高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀的製作方法

2023-12-11 05:08:52

專利名稱：高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及天然氣管道腐蝕監測技術領域，特別涉及一 種基於溫度補償的高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀。是一種採 用交流恆流源進行激勵，完成溫度自動補償的高壓天然氣管道電阻法 在線腐蝕監測儀。
技術背景隨著我國大型油氣田的開發，特別是高壓含硫、含二氧化碳天然 氣的陸續開釆，對氣田的安全性提出了更高的要求。腐蝕監檢測作為 腐蝕防護的一項基礎工作越來越得到了大型油氣田生產企業的關注和 重視。而電阻探針腐蝕監測技術是通過測量金屬元件在工藝介質中腐 蝕過程的電阻值的變化，計算金屬在工藝介質中的腐蝕速度在線監測， 由於電阻探針腐蝕監測技術適用於包括氣相、液相、固相和流動顆粒 等氣田介質工作環境和測量迅速，能及時反映出設備管道的腐蝕情況， 使設備管道的腐油氣管線進行實時、連續、網絡化遠程監測，預報管 線或設備腐蝕蝕始終處於監控狀態的特點，有別於其它腐蝕監測的優 勢，常被用來對程度，評估油氣管道腐蝕損壞程度和管道預期壽命。目前，國內外電阻法監測一般均是在低壓系統中進行，即壓力〈3MPa，而且工作區的溫度基本恆定，因此對溫差電勢和接觸電勢均不 敏感，而高壓輸氣管道是一個高壓系統，即壓力〉6.4MPa，監測的天然 氣從井口流動到站內的過程中受環境和地面溫度變化的影響大，對防 爆安全性、野外環境和測試數據準確性等要求更高。美國專利 5， 446， 369(1995， Byrne ， et al.)和美國專利6， 556， 027 (2003， Banks) 都是關於電阻探針腐蝕檢測儀器。但二者均沒有指出溫度對測量結果的影響，也沒有採用自動溫度補償技術，根據上述技術形成幾種商品 在線電阻腐蝕監測儀在氣田腐蝕監測中應用結果表明其測量結果的 重現性和設備的穩定性均沒有解決，其原因在於電阻探針內部的接觸 電勢帶來的溫差效應極大地幹擾了腐蝕監測結果，完全依靠內置的參 考電阻進行溫度效應的補償，難以保證天然氣高壓管線和輸油管道的 腐蝕監測準確性。同時國際上的磁阻腐蝕監測系統，也存在監測結果 受溫度影響的不足。 實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種高壓天然氣管道電阻法在線腐 蝕監測儀，利用溫度補償的電阻法在線腐蝕監測儀的開發和消除電阻 探針線路中異種金屬之間的接界電勢、溫差電勢，以及焊接效應所導 致的測量誤差，通過交變電流電路補償解決由於環境溫度變化所致的 測量電阻誤差，提高腐蝕速率的測量精度。本實用新型採用的技術方案是高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕 監測儀，主要包括電阻探頭、交變恆流源、放大器、轉換器、單片機、 實時時鐘、數據存儲器、鋰電池、穩壓器和接口。其特徵在於在儀 器殼體內有單片機，單片機分別連接有實時時鐘、數據存儲器、接口 和穩壓器，穩壓器連接有鋰電池。單片機分別連接兩個轉換器，兩個 轉換器分別連接有放大器。兩個放大器有導線分別連接電阻探頭。電 阻探頭上連接有交變恆流源。採用高精度TPS71010晶片作為交變恆流源，3.6V鋰電池為監測儀供電；採用兩片PGA203可編程放大器對被測電阻Rxl5和參考電阻Rrl4 的端電壓(〈10mV)進行前置放大；然後經AD7703 16bit 2-A A/D轉換 器進行同時採樣，其解析度可達到lpV;採用高速低功耗MCU單片機進 行數據採集和計算，由Flash數據存儲器儲存數據，並通告隔離型RS485 接口將數據傳送到上位機中；該腐蝕監測裝置採用DS1305實時時鐘，能自動定時(1 24小時)喚醒，並採用可控的穩壓器來最大限度延長鋰 電池使用壽命。所述的電阻探頭主要由線纜插口、密封絲扣和探頭殼體組成。在密 封絲扣的上部連接有線纜插口，密封絲扣下部連接有絕緣材料製成的探頭殼體。在探頭殼體內有6根導線和一個參考電阻Rr，參考電阻Rr 兩端分別連接導線A和D，然後連接到交變恆流源。在探頭殼體的下部 有被測電阻Rx，被測電阻Rx兩端分別連接導線中的B和E、 C和F等 四根，然後連接到放大器。 交變電流溫度補償原理本實用新型提出了一種新的基於交變波形的測量方法，即採用交 流信號作外激勵信號進行測量，通過測量電流在不同相位角的電阻探 針各節點的電勢差的比值，來補償節點溫差電勢的漂移，由於節點電 勢與化學電源一樣，其電勢差是有方向的，因此通過改變激勵恆流源 的電流方向，可以對節點電勢〖進行完全補償。當激勵電流方向與淨的節點電勢方向相同時，則測量迴路的總電勢從而將節點電勢f完全補償掉。本實用新型的有益效果本實用新型高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀，將普通電阻/磁阻探頭的測量精度提高5 8倍，提高了設備腐蝕速率的測量精度，採用高速低功耗單片機作為數據採集、計算和存儲單元，達到快速、準確測量天然氣管線腐蝕速率的目的。本專利與現有電阻法在線腐蝕監測裝置相比，具有以下明顯的優點和特 佔.、、、 ■1、高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀採用高性能低功耗 80C51F系列單片機和精密交流恆流源進行激勵，內置恆電流電路，能精密控制電流在0 1A範圍內，恆流源產生的交變電流信號通過運算放大器使加到探頭上，同時設備內部的兩路16bit高精度A/D轉換器 以及高增益儀表放大器完成電阻探針上的微弱電壓信號的測量，通過 改變電流方向，進行溫差電勢的自動補償，並根據測量電壓信號的比 值，換算為敏感元件的腐蝕剩餘量和腐蝕速率，電阻腐蝕監測儀晶片 定時喚醒、A/D數據採集與分析、大容量電池供電系統、通訊協議優化 及數據圖形的算法優化均由軟體予以優化，響應速度快、能連續測試、 靈敏度高。2、 電阻腐蝕監測設備採用交變恆流電源和AV電橋方式進行高精 度電阻測量，提出了影響腐蝕速率測量精度的主要原因不是來自儀器 內部的數據轉換精度以及內部電路噪聲，而是來自傳感器中異種金屬 接界電勢差，該電勢差為溫度的線性函數。3、 提出了傳感器測量誤差存在的原因以及解決辦法，測量了電阻 探針的溫度係數，以及由於接界電勢差所造成溫漂問題，提出採用交 變恆流電源(換向電流法)進行接界電勢差補償方法，從硬體和軟體兩 方面提高了傳統電阻探針腐蝕監測的測量精度。4、 本專利中的電阻腐蝕監測裝置與失重掛片法相比，其響應快， 能連續測試。能有效監測腐蝕變化的細微趨勢，可靠性高，數據重現 性好。


圖l.是高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀的電路設計框圖。 圖2電阻探頭結構示意圖。圖3在直流、交變測量中A,(/)隨溫度的變化曲線圖中，1.電阻探頭，2.交變恆流源，3.放大器，4.轉換器，5.單 片機，6.實時時鐘，7.數據存儲器，8.鋰電池，9.穩壓器，IO.接口， ll.線纜插口， 12.密封絲扣，13.探頭殼體，14.參考電阻Rr， 15.被測電阻Rx。
具體實施方式
實施例1:參閱圖1。本實用新型高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀，主要包括電阻探頭l、交變恆流源2、放大器3、轉換器4、單片機5、實 時時鐘6、數據存儲器7、鋰電池8、穩壓器9和接口 10。在儀器殼體內有一個單片機5，單片機5採用告訴低功耗80C51F 型MCU單片機5。單片機5分別連接有一個實時時鐘6、 一個數據存儲 器7、 一個接口 10和一個穩壓器9，穩壓器9連接有鋰電池8。實時時 鍾6採用的是DS1305實時時鐘6。數據存儲器7採用的是Flash數據 存儲器7。接口 10是通告隔離型RS485接口 10。鋰電池8採用的是3.6V 鋰電池。單片機5還分別連接有兩個轉換器4，兩個轉換器4分別連接有放 大器3。兩個放大器3有導線分別連接電阻探頭1。電阻探頭l上連接 有交變恆流源2。交變恆流源2採用高精度TPS71010晶片。放大器3 釆用兩片PGA203可編程放大器3。轉換器4是兩個AD7703的16bit 2-A A/D轉換器4。參閱圖2。電阻探頭l主要由線纜插口 11、密封絲扣12和探頭殼 體13組成。安裝時密封絲扣12固定在高壓天然氣管線上。在密封絲 扣12的上部連接有線纜插口 11，密封絲扣12下部連接有絕緣材料樹 脂製成的探頭殼體13。在探頭殼體13內有6根導線和一個參考電阻 Rrl4，參考電阻Rrl4兩端分別連接導線A和D，然後連接到交變恆流 源2。在探頭殼體13的下部有被測電阻Rxl5，被測電阻Rxl5兩端分 別連接導線中的B和E、 C和F等四根，然後連接到放大器3。電阻探頭1內的參考電阻Rrl4和被測電阻Rxl5的電阻值較小， 一般在10mQ以下，因此大電流交流恆流源2進行信號激勵，同時採用雙路高精度的前端差分(儀表)信號放大器和數據變送器，測量儀器使用大容量鋰電池8和高精度交變恆壓源2，高速MCU處理單元5則採用掉電模式代替睡眠模式，保證定時測量的進行。本設計中採用了實時時鐘6，以記錄準確的實時時間，並定時喚醒單片機5 (MCU)，恢復 測量工作。對於模數轉換器4，選用雙路16bit2-A轉換器A/D轉換器 3高採樣精度，計算結果保存在非遺失性flash存儲器7中。本設備具 有一個隔離的RS485串口接口 10，負責設備與遠程計算機間的通訊。參閱圖2。電阻探頭1的關鍵部分實際上就是一根金屬絲，金屬絲 的一部分密封在樹脂或玻璃陶瓷內，與外界環境隔離，作參考電阻 Rrl4，另外一部分作為腐蝕監測被測電阻Rxl5直接暴露在腐蝕環境中， 作為測量元件，二者處於同一溫度環境中。電阻腐蝕檢測儀與電阻探 頭1之間通過六芯屏蔽電纜線連接，電阻探頭1 一端由NPT密封絲扣 12與被測管線固定連接，保證測試狀態的穩定和高壓下的密封安全， 電阻探頭1另一端是被測電阻Rxl5。被測電阻Rxl5直接與被測試的腐 蝕環境接觸。圖3中描述了溫度變化對精密電阻測量結果的影響，可見採樣傳 統方法，溫度的變化對電阻測量影響很大，曲線描述了正向Ubd(a-f) 和反向IL(f-a)隨溫度變化的線性擬合，以及正、反向電勢之比值隨溫 度變化的線性擬合曲線。藉助本專利中實現交變電流方法，通過電流 的換向測量來補償節點溫差電勢的漂移。由於正、反向測量的電阻比 值A,W溫度係數是相反的，因此正、反向測量結果的絕對值和理論上 不隨溫度而變化，從而達到了補償節點電勢的目的，實現對溫差電勢 的自動補償。採用本專利方法後由溫度引起的測量偏差僅為傳統方法 的1/8，交變電流測量可以消除接界電勢，降低由溫度波動引起的接觸 電勢變化，提高了腐蝕速率測量精度。
權利要求1、一種高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀，主要包括電阻探頭(1)、交變恆流源(2)、放大器(3)、轉換器(4)、單片機(5)、實時時鐘(6)、數據存儲器(7)、鋰電池(8)、穩壓器(9)和接口(10)，其特徵在於在儀器殼體內有單片機(5)，單片機(5)分別連接有實時時鐘(6)、數據存儲器(7)、接口(10)和穩壓器(9)，穩壓器(9)連接有鋰電池(8)，單片機(5)分別連接兩個轉換器(4)，兩個轉換器(4)分別連接有放大器(3)，兩個放大器(3)有導線分別連接電阻探頭(1)，電阻探頭(1)上連接有交變恆流源(2)。
2、 根據權利要求1所述的高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀， 其特徵是所述的交變恆流源(2)採用高精度TPS71010晶片；鋰電池 (8)為3.6V;所述的放大器(3)採用兩片PGA203可編程放大器(3);所 述的轉換器(4)是AD7703 16bitS-AA/D轉換器(4);所述的單片機(5) 採用高速低功耗80C51F型MCU單片機(5);所述的數據存儲器(7)是 Flash數據存儲器(7);所述的接口 (10)是通告隔離型RS485接口 (10); 實時時鐘(6)採用的是DS1305實時時鐘(6)。
3、 根據權利要求1所述的高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀， 其特徵是所述的電阻探頭(l)主要由線纜插口(ll)、密封絲扣(12)和 探頭殼體(13)組成，在密封絲扣(12)的上部連接有線纜插口(11)，密 封絲扣(12)下部連接有絕緣材料製成的探頭殼體(13)，在探頭殼體(13) 內有六根導線和一個參考電阻Rr(14)，參考電阻Rr(14)兩端分別連接 導線A和導線D，然後連接到交變恆流源(2)，在探頭殼體(13)的下部 有被測電阻Rx (15)，被測電阻Rx (15)兩端分別連接六根導線中的導線 B和導線E、導線C和導線F，然後連接到放大器(3)。
專利摘要高壓天然氣管道電阻法在線腐蝕監測儀，應用於天然氣管道溫度補償在線腐蝕監測。特徵是在儀器殼體內有單片機，單片機分別連接有實時時鐘、數據存儲器、接口和穩壓器，穩壓器連接有鋰電池。單片機分別連接兩個轉換器，兩個轉換器分別連接有放大器。兩個放大器有導線分別連接電阻探頭。電阻探頭上連接有交變恆流源。效果是採用交流信號作為激勵信號進行測量，通過測量電流在不同相位下探針各節點的電勢差的比值，補償節點溫差電勢的漂移。通過改變激勵恆流源的電流方向，對節點電勢進行完全補償。在高壓天然氣管線的腐蝕監測中簡化了測試過程，測量精度提高了5～8倍，現場條件下實用性和適應性較強。
文檔編號G01N27/04GK201218804SQ20082010863
公開日2009年4月8日 申請日期2008年6月4日 優先權日2008年6月4日
發明者銳 劉, 李明星, 李瓊瑋, 楊全安, 程碧海, 董曉煥, 董澤華 申請人:中國石油天然氣股份有限公司