CN204389361U - 一种基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统 - Google Patents

Abstract

一种基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统。其包括传感器、信号调理模块、cRIO采集模块和上位机；其中：传感器为电化学噪声传感器，其通过信号调理模块与cRIO采集模块相连接；cRIO采集模块为本系统的采集控制器，其通过以太网接口与上位机连接；上位机为运行电化学噪声系统软件的计算机，信号调理模块为采集信号调理电路。本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统为一种多通道电化学噪声测试仪器，其能够实现对电化学噪声数据进行采集、存储和显示，并通过上位机中的电化学噪声数据处理软件对这些数据进行处理，提取特征参数，表征腐蚀的性状。

Description

一种基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统

技术领域

本实用新型属于材料腐蚀检测技术领域，特别是涉及一种基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统。

背景技术

在经济与社会迅速发展的今天，人们越来越依赖能源的消耗与开发。而全球目前的能源消耗中石油、天然气、煤炭等化石燃料占据了极大的比重。化石能源不仅能量利用率极低，而且燃料的不完全燃烧会释放大量的有毒有害的气体，从而污染环境，并且其释放的温室气体加剧了温室效应的产生，结果将危害人类的可持续发展。核能是一种强劲清洁的能源，其能源转换效率极高，且能源转换过程中产生的污染极小，是人类可持续发展的极佳解决途径之一。故世界上许多国家都在大力发展核能发电，根据统计数据截止到2012年10月，全球共有434台在运行的核电机组，总装机容量372760兆瓦，占世界总发电量的16％左右。自十一五以来，中国一直在加大力度发展核电等清洁能源，以调整能源构成比例。我国核电只处于起步阶段，其使用量发电量均远低于欧洲一些发达国家，可以预见在接下来的十二五期间，中国核电产业将得到极大的发展。

核电产业的安全是发展核电的重中之重，但凡是核电的安全事故都将是重大事故，并对全球人类带来灾难性的后果。2011年3月11日，日本福岛第一核电站1号机组发生爆炸，数以万记的居民紧急撤离，对生命和经济的直接损失无法估量，更由于其位于沿海地区，预计将有11500吨放射性污水流入大海，其造成的核污染将危及整个太平洋及沿岸国家乃至全球环境。研究表明，核电事故的原因大部分是因为核电材料的失效，尤其是在核电这种特殊环境下。目前关于核电材料在核电环境中的研究非常少，其是当前的一个技术盲点，在高温高压水环境下的腐蚀与常温常压下表现出非常不同的特性，且腐蚀检测并没有成套的检测方案，故研究核材料在核环境下的腐蚀特性及在线检测方案具有非常重要的现实意义。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统。

为了达到上述目的，本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统包括：传感器、信号调理模块、cRIO采集模块和上位机；其中：传感器为电化学噪声传感器，其通过信号调理模块与cRIO采集模块相连接；cRIO采集模块为本系统的采集控制器，其通过以太网接口与上位机连接；上位机为运行电化学噪声系统软件的计算机，信号调理模块为采集信号调理电路。

所述的传感器为电化学三电极体系，三电极分别为两个工作电极与一个参比电极，其通过零阻电流计同时测量两工作电极之间的电化学电流噪声与工作电极和参比电极之间的电化学电压噪声。

所述的电化学三电极体系包括：第一工作电极、第二工作电极、参比电极、第一运算放大器、第二运算放大器和电阻；其中：第二运算放大器的同相输入端与第二工作电极相连接、反相输入端与第一工作电极相连接，第一运算放大器同相输入端与参比电极R相连接，第一运算放大器输入端与其输出端相连接；电阻分别与第二运算放大器的反相输入端和输出端连接；第二运算放大器的同相输入端为参考地电位，第一运算放大器输出端输出第一电压信号，第二运算放大器A2输出端输出第二电压信号。

在电化学三电极体系中，参比电极为饱和甘汞电极、银/氯化银电极，而工作电极为304不锈钢电极。

所述的信号调理模块分为两大部分：控制部分与信号调理部分；控制部分为以c8051为核心的单片机最小系统，其接收串口RS232从cRIO采集模块中传输回来的控制信号，实现对仪器档位的切换；运放选型上选择了偏置电流为fA级别的AD549；整个模块放置在一个铝制箱中，从而隔绝了外界的一切电磁干扰。

所述的cRIO采集模块为采用cRIO模块化仪器的采集控制装置，其包含AD转换器；信号调理模块处理完的模拟信号通过AD转换器转换成数字信号，为系统所记录。

所述的cRIO采集模块包括三个部分：主机、底板和IO模块；主机上具有一个飞思卡尔CPU，内存和非易失存储器；底板上有1个M门级的FPGA；IO模块选择了两块24位四通道多功能ADC模块NI 9219；RIO内有VxWorks操作系统，其还集成了一个RS232端口，一个以太网端口，一个Jtag端口，一个USB端口。

所述的304不锈钢电极采用核电材料304不锈钢。

本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统为一种多通道电化学噪声测试仪器，其能够实现对电化学噪声数据进行采集、存储和显示，并通过上位机中的电化学噪声数据处理软件对这些数据进行处理，提取特征参数，表征腐蚀的性状。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统的组成框图。

图2为本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统的三电极体系、ZRA模式原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统包括：传感器1、信号调理模块2、cRIO采集模块3和上位机4；其中：传感器1为电化学噪声传感器，其通过信号调理模块2与cRIO采集模块3相连接；cRIO采集模块3为本系统的采集控制器，其通过以太网接口与上位机4连接；上位机4为运行电化学噪声系统软件的计算机，信号调理模块3为采集信号调理电路。

所述的传感器1为电化学噪声传感器，其能将腐蚀信号通过电极转换成电流和电位信号；信号调理模块2将电流信号与电位信号进行一些前置的滤波放大等处理，以便后续的采集；cRIO采集模块3将处理完的模拟信号转换成数字信号，并通过TCP/IP协议与上位机4通讯、通过RS232控制信号调理模块2；上位机4控制cRIO采集模块3，并对采集的数据进行处理计算。

所述的传感器1为电化学三电极体系，三电极分别为两个工作电极与一个参比电极，其通过零阻电流计(ZRA)可以同时测量两工作电极之间的电化学电流噪声与工作电极和参比电极之间的电化学电压噪声。

如图2所示，所述的电化学三电极体系包括：第一工作电极WE1、第二工作电极WE2、参比电极R、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R1；其中：第二运算放大器A2的同相输入端与第二工作电极WE2相连接、反相输入端与第一工作电极WE1相连接，第一运算放大器A1同相输入端与参比电极R相连接，第一运算放大器A1输入端与其输出端相连接；电阻R1分别与第二运算放大器A2的反相输入端和输出端连接；第二运算放大器A2的同相输入端为参考地电位，第一运算放大器A1输出端输出第一电压信号V1，第二运算放大器A2输出端输出第二电压信号V2。

在此电化学三电极体系中，参比电极R一般为饱和甘汞电极(SCE)、银/氯化银电极，而工作电极为304不锈钢电极，第一、二工作电极WE1，WE2之间通过运算放大器连接，由于运算放大器的虚短性质，两工作电极上电位相等，从形式上相当于两个工作电极之间零阻连接；因为电流信号测量较为不便，故工作电极之间的电流则通过电阻R1，经过I/V转换变成第二电压信号V2。其中电阻R1为军工高精度精密电阻，其精度极高且温漂极低，极大地保证了电流的精准性与极低的漂移。电压信号则通过电压跟随器得到第一电压信号V1；综上，传感器部分的作用是将腐蚀中的电子得失通过ZRA模式转换成可以测量的电流噪声与电压噪声信号。

所述的信号调理模块2用于对传感器1得到的信号进行前置处理，从而便于我们后续部分的采集；本模块分为两大部分：控制部分与信号调理部分；控制部分为以c8051为核心的单片机最小系统，其接收串口RS232从cRIO采集模块3中传输回来的控制信号，实现对仪器档位的切换；运放选型上选择了偏置电流为fA级别的AD549；整个模块放置在一个铝制箱中，从而隔绝了外界的一切电磁干扰。

所述的cRIO采集模块3为采用cRIO模块化仪器的采集控制装置，其包含AD转换器；信号调理模块2处理完的模拟信号可通过AD转换器转换成数字信号，为系统所记录；根据技术要求可知，采集模块的精度要求极高，且能实现基本的控制，传输功能；综合所有要求，要求cRIO采集模块3必须是24位。

cRIO采集模块3包括三个部分：主机、底板和IO模块。主机上具有一个飞思卡尔CPU，内存和非易失存储器；底板上有1个M门级的FPGA；IO模块选择了两块24位四通道多功能ADC模块NI 9219；RIO内有VxWorks操作系统，其还集成了一个RS232端口，一个以太网端口，一个Jtag端口，一个USB端口。其RS232端口可用以控制信号调理模块3，以太网端口可以实现与上位机4的通讯，USB端口可以连接外部大容量存储器，如优盘等，且其本身含有系统，可以脱离上位机4独立运行，综上cRIO采集模块3经过Labview编程后可以很方便地实现所有功能，以满足设计仪器的所有技术要求。

所述的上位机4中的电化学噪声系统的软件设计主要分为两大部分：基于Labview的cRIO控制软件与电化学噪声数据处理软件。Labview编程实现cRIO采集模块3的配置并接收，显示，存储采集的数据；电化学噪声数据处理软件则对这些数据进行处理，提取特征参数，表征腐蚀的性状。

所述的304不锈钢电极采用核电材料304不锈钢，其组成化学成分为：碳(C)≤0.080％，铬(Cr)18.0％-20.0％，镍(Ni)8.00％-11.0％，锰(Mn)含量≤2.0％，硅(Si)≤1.0％，磷(P)≤0.045％，硫(S)≤0.03％，余下成分为铁，其中的百分数均为质量分数表示；其制作方法如下：首先从304不锈钢板上切取长1cm、宽1cm、厚度t mm的试样，将其用环氧树脂包裹，只露出1cm2的面积发生腐蚀。包裹环氧树脂时应注意试样与环氧树脂之间不能存在气泡，其试样面与环氧树脂面应保持在同一平面，以便后续的工序。待环氧树脂完全固实后应对试样进行砂纸研磨，从粗砂纸500级往3000级研磨，然后用金刚石研磨膏抛光，用丙酮漂洗，用去离子水脱脂，最后在干燥箱中干燥。

本实用新型提供的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统的技术要求如下：

1、本系统的精度要求很高，必须达到电流0.01nA电压1μV。

2、本系统必须有非常广的测量范围，电流要求从10-2nA～100mA，电压要求从10-6V～10-1V。

3、本系统必须包含低通滤波器部分，滤波器的截止频率为10Hz。

4、本系统必须有2G的数据存储空间。

5、本系统必须能有同时进行四通道或四通道以上采集的能力。

6、本系统能适应环境恶劣的工业现场，必须有全面的电磁屏蔽措施。

本实用新型根据电化学噪声的信号特点，提出了电化学噪声仪器的设计要求，并根据这些具体的设计需求研制一台多通道电化学噪声采集仪器，其能良好地完成电化学噪声的采集任务。

Claims (8)

1.一种基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统包括：传感器(1)、信号调理模块(2)、cRIO采集模块(3)和上位机(4)；其中：传感器(1)为电化学噪声传感器，其通过信号调理模块(2)与cRIO采集模块(3)相连接；cRIO采集模块(3)为本系统的采集控制器，其通过以太网接口与上位机(4)连接；上位机(4)为运行电化学噪声系统软件的计算机，信号调理模块(2)为采集信号调理电路。

2.根据权利要求1所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：所述的传感器(1)为电化学三电极体系，三电极分别为两个工作电极与一个参比电极，其通过零阻电流计同时测量两工作电极之间的电化学电流噪声与工作电极和参比电极之间的电化学电压噪声。

3.根据权利要求2所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：所述的电化学三电极体系包括：第一工作电极WE1、第二工作电极WE2、参比电极R、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2和电阻R1；其中：第二运算放大器A2的同相输入端与第二工作电极WE2相连接、反相输入端与第一工作电极WE1相连接，第一运算放大器A1同相输入端与参比电极R相连接，第一运算放大器A1输入端与其输出端相连接；电阻R1分别与第二运算放大器A2的反相输入端和输出端连接；第二运算放大器A2的同相输入端为参考地电位，第一运算放大器A1输出端输出第一电压信号V1，第二运算放大器A2输出端输出第二电压信号V2。

4.根据权利要求3所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：在电化学三电极体系中，参比电极R为饱和甘汞电极、银/氯化银电极，而工作电极为304不锈钢电极。

5.根据权利要求1所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统， 其特征在于：所述的信号调理模块(2)分为两大部分：控制部分与信号调理部分；控制部分为以c8051为核心的单片机最小系统，其接收串口RS232从cRIO采集模块3中传输回来的控制信号，实现对仪器档位的切换；运放选型上选择了偏置电流为fA级别的AD549；整个模块放置在一个铝制箱中，从而隔绝了外界的一切电磁干扰。

6.根据权利要求1所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：所述的cRIO采集模块(3)为采用cRIO模块化仪器的采集控制装置，其包含AD转换器；信号调理模块(2)处理完的模拟信号通过AD转换器转换成数字信号，为系统所记录。

7.根据权利要求6所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：所述的cRIO采集模块(3)包括三个部分：主机、底板和IO模块；主机上具有一个飞思卡尔CPU，内存和非易失存储器；底板上有1个M门级的FPGA；IO模块选择了两块24位四通道多功能ADC模块NI 9219；RIO内有VxWorks操作系统，其还集成了一个RS232端口，一个以太网端口，一个Jtag端口，一个USB端口。

8.根据权利要求4所述的基于电化学噪声腐蚀信号的噪声采集系统，其特征在于：所述的304不锈钢电极采用核电材料304不锈钢。