CN114624313A - 一种腐蚀监测系统 - Google Patents

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杨绪运
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Abstract

本发明提供了一种腐蚀监测系统，现有技术中，采用直流信号，直流信号流过裂纹时，信号变化不大，对裂纹不敏感，高频交流信号因集肤效应，可以实现监测裂纹，此外，直流信号容易受到干扰，导致信噪比低，而特定频率的交流信号在已有先验知识的情况下可以较好地去除噪声和干扰，提升信噪比。本发明提供的腐蚀监测系统采用高、低两种频率的交流电流进行激励，可同时测得管道的内腐蚀和外裂纹。

Description

一种腐蚀监测系统
技术领域
本发明涉及管道在线监测技术领域，特别涉及一种腐蚀在线监测系统。
背景技术
FSM(Field Signature Method)是一种腐蚀监测产品，中文名字称为“电指纹场法腐蚀监测系统”，用于油气行业输送管线的内腐蚀监测。
现有的利用电场指纹法的金属管道腐蚀监测方法，都是采用直流恒流电流源进行激励，获得被测管道的电位矩阵，通过监测各电极的电位变化情况来了解管道的腐蚀趋势。
上述方法测量的电极对之间的差分电压为直流压降，是一个直流信号。而直流信号很容易受到各种因素如环境电磁波的干扰，导致测量波动，从而引起测量误差。尤其是对于电极对之间这种微弱的直流信号来说，干扰可能处于一种相对较高的水平，这样会导致信噪比很差。此外，直流压降法无法区分内腐蚀和外裂纹。
而本发明所述的交流激励电流在电极对之间会产生交流压降，该交流压降信号具有已知的频率这个先验知识，可以利用该先验知识设计滤波器，很好地去除各种干扰和噪声，提升信噪比。此外，高频交流还会导致趋肤效应，而管道外裂纹在趋肤效应作用下，更容易被检测到。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明一种腐蚀监测系统，其特征在于：所述系统包括：激励模块、前置放大模块以及主控模块；
所述主控模块通过串口向所述激励模块发送命令，使之输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；
所述前置放大模块包括仪表放大模块和运算放大模块；所述仪表放大模块的最终输出＝输入×放大倍数+VREF，其中VREF为参考电压；所述运算放大模块为同相放大电路；所述前置放大模块接收所述激励模块的输出信号并由所述仪表放大模块和所述运算放大模块进行两级放大；
所述主控模块包括带通滤波器，所述带通滤波器接收所述前置放大模块的输出信号，并根据低频正弦交流频率、高频正弦交流频率的不同分别进行滤波；
所述低频正弦交流电压用于检测被测管道的内腐蚀；所述高频正弦交流电压用于检测被测管道的外裂纹。
优选地，所述低频正弦交流电压为5Hz，所述高频正弦交流电压为100Hz。
优选地，所述仪表放大模块的增益系数G取决于增益电阻RG。
优选地，所述带通滤波器可以为一片开关电容滤波芯片及其附属电路。
优选地，所述带通滤波器可以为两片开关电容滤波芯片及其附属电路的级联。
优选地，所述系统还包括电极矩阵，所述激励模块向所述被测管道施加交流电流，之后所述交流电流流过所述电极矩阵产生交流电压降信号，所述电压降信号作为所述前置放大模块的输入信号。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
1)为同时测得管道的内腐蚀和外裂纹，我们采用两种频率的交流电流进行激励：1-5Hz(称之为低频)和100-1000Hz(高频)；
2)利用低噪声、低调零电压、低漂移的精密仪表放大器和基于斩波技术的零漂移运算放大器构成二级放大电路对微弱信号进行放大；
3)利用模拟信号滤波技术-开关电容滤波技术，对来自前置放大板的信号进行滤波。为同时应对低频和高频信号，采用两级滤波技术：低通和带阻，其中带阻用于滤除50HZ的工频干扰，而低通滤波器则用于滤除高频干扰。
4)简化电路设计，提升系统的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明FSM系统的参考板结构图；
图2为本发明参考板上的参考电极结构图；
图3为本发明FSM系统中设计的仪表放大器的应用电路；
图4为本发明仪表放大器的调零电路；
图5为本发明的运算放大电路；
图6为本发明的带通滤波器的应用原理图；
图7为本发明的可编程时钟信号发生器的应用原理图；
图8为本发明的芯片信号频率切换原理图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施例
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本发明提供的FSM系统采用交流压降(ACPD)法进行管道微弱电阻的测量，其基本原理是：在管道上通以交流电流，电流会流过矩阵电极。由于金属损失会使矩阵中的电极对之间电阻值发生变化，因此相应会在电极矩阵之间产生电压降变化，电极之间的压降我们称之为信号。这是一个极其微弱的信号，我们需要将其进行放大、滤波，然后采样保存。
换言之，发生金属损失后，即腐蚀或裂纹，电极对之间的电阻就会发生变化，相应的电极对之间的电压也会发生变化，通过监测这个电压的变化量来监测腐蚀等的发生，这个变化量非常小，因此需要放大倍数很大，如果采用一级放大的话，通常仪表放大器的增益电阻就要非常小，小电阻很容易产生温度漂移、不稳定等问题。且质量好又很小的电阻不易获取，常规电阻不能满足要求。第一级放大采用仪表放大是因为仪表放大器的输入阻抗比较大，没有负载效应。整个系统的放大倍数要是可调的，放大器的放大倍数需通过电阻进行调节，仪表放大器增益电阻一般保持不动，倍数可调的功能由运算放大器来完成，运算放大器可以做到零温漂，两级放大器相配合就可以做到兼顾低漂移、高放大倍数的效果。
流过矩阵电极的电流是恒定的，就是激励板产生的电流源，这个电流不是很小。
由于在管道上施加的是交流电流(我们称之为激励电流)，因此从矩阵电极上取出的信号也是同频交流信号，信号频率已知，这给信号处理带来了方便。根据已知的频率这个“先验知识”，我们可以有针对性地设计带通滤波器(或低通、高通滤波器)，滤除不需要的噪声。因此交流压降法比直流压降(DCPD)法具有更高的信噪比。
信噪比计算公式：10lg(PS/PN)，Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20Lg(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的"有效值"。对于位置已经固定的矩阵电极对来说，显然它们之间的电阻值已经基本固定，那么它们之间的电压值只取决于流过它们之间的电流，且与之成正比。
因此要提高信噪比，最直接有效的办法就是增大流经矩阵电极之间的电流，也就是提高激励电流值。为同时测得管道的内腐蚀和外裂纹，我们采用两种频率的交流电流进行激励：1-5Hz(称之为低频)，优选的，如5Hz；和100-1000Hz(称之为高频),优选的，例如100Hz。低频仅仅是为了提高信噪比而采用的交流频率，而高频则是利用趋肤效应来进行外裂纹的检测。因为在趋肤效应的作用下，交流电流的频率越高，电流越容易聚集在管道的表面，因此对管道表面的裂纹也越敏感。
如图1所示是本发明的FSM系统参考板的结构示意图，我们使用8×8的电极矩阵，另有一对参考电极，位于参考板上，激励电流从参考板流入，再从参考板流出，进入管道，再在管道的另一端返回
参考板上的电极布局图为沿着管道纵向按列焊接探测电极矩阵，例如第一列的8个电极编号分别为1-1、1-2、1-3、……、1-8；第二列的电极编号为2-1、2-2、……、2-8；……；第八列电极的编号为8-1、8-2、……、8-8。
探测电极之间的间距d大约为管道壁厚的3倍。
参考板上还有一对参考电极REF+和REF-。参考电极之间的间距为1个壁厚左右即可。
参考板材质：与管道材质完全相同。参考板形状及大小：建议为弧形板，半径与管道基本一致，宽度不小于管道的1/6，长度不小于200mm，在可能的情况下尽量大一点，这样可以使得参考板上的电流分布更均匀。采用参考板的目的是希望获得一个稳定的、长时间不变的信号用于整个系统的参考。这是以假设参考板不会随时间腐蚀为前提的。另外，参考板也可以消除整个系统在不同温度下参数有微弱偏移的影响，例如管道的电阻在不同温度下会有变化。通过引入参考信号来计算FC值(一种相对值)，可以消除信号链路上绝大多数不稳定性因素带来的影响。
如图2所示，是本发明参考板上的参考电极示意图，激励电流输入端I+和桥接端I+’都在参考板上，参考电极对的中心位置建议位于输入端和桥接端的距离的1/3到1/2处，参考电极优选采用铜材质的螺杆。
整个系统分四个部分：
(1)激励板。该电路用于产生激励电流，该电流信号是频率可变的交流信号，在主控板的命令下，可先产生5Hz的交流电流，在该频率下完成对所有电极对之间电压的采样，然后将激励频率调整为100Hz，再在该频率下完成对所有矩阵电极之间的电压信号的采样，直至结束。
(2)前置放大板。该电路板安装于前置放大盒中，用于对所有矩阵电极对进行切换，并对选中的矩阵电极对之间的微弱电压进行放大。在经过前置放大后，所有电极对之间的电压信号都达到伏特级别，方便后续电路的处理。
(3)主控板。该电路板实现全系统的控制、模拟信号的选通、滤波、整流以及峰值的提取、采样、存储及发送(通过运营商的4G信道)。
(4)电极矩阵。这是焊接于管道上的电极阵列，包括8×8＝64个电极，以及1对参考电极。另外还有激励电流的注入端、回流端，以及参考板。
为方便数据的采集，本系统还设计了云端数据存储系统。设备通过与远程服务器的连接，在每次采集完数据后，会自动上传当前及服务器上尚未保存的数据。而用户通过联网的计算机，利用本系统提供的PC机客户端软件进行数据的远程下载，并保存到本地计算机，进行分析和判断。这可以避免对管道的定期巡检和数据拷贝，尤其对于位于荒野中的管道信号采集系统而言，或者对于设备数量比较多的情况，这会大幅度提升数据获取的便利性。
实施例1
前置放大板与主控板通过连接器进行连通。放大电路分两级：仪表放大和运算放大。仪表放大器选用低噪声低功耗仪表放大器。
该低噪声低功耗仪表放大器优选高速仪表放大器，这一放大器特别适合各种信号调理和数据采集应用，具有极高的共模抑制比(CMRR)，可以在宽温度范围内提取淹没在高频共模噪声中的低电平信号。
其放大倍数由两个RG引脚之间的电阻来决定。仪表放大器的传递函数为：
VOVT＝G×(V+IN-V-IN)+VREF
其中：
Figure BDA0003545655070000071
G是放大倍数。
如图3所示，是本发明FSM系统中设计的仪表放大器的应用电路，输入信号通过阻容网络进行低通滤波后被送入仪表放大器的正负输入端。决定放大倍数的电阻R7A的具体阻值可根据实际信号强度和总体放大倍数安排来选择。仪表放大器放大后的输出被输送至下一级运算放大器电路。
仪表放大器的参考端，也称为调零端，用于调节失调电压。本质上是调节放大输出信号的直流电压叠加量。放大器的最终输出＝输入×放大倍数+VREF。调零电路如图4所示。
第二级放大电路是基于高精密斩波型运算放大器的运算放大电路。运算放大器选择极低的漂移(低至1μV Max)，其典型温漂为0.003μV/℃，输入漂移电流为500pA Max atTA＝-55℃to 125℃。
FSM前置放大电路利用该芯片设计的运算放大电路如图5所示。放大器被设计成同相放大电路，放大倍数通过对可调电阻器R4A的调节来实现。放大器输出被输送到主控板进行后续处理。放大器输出处的信号已经达到V电平级别。
运算放大器对两个记忆电容要求很高，必须选择绝缘电阻很高的优质电容，如聚脂薄膜电容器等。
主控板通过串口向激励板发送命令，使之输出0V电压、低频(1-5Hz)正弦交流电压或高频(100-1000Hz)正弦交流电压。
由于在管道上施加的是交流电流(我们称之为激励电流)，因此从矩阵电极上取出的信号也是同频交流信号，信号频率已知，这给信号处理带来了方便。根据已知的频率这个“先验知识”，我们可以有针对性地设计带通滤波器(或低通、高通滤波器)，滤除不需要的噪声。因此交流压降法比直流压降(DCPD)法具有更高的信噪比。
来自前置放大板的模拟信号需要进行增益调整和滤波，增益调整是将信号进一步放大到合适的范围，以尽可能利用ADC的采样电压范围。滤波器是分别针对中心频率为1-5Hz和100-1000Hz的带通滤波器。
带通滤波器的核心是一片开关电容滤波器芯片。通过两片开关电容滤波器芯片的级联，可以实现具有非常高的Q值的带通滤波器。其应用原理如图6所示；
带通滤波器的中心频率的设置与芯片的时钟频率以及分频系数有关，分频后的时钟成为芯片的内部时钟。而内部时钟与带通滤波器的中心频率的比例关系为100:1。
时钟信号的产生采用专用芯片来实现。这是一个可编程的专用时钟信号发生器，可实现从1kHz到20MHz的时钟输出，且仅仅通过电阻值的配置即可方便地实现。其典型应用如图7所示；
该芯片的分频系数分别为100、10和1；其时钟频率fOSC与配置电阻RSET及分频系数N的关系为：
Figure BDA0003545655070000081
可见，要实现2kHz频率的时钟输出，在N＝100的情况下，须得有RSET＝1MΩ。
同样可计算得出，要实现40kHz的时钟输出，在N＝100的情况下，须得有RSET＝50kΩ。显然，RSET越大，输出的时钟频率越低。
希望在低频向高频切换时，芯片的输出时钟也能够自动由2kHz向40kHz切换。这可以通过并联一个电阻来实现。这个电阻可以通过一个由MCU控制的MOSFET管的导通与否来决定是否并联，原理如图8所示。
芯片的输出是一个0V以上的方波，需要通过C16A和R7A组成的隔直通交电路处理成围绕0V上下的对称方波提供给开关电容滤波器。
理论上R9A的阻值与R8A在并联后为50kΩ，但实际当中，开关电容滤波器在通带的不同频率点放大倍数还不一样，最好针对5Hz和100Hz两个频率的带通滤波输出后的幅值尽量接近。因此，综合考虑各种因素，需要通过实测的方式来决定R9A的值。本设计当中R9A取43kΩ的值比较理想。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种腐蚀监测系统，其特征在于：所述系统包括：激励模块、前置放大模块以及主控模块；
所述主控模块通过串口向所述激励模块发送命令，使之输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；
所述前置放大模块包括仪表放大模块和运算放大模块；所述仪表放大模块的最终输出＝输入×放大倍数+VREF，其中VREF为参考电压；所述运算放大模块为同相放大电路；所述前置放大模块接收所述激励模块的输出电流在管道电极矩阵中电极对之间产生的差分电压信号并由所述仪表放大模块和所述运算放大模块进行两级放大；
所述主控模块包括带通滤波器，所述带通滤波器接收所述前置放大模块的输出信号，并根据低频正弦交流频率、高频正弦交流频率的不同分别进行滤波；
所述低频正弦交流电压用于检测被测管道的内腐蚀；所述高频正弦交流电压用于检测被测管道的外裂纹。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述低频正弦交流频率可根据管道壁厚选择1-5Hz，所述高频正弦交流频率可根据管道壁厚选择100-1000Hz。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述仪表放大模块的增益系数G取决于增益电阻RG。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述带通滤波器可以为一片开关电容滤波芯片及其附属电路。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述带通滤波器可以为两片开关电容滤波芯片及其附属电路的级联。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统还包括电极矩阵，所述激励模块向所述被测管道施加交流电流，之后所述交流电流流过所述电极矩阵产生电压降信号，所述电压降信号作为所述前置放大模块的输入信号。
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