一種在線式管道腐蝕的測量裝置及方法

2023-05-13 12:33:36

專利名稱：一種在線式管道腐蝕的測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種在線式管道腐蝕的測量裝置及方法，具體地說是一種在線式採用多種抗幹擾、降噪聲技術的電阻法測量金屬管道壁厚和腐蝕率的測量裝置及測量方法。

發明內容
本發明提供一種能夠準確的測量管道的真實腐蝕狀況且具有抗幹擾能力強、靈敏度高的在線式管道腐蝕的測量裝置及方法。為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案一種在線式管道腐蝕的測量裝置，其包括探針裝置10和採集器20，所述探針裝置10包括4組頂針19、溫度補償片18 ；所述採集器20包括安全柵21、22、23、變頻信號源沘、放大器對、25、A/D轉換器洸、27、DSP處理器30、通訊模塊29、Flash晶片31 ；所述溫度補償片18通過所述安全柵23信號連接變頻信號源觀，所述變頻信號源 28信號連接所述DSP處理器30，所述溫度補償片18還通過安全柵22信號連接放大器25， 所述放大器25信號連接A/D轉換器27，所述A/D轉換器27信號連接所述DSP處理器30 ；所述頂針19通過安全柵21信號連接放大器M，所述放大器M信號連接A/D轉換器沈，所述A/D轉換器沈信號連接所述DSP處理器30。優選地，所述的4組頂針19包括頂在被測管道上的頂針頭和用於連接所述安全柵的頂針座，所述頂針頭與頂針座彈性連接在一起。一種在線式管道腐蝕的測量方法，根據測量被測管道12的電阻Rl和溫度補償片 18的電阻R2，計算得到被測管道12的壁厚d及腐蝕率m。優選地，所述的被測管道12的壁厚依照公式1 :d = k/x得到管道壁厚d，其中k是和被測管道12的長度、直徑、材料及和溫度補償片18相關的常數，χ為被測管道12和溫度補償片18的電阻比值。優選地，所述的腐蝕率計算依照公式2 :m = m = (dl_d2) / (t2_tl)，得到腐蝕率m， 其中tl，t2為兩個時間點，dl對應tl時間點的管壁壁厚，d2對應t2時間點的管壁壁厚。
優選地，所述的測量方法包括數據採集及處理步驟，所述數據採集及處理步驟如下在測量被測管道12的電阻Rl前，DSP處理器30先通知變頻信號源28對外不施加激勵信號，DSP處理器30進行數據採集，將採集的數據進行FFT變換，尋找出幹擾最小的若干個頻點，然後由變頻信號源觀在該若干個頻點上向外施加激勵信號，DSP處理器30再進行數據採集，將結果進行FFT變換，計算出該若干個頻點的在所述電阻比值的校正係數， 並存儲該若干個頻點和對應點的校正係數；在測量被測管道12的電阻時，DSP處理器30先通知變頻信號源28對外不施加激勵信號，DSP處理器30進行數據採集，將採集的數據進行FFT變換，找出存儲的頻點中幹擾最小的一個頻點，然後將該幹擾最小的一個頻點通知變頻信號源觀，變頻信號源觀在該幹擾最小的一個頻點向外施加激勵信號，同時將該激勵信號每個周期的起始時刻發送給DSP處理器30，DSP處理器30根據每個周期的起始時刻將多次採集到的數據在時域內進行疊加，DSP處理器30將所述疊加的結果進行FFT變換，將被測管道12和溫度補償片18的電阻在該頻點的電阻比值χ作為測量結果，並使用所述存儲的校正係數對該測量結果χ進行校正，根據所述校正後的測量結果、所述公式(1)和公式(2)計算得到被測管道12的壁厚 d及腐蝕率m。通過實施以上技術方案，具有以下技術效果1、直接測量被測管道的壁厚和被測管道腐蝕率，真實反映管道的實際情況，可直接替代人工定點測厚。2、靈敏度高，抗幹擾能力強，工作效率高。該測量裝置的測量電阻採用變頻信號源，可以找出幹擾最低的頻率點，可通過信號疊加、頻域分析技術抑制噪聲信號，與現有技術中採用通頻測量相比，增強了抗幹擾能力，提高了靈敏度，可得到比人工超聲波測厚更準確的管道壁厚數據。4、實現遠程在線測量，該測量裝置與上位計算機進行通訊連接，實現測量結果的遠程通訊，由上位計算機處理並顯示測量結果和腐蝕曲線，可以實時在線監測金屬的腐蝕狀況。5、適用範圍廣，可應用於石油、石化、發電、燃氣、自來水等行業的管道腐蝕監測。


圖1是本發明實施例提供的在線式管道腐蝕的測量裝置的信號處理硬體框圖；圖2是本發明實施例提供的被測管道和溫度補償片的結構原理圖；圖3是本發明實施例提供的安全柵的電路原理圖；圖4是本發明實施例提供的變頻信號源電路原理圖；圖5是本發明實施例提供的計算頻段及校正係數流程圖；圖6是本發明實施例提供的數據採集及處理流程圖。
具體實施例方式為了更好的理解本發明的技術方案，下面結合附圖詳細描述本發明提供的實施例。見圖1是在線式管道腐蝕的測量裝置對信號處理的硬體處理框圖，本測量裝置包括探針裝置10和採集器20，所述探針裝置10包括4組頂針19、溫度補償片18 ；所述採集器20包括安全柵21、22、23、變頻信號源觀、放大器M、25、A/D (模/數)轉換器沈、27、 DSP (數據處理器)處理器30、通訊模塊四、Flash晶片31 ；所述溫度補償片18通過所述安全柵23信號連接變頻信號源觀，所述變頻信號源 28信號連接所述DSP處理器30，所述溫度補償片18還通過安全柵22信號連接放大器25， 所述放大器25信號連接A/D轉換器27，所述A/D轉換器27信號連接所述DSP處理器30 ；所述頂針19通過安全柵21信號連接放大器M，所述放大器M信號連接A/D轉換器沈，所述A/D轉換器沈信號連接所述DSP處理器30。4組頂針19採用四線制電阻測量法和被測管道12接觸測量其電阻R1，溫度補償片18也採用四線制電阻測量法測量其電阻R2，對被測管道12及溫度補償片18施加同一交流激勵信號。被測管道12及溫度補償片18的原理圖見圖2，被測管道12和溫度補償片18在 m點相連，變頻信號源觀的輸出通過安全柵23向A、B點施加激勵信號，C、D點作為被測管道12R1的電阻信號輸出，E、F點作為溫度補償片18R2的電阻信號輸出，這兩組信號通過安全柵21、22連接到放大器對、25的輸入。放大器對、25的輸出連到A/D轉換器沈、27的輸入，A/D轉換器沈、27的輸出連到DSP處理器30。4組頂針19均採用不易腐蝕材料製成， 頂在被測管道上的頂針頭和用於連接所述安全柵的頂針座，所述頂針頭與頂針座彈性連接在一起。頂針19安裝在該測量裝置的支架上，安裝支架安裝在被測管道12上，頂針頭頂在被測管道上並有一定的預頂力，可以和管道保持良好的電氣接觸。溫度補償片18和被測管道12為相同材質，溫度補償片18緊貼在被測管道12上， 但它們之間由傳熱絕緣材料隔開。由於被測管道12的電阻和溫度之間有一定關係，如碳鋼每增加1°C，電阻將增加0. 6%，對於5mm的被測管道，1°C將產生約30um的測量偏差，該偏差對測量結果的影響幾乎是不可接受的，因此設計了溫度補償片，溫度補償片在應用中是不會被腐蝕，根據被測管道12的電阻Rl和溫度補償片18的電阻R2的電阻比值，可以消除溫度對被測管道12的電阻Rl的影響，為了保證被測管道12和溫度補償片18的溫度相同， 需要它們儘可能的接近，並在它們之間採用傳熱絕緣材料隔開，其材料可採用雲母片或導熱膠墊。放大器M、25採用型號為0PA1632的放大器，A/D轉換沈、27採用型號為ADS1271 的A/D轉換器，DSP處理器30採用型號為TMS320M8系列的DSP處理器，變頻信號源28採用型號為C8051F330的D/A (數/模轉換)產生正弦波，安全柵21、22、23為齊納安全柵，通訊模塊四為RS485通訊，Flash晶片31採用串行IIC( 一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線)型Flash (快閃記憶體)。放大器M、25採用超低噪聲全差分放大器0PA1632，可提供很高的共模抑制比、很低的噪聲和合適的放大倍數。A/D轉換沈、27為1(^KSPS轉換速率的Mbit的轉換器，可滿足高速、高精度、低噪聲需要，在處理器的控制下改變ADS1271的參考電壓可達到量程自適應，滿足因不同材質、 不同被測管道壁厚而造成電阻有較大差異的需要。安全柵21、22、23，電路原理圖見圖3，由快速熔斷器F、保護二極體D及限流電阻 R組成，採集器和其外部所有連接信號均通過安全柵21、22、23相連，使測量裝置安滿足石油、石化行業現場的防爆要求。變頻信號源觀見圖4，它是由型號為C8051F330的D/A產生正弦波的MCU和放大器A3組成，MCU接收由DSP處理器30傳來的頻率參數，由MCU內部D/A產生該頻率的正弦波，經放大器A3施加在測量被測管道12和溫度補償片18上。測量被測管道12的電阻Rl和溫度補償片18的電阻R2，計算得到被測管道12的
壁厚d及腐蝕率m。被測管道12的壁厚依照公式d = k/x得到管道壁厚d，其中k是和被測管道12的長度、直徑、材料及和溫度補償片18相關的常數，χ為被測管道12和溫度補償片18的電阻比值，其原理是金屬電阻R的公式為
5
R = a*f (t) *R0a是和金屬材質相關的常數，f(t)是溫度係數，它和材料有關，RO是金屬在零攝氏度時電阻。被測管道12的電阻R 測=a 測 *f (t 測)*R0 測；溫度補償片18的電阻R 補=a 補 *f(t 補)*R0 補；由於被測管道12和溫度補償片18材質相同且認為它們的溫度相同，故「a測」= "a補」，"f(t測)，，="f(t補)」，且溫度補償片18不會被腐蝕，故「R0補」為一定值，設定這些常數關係用b表示，則R 測 /R 補=(K 測 *f (t 測)*R0 測)/K 補 *f (t 補)*R0 補)=b*R0 測即被測管道12在零攝氏度時電阻RO 測=b* (R 測 /R 補)將被測管道12和溫度補償片18都看作一薄板，RO = P *l/(d*h)，其中P零攝氏度時電阻率，1為長度，h為寬度，d為厚度，P、l、h在管道被腐蝕時都不會發生變化，設定這些不變量和b的影響結果用k表示，且χ = R測/R補，則得到被測管道12的厚度d d =上式中χ是測量的到的，該厚度d可以認為是被測管道12的壁厚，因此通過上述方式可以得到被測管道12的壁厚d。腐蝕率計算依照公式= (dl-d2)/(t2-tl)得到腐蝕率m，其中tl，t2為兩個時間點，dl對應tl時間點的管壁壁厚，d2對應t2時間點的管壁壁厚。測量方法包含數據採集及處理步驟，該步驟包括先計算頻段及校正係數，見圖5 在測量被測管道12的電阻Rl前，S101、DSP處理器30先通知變頻信號源觀對外不施加激勵信號；S102、DSP處理器30進行數據採集，將所述數據採集進行FFT變換；S103、尋找出幹擾最小的若干個(如圖5中的10個)頻點，S104、 然後由變頻信號源觀在該若干個頻點上向外施加激勵信號，S105、DSP處理器30再進行數據採集，將再進行採集數據結果進行FFT (傅立葉)變換，S106、計算出該若干個頻點的在所述電阻比值的校正係數，並存儲該若干個頻點和對應點的校正係數。S107、再判斷是否對上面若干頻點計算處理結束，如果未結束，則再進行步驟S105，如果結束，則計算頻段及校正係數過程結束。數據採集及處理流程見圖6，在測量被測管道12的電阻時，S201、DSP處理器30 先通知變頻信號源觀對外不施加激勵信號；S202、DSP處理器30進行數據採集，將採集的數據進行FFT變換，S203、找出存儲的頻點中幹擾最小的一個頻點，然後將該幹擾最小的一個頻點通知變頻信號源觀；S204、變頻信號源觀在該幹擾最小的一個頻點向外施加激勵信號，同時將該激勵信號每個周期的起始時刻發送給DSP處理器30 ；S205、DSP處理器30根據每個周期的起始時刻將多次採集到的數據在時域內進行疊加，S206、判斷疊加次數是否達到要求，如果達到則進行步驟S207，如果沒有達到則繼續進行步驟S205 ；S207、DSP處理器 30將所述疊加的結果進行FFT變換，將被測管道12和溫度補償片18的電阻在該頻點的電阻比值χ作為測量結果，並使用所述存儲的校正係數對該測量結果χ進行校正，根據所述校正後的測量結果、所述公式(1)和公式(2)計算得到被測管道12的壁厚d及腐蝕率m。
上述內容已經說明了本在線式管道腐蝕的測量裝置及方法，本領域的普通技術人員對採集器的頻段數、信號疊加次數、A/D轉換器型號、變頻信號源元件型號、DSP處理器型號做出變化，探針裝置結構做出變化以及在此基礎上做出各種形式和細節上的變更都將被包含在本發明範圍中。
權利要求
1.一種在線式管道腐蝕的測量裝置，其特徵在於，包括探針裝置(10)和採集器(20)， 所述探針裝置(10)包括4組頂針(19)、溫度補償片(18)；所述採集器(20)包括安全柵 (21、22、23)、變頻信號源(28)、放大器(24,25)、A/D轉換器(26,27)、DSP處理器(30)、通訊模塊(29)、Flash 晶片(31)；所述溫度補償片(18)通過所述安全柵(23)信號連接變頻信號源(28)，所述變頻信號源(28)信號連接所述DSP處理器(30)，所述溫度補償片(18)還通過安全柵(22)信號連接放大器(25)，所述放大器(25)信號連接A/D轉換器(27)，所述A/D轉換器(27)信號連接所述DSP處理器(30)；所述頂針(19)通過安全柵(21)信號連接放大器(24)，所述放大器(24)信號連接A/D 轉換器(26)，所述A/D轉換器(26)信號連接所述DSP處理器(30)。
2.根據權利要求1所述的在線式管道腐蝕的測量裝置，其特徵在於，所述的4組頂針 (19)包括頂在被測管道上的頂針頭和用於連接所述安全柵的頂針座，所述頂針頭與頂針座彈性連接在一起。
3.—種在線式管道腐蝕的測量方法，其特徵在於，根據測量被測管道(12)的電阻Rl和溫度補償片(18)的電阻R2，計算得到被測管道(12)的壁厚d及腐蝕率m。
4.根據權利要求3所述的在線式管道腐蝕的測量方法，其特徵在於，所述的被測管道 (12)的壁厚依照公式(1) :d = k/x得到管道壁厚d，其中k是和被測管道(12)的長度、直徑、材料及和溫度補償片(18)相關的常數，χ為被測管道(12)和溫度補償片(18)的電阻比值。
5.根據權利要求4所述的在線式管道腐蝕的測量方法，其特徵在於所述的腐蝕率計算依照公式(2) :m= (dl-d2)/(t2-tl)，得到腐蝕率m，其中tl，t2為兩個時間點，dl對應 tl時間點的管壁壁厚，d2對應t2時間點的管壁壁厚。
6.根據權利要求5所述的在線式管道腐蝕的測量方法，其特徵在於，所述的測量方法包括數據採集及處理步驟，所述數據採集及處理步驟如下在測量被測管道(12)的電阻Rl前，DSP處理器(30)先通知變頻信號源(28)對外不施加激勵信號，DSP處理器(30)進行數據採集，將採集的數據進行FFT變換，尋找出幹擾最小的若干個頻點，然後由變頻信號源(28)在該若干個頻點上向外施加激勵信號，DSP處理器(30)再進行數據採集，將結果進行FFT變換，計算出該若干個頻點的在所述電阻比值的校正係數，並存儲該若干個頻點和對應點的校正係數；在測量被測管道(12)的電阻時，DSP處理器(30)先通知變頻信號源(28)對外不施加激勵信號，DSP處理器(30)進行數據採集，將採集的數據進行FFT變換，找出存儲的頻點中幹擾最小的一個頻點，然後將該幹擾最小的一個頻點通知變頻信號源(28)，變頻信號源 (28)在該幹擾最小的一個頻點向外施加激勵信號，同時將該激勵信號每個周期的起始時刻發送給DSP處理器(30)，DSP處理器(30)根據每個周期的起始時刻將多次採集到的數據在時域內進行疊加，DSP處理器(30)將所述疊加的結果進行FFT變換，將被測管道(12)和溫度補償片(18)的電阻在該頻點的電阻比值χ作為測量結果，並使用所述存儲的校正係數對該測量結果χ進行校正，根據所述校正後的測量結果、所述公式(1)和公式(2)計算得到被測管道(12)的壁厚d及腐蝕率m。
全文摘要
本發明提供一種在線式管道腐蝕的測量裝置及方法，該裝置包括溫度補償片通過安全柵信號連接變頻信號源，變頻信號源信號連接DSP處理器，溫度補償片還通過安全柵信號連接放大器，放大器信號連接A/D轉換器，A/D轉換器信號連接DSP處理器；頂針通過安全柵信號連接放大器，放大器信號連接A/D轉換器，A/D轉換器信號連接DSP處理器。該測量裝置和方法能夠準確的測量管道的真實腐蝕狀況且具有抗幹擾能力強、靈敏度高。
文檔編號G01N17/00GK102156090SQ201110063399
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月16日 優先權日2011年3月16日
發明者段道景 申請人:深圳格魯森科技有限公司