CN211528171U - 基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，包括锈蚀传感器、温度\湿度传感器、中央处理器、信号采集模块、信号调理模块、状态显示模块、通讯模块以及供电模块，其中，中央处理器经信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块引出线施加交流信号至锈蚀传感器，信号采集模块的输入端接有锈蚀传感器和温度\湿度传感器，信号采集模块的输出信号经信号调理模块中的模/数转换器处理变换后进入中央处理器。本实用新型提高了锈蚀数据测量的准确性、稳定性和仪器抗干扰能力、降低了整机功耗，即可以满足工业环境、自然环境、物流仓储等环境的锈蚀程度测试及评价的需要，也可以作为实验室快速评价气相缓蚀剂效果的仪器。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种锈蚀预警监测技术，具体为一种基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪。
背景技术
锈蚀是指金属裸露在大气中与氧、水分及其它杂质接触，发生化学或者电化学反应，引起变色或腐蚀，生成可以肉眼观察到的腐蚀生成物。例如金属的氧化物，氢氧化物等，其腐蚀的产物为锈，俗称为锈蚀或生锈。
据不完全统计，我国各行各业每年因锈蚀造成的经济损失达到数百亿元。为减少因锈蚀造成的经济损失，金属材料均采用防锈处理。常用的防锈方法可分为三大类：第一大类，改变金属的内部组织结构。例如：制造各种耐腐蚀的合金，在普通钢铁中加入铬、镍等制成不锈钢；第二大类，表面处理法。例如：涂装，镀锌、镀镍，热处理(渗碳、渗氮等)，化学表面处理(磷化、钝化、发黑、碱煮等)，各种涂层(达克罗、喷塑、包胶、气相沉积等)；第三大类，隔离法，对腐蚀介质进行处理，降低腐蚀介质与金属表面接触面积；例如：防锈包装(防锈油、干燥密封、气相防锈、水基防锈剂、切削液等)。
目前，几乎所有的防锈蚀技术应用过程是将方法研究通过实验室评价落实到现场应用。
严格意义上的金属构件或产品被锈蚀，与环境因素、金属表面处理状态以及基材是否有夹杂物等因素密切相关，从锈蚀的发展过程来看，都要经历萌生、锈点、锈斑等过程。目前，还没有一种稳定、可靠的针对金属制品包装封存环境、武器装备仓储、物流环境的锈蚀动态监测及预警技术。没有实时监测金属制品、武器装备的锈蚀状态、锈蚀程度的商业化产品。
目前，已有的金属锈蚀监测方法和传感器，如中国专利CN101865815B、CN100424497C、CN105842148A等均为用于监测桥梁等混凝土环境中钢筋的锈蚀程度而设计，并不适用于对包装封存微环境中的金属锈蚀情况进行监测，更无法实现防锈包装状态诊断与早期预警。国、内外尚无相关成熟产品及商业化应用案例
目前，锈蚀检测还以人工巡检为主，工作强度大，无法定量，效率低，且事后补救费用较高；已知的检测手段以“检测棒”为主，属于定性检测、无法实现精确定量及预警。在温、湿度大幅变化的条件下，防锈包装对设备、装备的防护时效、防锈能力，尤其在运输、储运过程中。目前，锈蚀状态预警在线监测技术方面，国、内外尚无相关成熟产品及商业化应用案例。
实用新型内容
针对现有技术中金属锈蚀程度监检测技术的现状，尤其是在锈蚀程度监测技术实施过程中，诸如传感器制作难度大，试片更换不方便，监测仪阻抗变换电路测试精度不高，数据误差大等不足，本实用新型提供一种高精度、高稳定的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型一种基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，包括锈蚀传感器、温度\湿度传感器、中央处理器、信号采集模块、信号调理模块、状态显示模块、通讯模块以及供电模块，其中，中央处理器经信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块引出线施加交流信号至锈蚀传感器，信号采集模块的输入端接有锈蚀传感器和温度\湿度传感器，信号采集模块的输出信号经信号调理模块中的模/数转换器处理变换后进入中央处理器。
所述中央处理器还具有维护接口，其接收来自企业云平台的加密数据完成监测仪工作参数设置。
所述信号调理模块包括逻辑控制模块、数字频率合成器、模数转换器以及第一、二信号放大器，其中数字频率合成器通过逻辑控制模块接收中央处理器的指令，输出交流激励信号由第一放大器输出，经第二电阻施加在测量试片、补偿试片上；反馈信号经第二信号放大器、增益单元以及滤波单元进入模数转换器的输入端；模数转换器输出数字信号经DFT单元变换后，提取测量数据，并经逻辑控制模块输入至中央处理器。
所述锈蚀传感器包括测量试片、补偿试片以及第一～二连接插针，其中，测量试片为蛇形结构，接触待测环境；补偿试片为密封结构，粘附于测量试片底部，经环氧树脂类密封材料密封与待测环境隔离；第二连接插针由测量试片引出，经导线连接至第二电阻，第一连接插针由补偿试片引出，同时连接至第三电阻和第二运算放大器的反向输入端。
还具有温度\湿度传感器，置于锈蚀传感器中，温\湿度传感器信号经信号采集模块、信号调理模块与中央处理器相连。
还具GPRS通讯接口，通过中央处理器控制通讯模块。
本实用新型包括主机电路、盒体、电池仓、数据接口、嵌入式的锈蚀传感器、温度\湿度传感器及电池仓密封塞，其中，主机电路设于盒体中，主机电路具有电路盖板，锈蚀传感器和温度\湿度传感器安装于上盖表面，并扣合在盒体上；电路盖板一端与主机电路通过导线连接；电路盖板上设有插孔，上盖表面底部设有插针，插针与插孔插接，使电路盖板和上盖表面电连接；电池仓设于盒体一侧。
本实用新型具有以下有益效果及优点：
1.本实用新型采用连续频率扫描技术实现金属在腐蚀介质中锈蚀预警数据的测量，结果表明，采用新型测量技术及硬件模块，提高了锈蚀数据测量的准确性、稳定性；通过使用优化的连续频率扫描技术，提高了仪器抗干扰能力、降低了整机功耗，即可以满足工业环境、自然环境、物流仓储等环境的锈蚀程度测试及评价的需要，也可以作为实验室快速评价气相缓蚀剂效果的仪器。
2.本实用新型与同类功能仪器相比，具有体积小，重量轻，便于使用和携带；具备在设备储运等高锈蚀风险场合使用的条件，实现对环境锈蚀状态预警，通过锈蚀状态监测，数据分析，对锈蚀发生点预判，进行预警，同时支持云平台技术，可实现锈蚀监测仪输出信号与云平台无缝连接。
3.本实用新型中采用的连续频率扫描技术、阻抗变换单元(集成于信号调理模块)，具有高集成度、高速、低功耗特点；信号施加及数据处理自动连续完成，保证了锈蚀信号连续采集，具有测量准确，信号完整性好的特点。
4.本实用新型提供多种数据传输方式，远程GPRS数据传输，北斗远程数据传输，定期存储，本地读取上传等，兼容性广泛，适应性更强。
5.本实用新型提供一种特殊应用场景的解决方案，在不具备数据远程传输的情况下，采用状态指示灯报警的方式；同时设计手抄器，通过无线通讯技术，实现非破坏状态下数据获取；手抄器具备无线传输功能，待条件允许时，将数据上传至系统平台。
附图说明
图1为本实用新型锈蚀程度监测仪功能框图；
图2为本实用新型信号调理模块功能框图；
图3A为本实用新型锈蚀传感器结构图(一)；
图3B为本实用新型锈蚀传感器结构图(二)；
图4为本实用新型监测仪工作流程图；
图5为本实用新型实施例阻抗与锈蚀程度曲线图；
图6为本实用新型实施例监测仪各组成部分结构示意图。
其中，1为供电电池，2为电池仓，3为数据接口，4为主机电路，5为电路盖板，6为锈蚀传感器，7为温度\湿度传感器，8为密封塞，9锈蚀监测仪壳体，14为测量试片，15为补偿试片，16第一连接插针，17第二连接插针。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型作进一步阐述。
如图1所示，本实用新型一种基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪包括锈蚀传感器、温度\湿度传感器、中央处理器、信号采集模块、信号调理模块、状态显示模块、通讯模块以及供电模块。其中，中央处理器经信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块引出线施加交流信号至锈蚀传感器，信号采集模块输入端接有锈蚀传感器和温度\湿度传感器，信号采集模块的输出信号经信号调理模块中的模/数转换器(ADC)处理变换后进入中央处理器。
中央处理器还具有维护接口，其接收来自企业云平台的加密数据完成监测仪工作参数设置；本实用新型还具有温度\湿度传感器，置于锈蚀传感器中，温\湿度传感器信号经信号采集模块、信号调理模块与中央处理器相连，温度测量范围：-40～120℃，温度分辨率：±0.1℃，湿度测量范围：0～100％，湿度分辨率：±1.8％RH。还具GPRS通讯接口，通过中央处理器控制通讯模块。
如图2所示，信号调理模块包括逻辑控制模块、数字频率合成器(DDS)、8通道模数转换器(ADC)以及第一、二信号放大器A1、A2，其中数字频率合成器(DDS)通过逻辑控制模块接收中央处理器的指令，输出交流激励信号由第一放大器A1输出，经第二电阻R2施加在测量试片14、补偿试片15上；反馈信号经第二信号放大器A2、增益单元以及滤波单元进入8通道模数转换器的输入端；8通道模数转换器输出数字信号经DFT单元变换后，提取测量数据，并经逻辑控制模块输入至中央处理器。
如图3A～3B所示，锈蚀传感器1包括测量试片14、补偿试片15以及第一～二连接插针16～17，其中，测量试片14为蛇形结构，接触待测环境；补偿试片15也为蛇形结构，粘附于测量试片14底部，经环氧树脂类密封材料密封，同时与待测环境、测量试片隔绝，起到温度补偿作用；第二连接插针17由测量试片14引出，经导线连接至第二电阻R2，第一连接插针16由补偿试片15引出，同时连接至第三电阻R3和第二运算放大器A2的反向输入端。
本实用新型采用高精度信号源制作技术、阻抗变换技术、微弱信号提取技术、低功耗技术并结合高速MCU技术，提供一种高精度、高稳定的锈蚀程度预警监测仪。
本实用新型中，中央处理器经信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块通过第二、三电阻R2、R3两端引出线施加交流信号至锈蚀传感器1，信号采集模块将各传感器的信号放大后，经信号调理模块的模/数转换器(ADC)进入中央处理器。
运行于中央处理器中的数据处理软件通过互联网读取企业云平台储存的测量数据，完成测量数据的分析、处理。数据处理软件也经监测仪维护接口完成监测仪工作参数设置。具体功能见附图1。
如图4所示，监测仪工作流程图，监测仪上电初始化后，进行温、湿度和锈蚀程度等参数的测量。模拟信号经信号采集模块放大、信号调理模块完成阻抗变换处理后，按照锈蚀传感器测量试片14的不同锈蚀程度，经状态显示模块的指示灯指示当前锈蚀程度。
当绿颜色指示灯点亮，表示金属表面完好，无锈蚀(Zt≤Z0)；
当黄颜色指示灯点亮，表示金属表面基本完好，锈蚀风险加大，需要采取措施(Z0≤Zt≤Z1)；
当红颜色指示灯点亮，表示金属表面已经锈蚀，需要立即采取防护或补救措施(Zt≥Z1)；
根据测量结果，将锈蚀程度分级，监测仪存储锈蚀风险数据，正常数据(无锈蚀)不存储。测量数据经中央处理器控制经通讯模块传输至企业云平台，同时测量数据存储至仪器内部存储器备份，数据存储容量不低于30000组。
如图5所示，为本实用新型实施例阻抗与锈蚀程度曲线图，锈蚀传感器(含试片，材质20#碳钢)放入烧杯中，加蒸馏水加热，生锈到一定程度后取出，烘干，测其电阻值，每次测定三次取平均值，并与未腐蚀的数据对比，每次实验连续采集50组数据，共四次实验。由实验结果可以看出，随着锈蚀程度的加大，试片阻抗变化量(ΔR)呈累积增长趋势。具体数值见下表：
| 序号 | 数据组数 | 锈蚀面积比例(％) | 试片阻抗变化ΔR：(μΩ) |
| 1 | 0～50 | 0 | 0 |
| 2 | 50～100 | 10～15 | 50±5％ |
| 3 | 100～175 | 15～25 | 150±5％ |
| 4 | 175～225 | 25～35 | 200±5％ |
如图6所示，为本实用新型实施例监测仪各组成部分结构示意图，机械结构包括主机电路4、盒体9、电池仓2、数据接口3、嵌入式的锈蚀传感器6、温度\湿度传感器7及电池仓密封塞8，其中，主机电路4设于盒体9中，主机电路4具有电路盖板5，锈蚀传感器6和温度\湿度传感器7安装于上盖表面，并扣合在盒体9上；电路盖板5一端与主机电路4通过导线连接。电路盖板5上设有接插件(插孔形式)，上盖表面底部(6、7所在结构底面)设有插针，插针与插孔用于连接电路盖板5和上盖表面底部。电池仓2设于盒体9一侧。
本实用新型采用连续频率扫描技术、阻抗变换技术完成了频扫及阻抗值输出，从而实现金属锈蚀程度数据测量及预警状态输出，结果表明，采用本实用新型测量技术及硬件模块，提高了腐蚀数据测量的准确性、稳定性。
通过采用5G通讯(技术)模块和低功耗供电模块，在实现了数据远传及工业物联网接入同时、降低了整机功耗，即可以满足工业环境、自然环境、物流仓储等环境的锈蚀程度测试及评价的需要，也可以作为实验室快速评价气相缓蚀剂效果的仪器。
Claims (7)
1.一种基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：包括锈蚀传感器、温度\湿度传感器、中央处理器、信号采集模块、信号调理模块、状态显示模块、通讯模块以及供电模块，其中，中央处理器经信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块引出线施加交流信号至锈蚀传感器，信号采集模块的输入端接有锈蚀传感器和温度\湿度传感器，信号采集模块的输出信号经信号调理模块中的模/数转换器处理变换后进入中央处理器。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：所述中央处理器还具有维护接口，其接收来自企业云平台的加密数据完成监测仪工作参数设置。
3.根据权利要求1所述的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：所述信号调理模块包括逻辑控制模块、数字频率合成器、模数转换器以及第一、二信号放大器，其中数字频率合成器通过逻辑控制模块接收中央处理器的指令，输出交流激励信号由第一放大器输出，经第二电阻施加在测量试片、补偿试片上；反馈信号经第二信号放大器、增益单元以及滤波单元进入模数转换器的输入端；模数转换器输出数字信号经DFT单元变换后，提取测量数据，并经逻辑控制模块输入至中央处理器。
4.根据权利要求1所述的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：所述锈蚀传感器包括测量试片、补偿试片以及第一～二连接插针，其中，测量试片为蛇形结构，接触待测环境；补偿试片为密封结构，粘附于测量试片底部，经环氧树脂类密封材料密封与待测环境隔绝；第二连接插针由测量试片引出，经导线连接至第二电阻，第一连接插针由补偿试片引出，同时连接至第三电阻和第二运算放大器的反向输入端。
5.根据权利要求1所述的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：还具有温度\湿度传感器，置于锈蚀传感器中，温\湿度传感器信号经信号采集模块、信号调理模块与中央处理器相连。
6.根据权利要求1所述的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：还具GPRS通讯接口，通过中央处理器控制通讯模块。
7.根据权利要求1所述的基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪，其特征在于：包括主机电路、盒体、电池仓、数据接口、嵌入式的锈蚀传感器、温度\湿度传感器及电池仓密封塞，其中，主机电路设于盒体中，主机电路具有电路盖板，锈蚀传感器和温度\湿度传感器安装于上盖表面，并扣合在盒体上；电路盖板一端与主机电路通过导线连接；电路盖板上设有插孔，上盖表面底部设有插针，插针与插孔插接，使电路盖板和上盖表面电连接；电池仓设于盒体一侧。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201922110322.2U CN211528171U (zh) | 2019-11-30 | 2019-11-30 | 基于阻抗变换技术的锈蚀预警监测仪 |
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