度、实时电压、实时电流、实时环境参数等。

腐蚀结果反馈单元：用以根据初始数据存储单元及中间数据存储单元数据的比较结果反馈被测物的损伤结果。被测物的电阻与温度、被损伤情况有关，这种变化将通过实时电压和实时电流反馈，因此，基于实时数据与初始数据之间的差异，可以反馈实时腐蚀情况。

受金属特性的影响，在环境温度变化或金属自身温度变化的情况下，金属电压会会随之发生改变，而此时采集到的电压值并不能实时精准反馈待检测物的可靠电压值。解决这个问题的办法是对数据采集单元采集的电压值进行温度补偿。

本发明可实施在不同的自然环境、工艺环境中，而针对不同的腐蚀环境，对检测系统的硬件组成会有所变化，例如土壤环境中，我们会针对湿度、微生物等环境参数进行检测并根据实时的腐蚀数据进行腐蚀机理的研究；海洋环境中，我们会针对盐度、含氧量等环境参数进行检测并根据实时的腐蚀数据进行腐蚀机理的研究；硫回收工艺环境中，我们会针对介质浓度、流速等参数进行检测并根据实时的腐蚀数据进行腐蚀机理的研究。

其中，本发明中的模块化电场指纹检测系统具有高精度的特点，特别适合在实验室内进行相关腐蚀研究，有效提高腐蚀研究效率。

因此，作为本发明的一种更优的方案，控制器进一步包括温度补偿单元，由于金属的温度和电压特性与金属种类有关，因此温度补偿单元内根据金属的种类存储温度补偿模型。

温度补偿模型的推导过程如下。

S1：建立待检测金属的材料模型。

COMSOL是多物理场建模软件。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，则在仿真软件中建立铸钢的材料模型，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t1和t2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)]；其中，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是与金属材料有关的温度补偿系数，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。

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模型时，直接从温度补偿数据库中调用即可。

基于此，为了实现温度补偿的功能，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是与金属材料有关的温度补偿系数；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；

补偿计算单元：用于调用补偿方程存储单元存储的温度补偿方程、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时电压数据和温度数据，进行补偿电压U_补的计算。

基于上述电场指纹检测系统，可以实现被测物的实时检测。进行检测时，将检测系统的挂片挂在被测物上，挂片与被测物处于同样的工作环境。由于挂片与被测物采用了相同或相似的材质，挂片与被测物在同样的工作环境中被腐蚀情况将向近似。因此，通过实时采集挂片的电压、电流，结合环境参数，可以反映挂片的被腐蚀情况。而一旦挂片被腐蚀，被测物同样也会被腐蚀。将PXIe-4112的电流输出端正负极分别连接待测挂片两端的电极上，PXI-2535的列通道C₀～C_(n-1)(n为采集电极的数量)分别连接采集矩阵中的每一个采集电极。测量时，将PXI-2535的两个行通道R₀和R₁接到精密数字万用表PXIe-4081的两个电位输入测量端上进行测量，电位输入的低电位测量端连接在PXIe-4112的电源负极。PXIe-4357、PXIe-4309和PXIe-4303连接相对应的传感器，并分别将传感器探头固定在待测挂片上。获取电压数据时，切换采集矩阵接通开关，来控制万用表采集不同电极之间的电位差。

以下，将详述采用本发明的检测系统进行被测物检测的方法。

电场指纹检测方法，采用上述的模块化检测系统而实现，概况的说，检测方法通过初始状态的数据采集并保存作为原始数据(对比数据)；然后，实时的连续采集数据，对数据进行预处理后，判断是否进行复扫，而后将所有采集数据储存并通过编写的算法(基于数据挖掘和模式识别)分析并与原始数据进行对比；最后，根据分析结果判断当下的腐蚀情况及腐蚀类型，并判断是否需要预警。具体包括以下步骤：

SS1：检测初始化。

将挂片置于与被测物同样的工作环境，根据用户的测试需求分别对万用表、矩阵开关模块(初始化矩阵开关模块的采集通道)、温度采集模块和各个腐蚀环境参数传感器矩阵以及外部恒流源进行初始化设置，然后打开外部恒流源对待测挂片通电。

SS2：数据采集。

数据采集系统采集电压采集电极矩阵电压值、电流值、温度值及环境参数。

具体的说，多通道电压采集矩阵采集电压采集电极矩阵的电压值，所述电压值包括初始电压值和实时电压值，分别被存储在初始数据存储单元和实时数据存储单元中。

矩阵开关模块采集电压采集电极矩阵的电压值，所述电压值包括初始电压值和实时电压值，分别被存储在初始数据存储单元和实时数据存储单元中。通过切换采集矩阵接通开关，来控制万用表采集不同电极之间的电位差，初试数据存储单元和实时数据存储单元按电极的具体位置来存储电极之间的电位差。例如，可以对每一个采集电极进行编号，或者根据矩阵开关中开关的编号，来存储两个电极之间或两个开关之间的电位差。

温度传感器采集电压采集电极矩阵工作的环境温度值，所述温度值包括初始温度值和实时温度值，分别被存储在初始数据存储单元和实时数据存储单元中。

腐蚀环境参数传感器矩阵采集环境参数指标，包括盐度、湿度、PH值等，同样包括初始数据和实时数据，分别被存储在初始数据存储单元和实时数据存储单元中。

以上数据通过数值显示和绘制图表两种方式显像在上位PC机或远程服务器的人机界面上，并按测试时间和电极(矩阵开关编号)自动保存该次测量数据。

SS3：生成腐蚀检测结果。

如果待测挂片受到腐蚀，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。电流密度及电压等势切片图如图8所示。

若实时电压值相对于初始电压值发生变化，则判断被测物受到损伤。根据发生变化的实时电压值和初始电压之所对应的电压采集电极矩阵上的电极的位置，来映射损伤的尺寸和位置。

具体的说，检测过程中，对挂片通以直流电，通过测量检测区域表面形成的微小电位差，腐蚀的发生会导致挂片电阻发生变化，进而引起电场分布发生改变。来检测电场的分布。

持续的对挂片进行实时检测，将采集到的实时电位数据与初始电位数据比对并本地存储，初扫(一次整体循环的第一次扫描，沿电流方向依次进行扫描采集数据)后判断是否出现局部腐蚀，如果没有出现局部腐蚀则继续重复初扫；如果初始电压值和实时电压值出现差异，则判断出现局部腐蚀，则进行复扫，进而精确捕捉局部腐蚀的位置及算出局部腐蚀的尺寸，以进行腐蚀控制或安全预警，最后通过数据分析研究不同腐蚀情况的腐蚀机理。

对于腐蚀缺陷的尺寸、形状及位置的定位，可以结合电机矩阵上电极的位置而确定。

作为进一步的优选，考虑到温度对电阻的影响，进一步对采集电压进行温度补偿，根据实时电压补偿值相对于初始电压值的变化，判断被测物是否受到腐蚀。

具体的说，数据采集系统进一步采集电压采集电极矩阵工作的环境温度值，所述环境温度值包括初始环境温度值和实时环境温度值，根据温度补偿方程计算补偿电压：

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；b和c是与金属材料有关的温度补偿系数；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，若实时电压补偿值相对于初始电压值发生变化，则判断被测物受到腐蚀。

对于温度补偿的检测方法，可以根据发生变化的实时补偿电压值和初始电压之所对应的电压采集电极矩阵上的电极的位置，来映射腐蚀的尺寸和位置。

采用了电压温度补偿方法的检测方法，可以反馈更精确的检测过程的动态数据。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。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，可以有效提高检测精度。

其中环境参数检测，可根据实时的腐蚀数据(所有数据的采集都会有对应的时间)进行分析，并研究其腐蚀机理，对不同的环境参数对腐蚀的影响进行深入探讨，并丰富环境腐蚀大数据。

更进一步，采集数据可以上传到远程服务器，远程服务器可以同时收集网络内分布在不同区域的多个控制器采集到的电位数据和环境数据，写入数据库，并进行大数据分析，做到多系统综合检测。

本发明结合了挂片法和电场指纹法的优点，对两种检测方法进行了有效的结合。由于采用了基于温度补偿方程的补偿方法，不受外部硬件安装的影响，因此采用本发明提供的电场指纹结合挂片的检测系统和检测方法进行实时、在线检测，不受现场环境复杂性的影响，误差小，安全性好，可以有效提高腐蚀检测精度。

Claims

1.基于挂片的模块化电场指纹检测系统，其特征在于：包括可安装于被检测腐蚀环境中的挂片，所述挂片上设置有电流馈入电极及电流馈出电极、电压采集电极矩阵和温度传感器；进一步包括数据处理模块及数据采集系统，所述数据采集系统包括电源模块、高速矩阵开关模块、万用表模块和多通道温度采集模块，电源模块的输出分别与挂片两端的电流馈入电极和电流馈出电极连接，高速矩阵开关模块的输入端分别与电压采集电极矩阵的每一个电极连接，输出端与万用表模块连接，多通道温度采集模块与温度传感器连接，数据采集系统采集的数据均传递至数据处理模块；所述数据处理模块包括：

初始数据存储单元：用以存储电场指纹检测系统启动时数据采集系统采集的初始数据；

实时数据存储单元：用以存储电场指纹检测系统检测过程中数据采集系统采集的实时数据；

2.如权利要求1所述的基于挂片的模块化电场指纹检测系统，其特征在于：所述控制器进一步包括温度补偿单元，包括：

U_补＝U_实-ΔU＝U_实-(T_实-T₀)[b+c(T_实+T₀)]；

补偿计算单元：用于调用补偿方程存储单元存储的温度补偿方程、初始数据存储单元存储的起始时刻温度值T₀以及实时数据存储单元存储的实时电压数据和温度数据，进行补偿电压U_补的计算。

3.如权利要求1所述的基于挂片的模块化电场指纹检测系统，其特征在于：所述模块化电场指纹检测系统进一步包括腐蚀环境参数传感器，所述腐蚀环境参数传感器的探头与所述挂片并列安装于同一被检测腐蚀环境中，所述数据采集系统进一步包括多通道电压采集模块和多通道电流采集模块，腐蚀环境参数传感器包括环境温度传感器、湿度传感器、风速传感器、盐度传感器、压力传感器、氧化还原电位传感器、酸碱度传感器、溶解氧传感器、流速传感器；电压型环境参数传感器与多通道电压采集模块连接，电流型环境参数传感器与多通道电流采集模块连接，环境温度传感器与多通道温度采集模块连接。

4.如权利要求3所述的基于挂片的模块化电场指纹检测系统，其特征在于：所述数据处理模块采用PXIe处理器；所述电源模块采用PXIe可编程电源模块；所述高速矩阵开关模块采用PXI高速矩阵开关模块；所述万用表模块采用PXIe数字万用表模块；所述多通道温度采集模块采用PXIe温度采集模块；所述多通道电压采集模块采用PXIe电压采集模块；所述多通道电流采集模块采用PXIe电流采集模块；所述PXIe处理器、PXIe可编程电源模块、PXI高速矩阵开关模块、PXIe数字万用表模块、PXIe温度采集模块、PXIe电压采集模块、PXIe电流采集模块集成在PXIe机箱内。

5.电场指纹检测方法，基于权利要求1至4中任意一项所述的模块化检测系统而实现，其特征在于，包括以下步骤：

通过控制矩阵开关的切换，利用万用表模块获取电压采集电极矩阵的电压值；所述电压值包括电极采集矩阵任意两个采集电极之间的初始电压值和实时电压值；

6.如权利要求5所述的电场指纹检测方法，其特征在于：所述数据采集系统进一步采集挂片的温度值，所述挂片温度值包括挂片初始温度值和挂片实时温度值，根据温度补偿方程计算补偿电压，若补偿后的实时电压值相对于初始电压值发生变化，则判断挂片受到腐蚀。

7.如权利要求5所述的电场指纹检测方法，其特征在于：所述检测方法进一步包括以下步骤：根据发生变化的实时电压值所对应的电压采集电极矩阵上的电极的位置，来映射腐蚀的位置和特征尺寸。

8.如权利要求6所述的电场指纹检测方法，其特征在于：所述检测方法进一步包括以下步骤：根据发生变化的补偿后的实时电压值所对应的电压采集电极矩阵上的电极的位置，来映射腐蚀的位置和特征尺寸。

9.如权利要求5所述的电场指纹检测方法，其特征在于：所述检测方法进一步包括以下步骤：根据采集并存储的腐蚀环境参数传感器反馈的数据，分析腐蚀环境参数变化对腐蚀过程和速度的影响。