CN116256305A - 一种腐蚀监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种腐蚀监测系统及方法，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。该系统包括主控模块、激励模块、前置放大模块以及信号处理模块；激励模块接收主控模块通过串口发送的命令，输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；前置放大模块接收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，并进行两级放大；带通滤波器接收前置放大模块的输出信号，并根据低、高频正弦交流频率的不同分别进行滤波，得到低、高频压降输出信号发送至信号处理模块，当高频压降为零时，信号处理模块计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，信号处理模块计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度。
Description
技术领域
本申请涉及管道在线监测技术领域，具体而言，涉及一种腐蚀监测系统及方法。
背景技术
电场指纹法(Field Signature Method，FSM)是一种精度及灵敏度都很高的无损检测技术，其主要依据被测对象上因腐蚀等引起的采集电压的变化，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。
目前，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获取管道的腐蚀趋势。此种监测方法所测量的电极对之间的差分电压为直流压降，其为直流信号，然而直流信号很容易受到各种因素的干扰，例如环境电磁波的干扰，导致测量波动，从而引起测量误差，影响监测精度。尤其是对于电极对之间微弱的直流信号来说，干扰可能处于一种相对较高的水平，由此导致信噪比很差，对腐蚀监测的影响很大。此外，直流压降法仅能监测管道的腐蚀程度，无法区分内腐蚀和外裂纹的腐蚀类型。
发明内容
本申请提供一种腐蚀监测系统及方法，采用高、低频正弦交流信号，解决了现有技术中直流信号流过裂纹时信号变化不大，对金属损失缺陷不敏感的问题，通过低频正弦交流信号实现对被测管道内腐蚀的监测，并通过高频正弦交流信号利用趋肤效应实现被测管道外裂纹的监测，从而可同时测得管道的内腐蚀和外裂纹，此外，特定频率的交流信号在已有先验知识的情况下可较好地去除噪声和干扰，提升信噪比，解决了直流信号容易受到干扰而导致信噪比低的问题。
具体的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种腐蚀监测系统，所述系统包括：
主控模块，所述主控模块包括带通滤波器；
激励模块，所述激励模块接收所述主控模块通过串口发送的命令，输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；
前置放大模块，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；
信号处理模块，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，得到低频压降输出信号和高频压降输出信号发送至所述信号处理模块，当高频压降为零时，所述信号处理模块根据所述低频压降输出信号计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，所述信号处理模块根据所述高频压降输出信号计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度。
可选地，所述低频正弦交流频率根据被测管道的管道壁厚选择1–5Hz，所述高频正弦交流频率根据被测管道的管道壁厚选择100–1000Hz。
可选地，所述仪表放大模块的传递函数为：
VOUT＝G×(V+IN-V-IN)+VREF
其中，所述仪表放大模块的增益系数G取决于增益电阻RG，
可选地，所述带通滤波器为一片开关电容滤波芯片及其附属电路。
可选地，所述带通滤波器为两片开关电容滤波芯片及其附属电路的级联。
进一步可选地，所述附属电路至少包括专用时钟信号发生器和电阻，所述电阻通过MOSFET管的导通与否决定是否并联，实现低频滤波与高频滤波的切换；其中，所述MOSFET管的导通由MCU控制。
可选地，所述系统还包括电极矩阵，所述激励模块向被测管道施加交流电流，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。
可选地，所述系统还包括增益模块，所述增益模块对所述前置放大模块的输出信号进行动态增益调整，并将调整后的信号传输至所述带通滤波器。
第二方面，本申请实施例提供了一种腐蚀监测方法，所述方法包括：
主控模块通过串口向激励模块发送命令，使之输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；
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，并由所述前置放大模块的仪表放大模块和运算放大模块进行两级放大；其中，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；
所述主控模块的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，得到低频压降输出信号和高频压降输出信号发送至信号处理模块；
当高频压降为零时，所述信号处理模块根据所述低频压降输出信号计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，所述信号处理模块根据所述高频压降输出信号计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度。
可选地，所述主控模块的带通滤波器接收所述前置放大模块的输出信号具体包括：
增益模块对所述前置放大模块的输出信号进行动态增益调整，并将调整后的信号传输至所述带通滤波器。
本申请实施例的有益效果如下：
1)采用低频(1–5Hz)和高频(100–1000Hz)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，实现被测管道的腐蚀状况以及腐蚀类型的监测。
2)前置放大模块采用低噪声、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，可对微弱信号进行有效放大，且两级放大器相配合可实现兼顾低漂移、高放大倍数的效果。
3)利用模拟信号滤波技术–开关电容滤波技术，对来自前置放大模块的信号进行滤波，采用两级滤波技术：低通和带阻，可同时应对低频和高频信号，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，针对性强，滤波效果好。
4)采用简化的电路设计，可有效提升系统整体的可靠性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的结构框图；
图2为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的参考板结构图；
图3为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的参考板上的参考电极结构图；
图4为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的仪表放大器的应用电路图；
图5为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的仪表放大器的调零电路图；
图6为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的运算放大电路图；
图7为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的带通滤波器的应用原理图；
图8为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的可编程时钟信号发生器的应用原理图；
图9为本申请实施例提供的腐蚀监测系统的芯片信号频率切换原理图；
图10为本申请实施例提供的纹理特征系数FC的三维图；
图11为本申请实施例提供的纹理特征系数FC的热力图；
图12为本申请实施例提供的腐蚀监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本申请实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本申请实施例公开了一种腐蚀监测系统，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。以下结合图1–图9分别进行详细说明。
在本申请实施例中，该腐蚀监测系统采用交流电位降技术(Alternating CurrentPotential Drop，ACPD)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，在此过程中，由于金属损失会使矩阵中电极对之间的电阻值发生变化，因此会在矩阵电极之间产生相应的电压降变化，电极之间的压降被称之为信号，此信号极其微弱，需要对其进行放大、滤波后，再采样保存。换言之，被测管道发生金属损失(即腐蚀或裂纹)后，电极对之间的电阻会发生变化，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便可监测被测管道腐蚀等损失的发生。
本申请实施例中的腐蚀监测系统的参考板使用8×8的电极矩阵，另有一对参考电极位于参考板上，施加于被测管道上的电流(我们称之为激励电流)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。如图2所示，参考板上的电极布局图为沿着被测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、2–3、……、2–8；……；第八列的电极编号为8–1、8–2、8–3、……、8–8。探测电极之间的间距d大约为被测管道壁厚的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：与被测管道材质完全相同；参考板形状及大小：可优选弧形板，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，并在可能的情况下尽量大一点，以使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。但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，例如被测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3所示的参考电极结构图，激励电流输入端I+和桥接端I+’都在参考板上，优选的，参考电极对的中心位置位于输入端和桥接端的距离的1/3到1/2处，参考电极可采用铜材质的螺杆。
图1示出了根据本申请实施例提供的一种腐蚀监测系统。如图1所示，该腐蚀监测系统主要包括：主控模块1、激励模块2、前置放大模块3、信号处理模块4以及电极矩阵。主控模块1通过串口向激励模块2发送命令，使激励模块2输出交流电流，激励模块2向被测管道施加交流电流，交流电流流过电极矩阵产生电压降信号，电压降信号作为前置放大模块3的输入信号，换言之，前置放大模块3接收激励模块2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(即前述中交流电流流过电极矩阵产生的电压降信号)，并对该差分电压信号进行放大，带通滤波器11接收前置放大模块3的输出信号并进行滤波，其输出的压降信号发送至信号处理模块4，通过信号处理模块4对压降信号的处理分析，实时监测被测管道的金属损失状况。需要注意的是，主控模块1和信号处理模块4可为两个独立的模块，也可合并为一个模块，本申请对此并不作限制。
在本申请实施例中，如图1所示，主控模块1包括带通滤波器11，以利用带通滤波器11对前置放大模块3的输出信号进行滤波。流经矩阵电极的电流是恒定的，即激励模块2产生的电流源，该电流不是很小。由于在被测管道上施加的激励电流是交流电流，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，给信号处理带来了方便。根据已知的频率这个“先验知识”，可以有针对性地设计带通滤波器11，滤除不需要的噪声，使其实现低通滤波和高通滤波，为本申请腐蚀监测系统采用高、低两种频率的交流电流进行激励实现被测管道的内腐蚀和外裂纹的同时测量奠定基础。
信噪比的计算公式为：10lg(PS/PN)，其中，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。故而要提高信噪比，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。
在本申请实施例中，主控模块1通过串口向激励模块2发送命令，使激励模块2输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流，即该腐蚀监测系统采用高、低两种频率的交流电流进行激励，以实现被测管道的内腐蚀和外裂纹的同时监测。利用低频交流电流进行激励时可覆盖被测管道的全材质，也就是说，低频可检测被测管道内外两种金属损失缺陷，而利用高频交流电流进行激励时仅能检测到被测管道的外部金属损失缺陷，即高频检测不到被测管道内部的金属损失缺陷。本申请中的腐蚀监测系统采用高频正弦交流电流检测被测管道的外裂纹，即利用高频的趋肤效应进行外裂纹的监测，在趋肤效应的作用下，交流电流的频率越高，电流越容易聚集在被测管道的表面，对被测管道外部表面的裂纹越敏感，从而对被测管道的外裂纹的监测更精准，在一些具体的实施例中，高频正弦交流频率根据被测管道的管道壁厚选择100–1000Hz，优选的，如100Hz。同时，本申请中的腐蚀监测系统采用低频正弦交流电流检测被测管道的内腐蚀，具体的，本系统利用高频正弦交流电流进行辅助判断，由于低频既可检测到管道的内部金属损失缺陷，也可检测到管道的外部金属损失缺陷，而高频仅能检测到管道的外部金属损失缺陷，故若高频正弦交流电流也能检测到该处金属损失缺陷，则说明该处金属损失缺陷为外部金属损失缺陷，而若高频正弦交流电流检测不到该处金属损失缺陷，则说明该处金属损失缺陷为内部金属损失缺陷，由此实现了被测管道腐蚀类型(内腐蚀和外裂纹)的区分，进而实现了被测管道内腐蚀和外裂纹的同时监测，此外，利用低频正弦交流电流监测被测管道的内腐蚀，还可提高信噪比，在一些具体的实施例中，低频正弦交流频率根据被测管道的管道壁厚选择1–5Hz，优选的，如5Hz。
进一步具体的，在本申请实施例中，如图1所示，主控模块1的带通滤波器11接收前置放大模块3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，得到低频压降输出信号和高频压降输出信号发送至信号处理模块4，当高频压降为零时，即高频正弦交流电流检测不到该处金属损失缺陷，判断该处金属损失缺陷为内腐蚀，信号处理模块4根据低频压降输出信号计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，即高频正弦交流电流能检测到该处金属损失缺陷，判断该处金属损失缺陷为外裂纹，信号处理模块4根据高频压降输出信号计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度，从而实现管道的内腐蚀和外裂纹的同时测量。
在一些实施过程中，信号处理模块4计算管道腐蚀度的具体过程如下：
根据低频压降输出信号或高频压降输出信号，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，再根据纹理特征系数FC确定被测管道的腐蚀度。其中，纹理特征系数FC的具体计算公式如下：
在上式中，FCki(t)为电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)为电极对ki在监视开始t＝0时的电压；vko(o)为参考电极对k0在监视开始t＝0时的电压；vki(t)为电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)为参考电极对k0在t时刻的电压。
如图10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11所示，纹理特征系数FC还可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。
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。
此外，由于所监测的电极对之间的电压变化量非常小，故而其所需放大倍数很大，在现有技术中通常采用一级放大，但若采用一级放大，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，现有技术中的常规电阻不能满足要求。在本申请实施例中，如图1所示，前置放大模块3包括仪表放大模块31和运算放大模块32，前置放大模块3接收激励模块2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，之后由仪表放大模块31和运算放大模块32进行两级放大。第一级放大采用仪表放大，仪表放大器(即仪表放大模块31)的输入阻抗比较大，没有负载效应。整个系统的放大倍数是可调的，放大器的放大倍数可通过电阻进行调节，仪表放大器的增益电阻一般保持不动，倍数可调的功能由运算放大器(即运算放大模块32)来完成，运算放大器可做到零温漂，从而两级放大器相配合可实现兼顾低漂移、高放大倍数的效果。
在一实施例中，前置放大板(即前置放大模块3)与主控板(即主控模块1)通过连接器进行连通。前置放大板的放大电路分两级：仪表放大和运算放大。其中，仪表放大器可选用低噪声低功耗仪表放大器，进一步，其优选高速仪表放大器，该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工模噪声中的低电平信号。
在具体的实施过程中，前置放大模块3的第一级放大电路是仪表放大电路，如图4所示的仪表放大器的应用电路图，芯片U3A的-IN引脚串联电阻R17A，且电阻R17A的两端分别与电阻R6A的一端、电容C4A的一端相连，芯片U3A的两个RG引脚之间串联一个电阻R7A，芯片U3A的+IN引脚串联电阻R21A，且电阻R21A的两端分别与电阻R24A的一端、电容C1A的一端相连，同时，电容C4A的一端和电容C1A的一端分别与电容C6A的两端相连，芯片U3A的+VS引脚与电容C3A的一端相连，芯片U3A的-VS引脚与电容C8A的一端相连，芯片U3A的VOUT引脚连接IA_OUT信号，芯片U3A的REF引脚连接IA_REF信号，电阻R6A的另一端、电容C4A的另一端、电阻R24A的另一端、电容C1A的另一端、电容C3A的另一端以及电容C8A的另一端接地。
仪表放大模块31的放大倍数可由两个RG引脚之间的电阻R7A决定，仪表放大模块31的传递函数为：
VOUT＝G×(V+IN-V-IN)+VREF
其中，G为放大倍数(也称为增益系数)，其取决于增益电阻RG，详细的，
在该仪表放大器的应用电路中，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。此外，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进行设定。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。
其中，仪表放大器的参考端也称为调零端，用于调节失调电压，其本质上是调节放大输出信号的直流电压叠加量，仪表放大器的调零电路如图5所示。仪表放大器(即仪表放大模块31)的最终输出＝输入×放大倍数+VREF，VREF为参考电压。
前置放大模块3的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(即运算放大模块32)选择极低的漂移(低至1μVMax)，其典型温漂为0.003μV/℃，输入漂移电流为500pA Max at TA＝-55℃to 125℃。
如图6所示的腐蚀监测系统的运算放大电路图，运算放大模块32为同相放大电路，放大倍数通过对可调电阻器R4A的调节来实现，保证了运算放大器输出处的信号已经达到V电平级别，运算放大器的输出被输送至主控板(即主控模块1)进行后续处理。在具体的实施过程中，运算放大器对两个记忆电容的要求很高，在本申请实施例中可选择绝缘电阻很高的优质电容，如聚脂薄膜电容器等，以保证运算放大器的信号放大效果。
在一实施例中，主控模块1通过串口向激励模块2发送命令，使激励模块2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。主控模块1的带通滤波器11可有针对性得进行高、低频滤波，滤除不需要的噪声，使得本申请实施例中的腐蚀监测系统采用ACPD技术具有更高的信噪比。
在另一实施例中，可对来自前置放大板(即前置放大模块3)的模拟信号进行增益调整和滤波，具体的，该腐蚀监测系统还包括增益模块5，增益模块5对前置放大模块3的输出信号进行动态增益调整，从而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。详细的，根据采样时的被测管道温度，直接通过对前置放大模块3的输出信号进行动态增益调整，以完成温度“归一化”处理，即将所有其他温度下的电阻率“换算”到某个指定温度(我们称之为标准温度)下，然后所有采样数据都在此温度下进行处理后再分析，从而解决现有技术中被测钢管的电阻率随温度非线性变化的问题，使其输出的信号幅度已经完整考虑了温度的影响，在信号强度上直接完成温度“归一化”过程，如此后续的数据便不再需要进行任何处理，即可直接用于分析。动态的增益与被测钢管的电阻率–温度曲线密切相关，放大倍数可提前做成表格并被存入控制系统中，系统在检测到不同的钢管温度时，调用与当前温度相对应的放大倍数(增益)，以对采样信号的强度进行校正。从而在通过动态的增益调整进行温度校正后，再加上参考板的作用，便可以消除绝大部分外在的干扰，让系统获得相对纯净的信号和数据，使得采样结果更为客观、可信。
调整后的信号传输至带通滤波器11进行滤波，该带通滤波器11为针对中心频率为1–5Hz和100–1000Hz的滤波器。
在一些实施例中，带通滤波器11可为一片开关电容滤波芯片及其附属电路；在另一些实施例中，带通滤波器11还可为两片开关电容滤波芯片及其附属电路的级联。带通滤波器11的核心为开关电容滤波芯片，通过两片开关电容滤波芯片的级联，可实现具有非常高的Q值的滤波器，其应用原理如图7所示。
此外，在具体的实施例中，附属电路至少包括专用时钟信号发生器和电阻，电阻通过MOSFET管的导通与否决定是否并联，实现低频滤波与高频滤波的切换，其中，MOSFET管的导通由MCU控制。
带通滤波器11的中心频率的设置于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11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，其可选用一个可编程的专用时钟信号发生器，以实现从1kHz到20MHz的时钟输出，且仅仅通过电阻值的配置即可方便得实现。其典型应用如图8所示，该芯片的分频系数分别为100、10和1，时钟频率fOSC与配置电阻RSET及分频系数N的关系为：
根据上述公式可知，要实现2kHz频率的时钟输出，在N＝100的情况下，RSET＝1MΩ，同理，要实现40kHz频率的时钟输出，在N＝100的情况下，RSET＝50kΩ。显然，RSET越大，输出的时钟频率越低。
如图9所示，可通过并联一个电阻，实现在低频向高频切换时，芯片的输出时钟能够自动由2kHz向40kHz切换。在具体的实施过程中，该电阻可通过一个由MCU控制的MOSFET管的导通与否来决定是否并联。
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(即上述中的开关电容滤波芯片)。
理论上R9A的阻值与R8A在并联后为50kΩ，但在实际当中，开关电容滤波器在通带的不同频率点放大倍数并不一样，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。在本申请实施例中，电阻R9A的阻值通过实测方式进行设定，以综合考虑各种因素，在一个具体实施例中，电阻R9A可选取43kΩ，以尽可能实现5Hz和100Hz两个频率的带通滤波输出后的幅值相同。
以上是对本实施例提供的腐蚀监测系统的各个部件、它们之间的连接关系进行了介绍，下面对腐蚀监测系统的完整结构和工作原理进行阐述。
在本申请实施例中，该腐蚀监测系统主要分为四个部分：
(1)激励板(即激励模块2)：该电路板用于产生激励电流，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的低频交流电流，在低频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高频，再在高频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(即前置放大模块3)：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(即主控模块1)：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：该电机矩阵焊接于被测管道上，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。
在本申请实施例中，为方便数据的采集，该腐蚀监测系统还可设计云端数据存储系统，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。而用户可通过联网的计算机，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，从而可避免对被测管道的定期巡检和数据拷贝，尤其对位于荒野中的管道信号采集系统，或对于设备数量较多的情况，如此设计可大幅提升数据获取的便利性，实用性强。
相应于上述的腐蚀监测系统实施例，本申请实施例还提供了一种腐蚀监测方法，如图12所示，该方法包括包括以下步骤：
步骤S100：主控模块通过串口向激励模块发送命令，使之输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流。
步骤S200：前置放大模块接收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，并由前置放大模块的仪表放大模块和运算放大模块进行两级放大。
具体的，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；运算放大模块为同相放大电路。
步骤S300：主控模块的带通滤波器接收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，得到低频压降输出信号和高频压降输出信号发送至信号处理模块。
具体的，增益模块对前置放大模块的输出信号进行动态增益调整后，再将调整后的信号传输至带通滤波器。
步骤S400：当高频压降为零时，信号处理模块根据低频压降输出信号计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，信号处理模块根据高频压降输出信号计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度。
需要说明的是，本申请实施例提供的腐蚀监测方法，由于与本申请的腐蚀监测系统基于同一构思，其带来的技术效果和本申请的腐蚀监测系统实施例相同，故而本腐蚀监测方法实施例未提及之处可参见本申请的腐蚀监测系统实施例中的叙述，此处不再赘述。
综上所述，本说明书公开一种腐蚀监测系统及方法，采用高、低频正弦交流信号，解决了现有技术中直流信号流过裂纹时信号变化不大，对金属损失缺陷不敏感的问题，通过低频正弦交流信号实现对被测管道内腐蚀的监测，并通过高频正弦交流信号利用趋肤效应实现被测管道外裂纹的监测，从而可同时测得管道的内腐蚀和外裂纹，此外，特定频率的交流信号在已有先验知识的情况下可较好地去除噪声和干扰，提升信噪比，解决了直流信号容易受到干扰而导致信噪比低的问题。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种腐蚀监测系统，其特征在于，所述系统包括：
主控模块，所述主控模块包括带通滤波器；
激励模块，所述激励模块接收所述主控模块通过串口发送的命令，输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；
前置放大模块，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；
信号处理模块，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，得到低频压降输出信号和高频压降输出信号发送至所述信号处理模块，当高频压降为零时，所述信号处理模块根据所述低频压降输出信号计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，所述信号处理模块根据所述高频压降输出信号计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度。
2.根据权利要求1所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述低频正弦交流频率根据被测管道的管道壁厚选择1–5Hz，所述高频正弦交流频率根据被测管道的管道壁厚选择100–1000Hz。
3.根据权利要求1所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述仪表放大模块的传递函数为：
VOUT＝G×(V+IN-V-IN)+VREF
其中，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所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述带通滤波器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所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述带通滤波器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4或5所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述附属电路至少包括专用时钟信号发生器和电阻，所述电阻通过MOSFET管的导通与否决定是否并联，实现低频滤波与高频滤波的切换；其中，所述MOSFET管的导通由MCU控制。
7.根据权利要求1所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述系统还包括电极矩阵，所述激励模块向被测管道施加交流电流，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。
8.根据权利要求1所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述系统还包括增益模块，所述增益模块对所述前置放大模块的输出信号进行动态增益调整，并将调整后的信号传输至所述带通滤波器。
9.一种腐蚀监测方法，其特征在于，所述方法包括：
主控模块通过串口向激励模块发送命令，使之输出低频正弦交流电流或高频正弦交流电流；
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，并由所述前置放大模块的仪表放大模块和运算放大模块进行两级放大；其中，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；
所述主控模块的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，得到低频压降输出信号和高频压降输出信号发送至信号处理模块；
当高频压降为零时，所述信号处理模块根据所述低频压降输出信号计算得到被测管道内腐蚀的腐蚀度，当高频压降为非零时，所述信号处理模块根据所述高频压降输出信号计算得到被测管道外裂纹的腐蚀度。
10.根据权利要求9所述的腐蚀监测系统，其特征在于，所述主控模块的带通滤波器接收所述前置放大模块的输出信号具体包括：
增益模块对所述前置放大模块的输出信号进行动态增益调整，并将调整后的信号传输至所述带通滤波器。
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