CN114923976A - 一种腐蚀监测系统及监测方法 - Google Patents

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CN114923976A CN202210247188.4A CN202210247188A CN114923976A CN 114923976 A CN114923976 A CN 114923976A CN 202210247188 A CN202210247188 A CN 202210247188A CN 114923976 A CN114923976 A CN 114923976A
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杨绪运
祁永刚
刘哲
孟涛
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Abstract

本发明提供了一种腐蚀监测系统用监测方法，现有技术中，采用直流信号，过裂缝时信号会改变，但不灵敏，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两种频率的交流电流进行激励：1‑5Hz(称之为低频)和100‑1000Hz(称之为高频)；可同时测得管道的内腐蚀和外裂纹。

Description

一种腐蚀监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及管道在线监测技术领域，特别涉及一种腐蚀监测系统及监测方法。
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特征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，本发明提供了一种腐蚀监测系统，其特征在于：所述系统包括：激励模块、主控电路板和前置放大模块；
所述主控电路板包括：采样单元、存储单元和计算单元；
所述主控电路板通过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进行放大得到放大信号；
所述采样单元采集所述放大信号，所述计算单元计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数FC：
Figure BDA0003545226070000021
其中，FCki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；
所述主控电路板根据纹理特征系数FC确定金属管道腐蚀度。
优选地，所述纹理特征系数FC采用三维图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向、Z轴代表腐蚀程度。
优选地，所述纹理特征系数FC的三维图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由所述三维图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，所述三维图是随时间变换的变化图。
优选地，所述纹理特征系数FC采用热力图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向。
优选地，所述纹理特征系数FC的热力图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由所述热力图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，所述热力图是随时间变换的变化图。
本发明还提供了一种腐蚀监测系统用监测方法，其特征在于：所述系统包括：激励模块、主控电路板和前置放大模块；
所述主控电路板包括：采样单元、存储单元和计算单元；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：所述主控电路板通过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；
步骤2：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进行放大得到放大信号；
步骤3：所述采样单元采集所述放大信号，所述计算单元计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数FC：
Figure BDA0003545226070000031
其中，FCki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；
步骤4：所述主控电路板根据纹理特征系数FC确定金属管道腐蚀度。
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)；利用低噪声、低失调电压、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；
2)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，而低通滤波则用于滤除高频干扰。
3)纹理特征系数FC的热力图和三维图，可同时展示管道内、外的腐蚀情况；并且还分为动态展示和静态展示；实现了一种高效的数据分析及展示方式。
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为本发明纹理特征系数FC的三维图；
图4为本发明纹理特征系数FC的热力图。
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。由于矩阵电极距离很近，它们之间的电阻极小，加之流过矩阵电极之间的电流也会很小，因此压降也会很小，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，即发生金属损失后，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，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，通常的仪表放大器的增益电阻就要非常小。对该增益电阻的精度和稳定性要求很高，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可调的，放大器的放大倍数需通过电阻进行放大倍数的调节，仪表放大器电阻一般保持不动，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漂移，两级放大器相配合就可以做到低漂移、高放大倍数的效果。
流过矩阵电极的电流是稳定调制的，就是激励板产生的电流源，为提高信噪比，在条件允许的情况下这个电流应该尽量大。
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：5Hz(称之为低频)和100Hz(称之为高频)。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偏移的影响，例如管道的电阻率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。
(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效率和便利性。
由于参考板在管道外不参与腐蚀，所以参考电压相对内腐蚀是不变的，由此，场指纹系数FC可以作为评估腐蚀程度的参数。
主控板包括采样单元、存储单元和计算单元；其中，采样单元用于按设定的时间间隔对数字信号采样，并由存储单元存储采样结果；计算单元，用于根据采样结果，计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数FC：
Figure BDA0003545226070000081
其中，FCki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；确定单元，用于根据纹理特征系数FC确定金属管道腐蚀度。
如图3所示，纹理特征系数FC可采用三维图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向、Z轴代表腐蚀程度。
纹理特征系数FC的三维图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由纹理特征系数FC的三维图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，由纹理特征系数FC的三维图是随时间变换的变化图。
如图4所示，纹理特征系数FC可采用三维图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向。
纹理特征系数FC的热力图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由纹理特征系数FC的热力图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和中止时间点，由纹理特征系数FC的热力图是随时间变换的变化图。
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 (10)

1.一种腐蚀监测系统用监测方法，其特征在于：所述系统包括：激励模块、主控电路板和前置放大模块；
所述主控电路板包括：采样单元、存储单元和计算单元；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：所述主控电路板通过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；
步骤2：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进行放大得到放大信号；
步骤3：所述采样单元采集所述放大信号，所述计算单元计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数FC：
Figure FDA0003545226060000011
其中，FCki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；
步骤4：所述主控电路板根据纹理特征系数FC确定金属管道腐蚀度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纹理特征系数FC采用三维图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向、Z轴代表腐蚀程度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述纹理特征系数FC的三维图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由所述三维图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，所述三维图是随时间变换的变化图。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纹理特征系数FC采用热力图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述纹理特征系数FC的热力图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由所述热力图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，所述热力图是随时间变换的变化图。
6.一种腐蚀监测系统，其特征在于：所述系统包括：激励模块、主控电路板和前置放大模块；
所述主控电路板包括：采样单元、存储单元和计算单元；
所述主控电路板通过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进行放大得到放大信号；
所述采样单元采集所述放大信号，所述计算单元计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数FC：
Figure FDA0003545226060000021
其中，FCki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；
所述主控电路板根据纹理特征系数FC确定金属管道腐蚀度。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述纹理特征系数FC采用三维图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向、Z轴代表腐蚀程度。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述纹理特征系数FC的三维图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由所述三维图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，所述三维图是随时间变换的变化图。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述纹理特征系数FC采用热力图进行展示，其中，X轴代表管道轴向方向，Y轴代表管道周向方向。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述纹理特征系数FC的热力图展示还可分为动态展示和静态展示；所谓静态展示是指操作者选定一个时间点，由所述热力图展示出该时间点管道内外不同位置的腐蚀情况；所谓动态展示是指操作者选取起始时间点和终止时间点，所述热力图是随时间变换的变化图。
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