一種金屬面腐蝕檢測儀及其測量方法與流程
2023-05-13 03:19:47
本發明涉及一種新型無損檢測裝置，具體地說是一種金屬面腐蝕檢測儀及其測量方法。
背景技術：
近年來國內石化企業大量煉製高硫、高酸原油，使設備腐蝕加劇，所帶來的問題也愈加嚴重，為了防止事故發生，需要加強設備腐蝕監測，尤其對設備壁厚的大面積實時檢測是目前企業迫切需要的。目前對設備壁厚的檢測主要採用的是超聲波檢測，超聲波測厚需要耦合劑，檢測時是測量點壁厚，不僅測量時間長、工作效率低，而且監測範圍小、測量誤差大、靈敏度不高。
技術實現要素：
針對現有技術中對設備壁厚的超聲波檢測存在測量時間長、工作效率低，測量誤差大等不足，本發明要解決的技術問題是提供一種靈敏度高、檢測面積大、壽命長的探針呈同心圓分布或呈平行線分布的金屬面腐蝕檢測儀及其測量方法。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
本發明一種金屬面腐蝕檢測儀，探針組及採集器，其特徵在於：探針組通過連接導線及連接器與採集器連接，採集器與上位機進行通訊連接；探針組由多個呈同心圓分布或呈平行線分布的探針構成，探針為用於測試金屬的壁厚的雙極耦合電極。
採集器內設有檢測電路，檢測電路包括多個金屬單元檢測區域的放大單元、電流監測電阻RI、恆流源激勵電路、A/D轉換器以及中央控制器；放大單元對金屬單元檢測區域的電阻R1採樣信號進行放大後經A/D轉換器送入中央控制器，中央控制器通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接；恆流源激勵電路為金屬單元檢測區域提供激勵電源。
金屬單元檢測區域的電阻R1與電流監測電阻RI串聯後通過選通開關與恆流源激勵電路相連。
本發明一種金屬面腐蝕檢測儀測量方法，包括以下步驟：
初始階段：採集器測量金屬單元檢測區域i的電壓Ui0、電流Ii0以及溫度T0；並記錄當前厚度Hi0；
正常測量階段：採集器測量金屬單元檢測區域i的電壓Ui1，電流Ii1，溫度T1。
計算厚度：
Hi1＝Hi0×Gi1/Gi0 (1)
其中Gi0＝Ii0/Ui0；Gi1＝Ii1/Ui1；Gi0為金屬單元檢測區域i的初次檢測時的電導，Hi0為金屬單元檢測區域i的初次檢測時管壁厚度，Gi1為金屬單元檢測區域i的正常檢測時的電導，Hi1為金屬單元檢測區域i正常檢測時的管壁厚度；
求腐蝕速率：上位機根據上述金屬單元檢測區域的管壁厚度變化求出金屬的腐蝕速率。
所述採集器具有探針組，其由多個呈同心圓分布或呈平行線分布的探針構成，探針均為雙極耦合電極，一個電極用於施加激勵，一個電極用於採樣。
探針組中每兩隻探針之間形成一個監測區域，全部探針在被測金屬面上形成多個金屬單元檢測區域；各金屬單元檢測區域使用同一電流迴路檢測電流。
厚度計算公式推導過程如下：
電阻材料學計算公式R＝ρ×L/S ①
其中，ρ為金屬電阻率，L為金屬長度，S為金屬截面積；
在初始階段R0＝ρ0×L0/S0 ②
其中，ρ0為初始階段金屬電阻率，L0為初始階段金屬長度，S0為初始階段金屬截面積；
正常測量階段R1＝ρ1×L1/S1 ③
其中，ρ1為正常測量階段金屬電阻率，L1為正常測量階段金屬長度，S1為正常測量階段金屬截面積；
從初始階段到正常測量階段各參數變化如下：
金屬電阻率不變，即ρ0＝ρ1 ④
金屬長度L不變，即L0＝L1 ⑤
金屬截面積S＝寬度W×厚度H ⑥
寬度W為電極直徑不變，即W0＝W1 ⑦
厚度H由於腐蝕改變；
由公式②、⑥可得：R0＝ρ0×L0/(W0×H0) ⑧
由公式③、④、⑤、⑥、⑦可得：R1＝ρ0×L0/(W0×H1) ⑨
公式⑧/公式⑨得到：H1＝H0×R0/R1 ⑩
電阻電學測量公式
其中，U為金屬導體端電壓，I為流過電流；
電導電學測量公式
其中，U為金屬導體端電壓，I為流過電流；
由公式⑩、可得：H1＝H0×G1/G0。
本發明具有以下有益效果及優點：
1.測量誤差小。本發明檢測電路檢測金屬單元區域時，同時測金屬溫度，進行溫度補償，因此有效減小了測量誤差。
2.靈敏度高、抗幹擾能力強，工作效率高。本發明以恆流源做為激勵信號，可以通過頻段濾波提取有效信號以抑制噪聲信號，採用多通道同時採樣的運放，提高了靈敏度，由此縮短了測量時間，提高了工作效率，避免了人工操作所帶來的人為因素的影響。
3.適用範圍廣。本發明是監測管道指定區域腐蝕情況的非接觸技術，還可應用於儲藏罐或其他金屬建築物上；能夠用於檢測複雜的幾何體(彎頭、T-接頭、Y-接頭等)。
4.實現遠程在線測量。本發明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.本發明可應用於儲藏罐或其他金屬建築物上，具有很高的靈敏度和精確度，可在早期探測到腐蝕減薄的改變，從而可在腐蝕損害發生之前優化預防措施；可用於高溫工況，而沒有溫度漂移和降低精度的問題，具有測量誤差小、靈敏度高，抗幹擾能力強，適用範圍廣等優點，能夠實現遠程在線測量。
附圖說明
圖1為本發明探針呈同心圓分布(6個單元監測區域為例)的示意圖；
圖2為本發明探針呈平行線分布(6個單元監測區域為例)的示意圖；
圖3為本發明採集器外部結構示意圖；
圖4為本發明測量電路原理圖。
其中，1為殼體，2為連接線輸入接口，3為激勵接口，4為溫度傳感器接口，5為電源接口，6為通訊接口。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明作進一步闡述。
如圖1、2所示，本發明一種金屬面腐蝕檢測儀，探針組及採集器，探針組通過連接導線及連接器與採集器連接，採集器與上位機進行通訊連接；探針組由多個呈同心圓分布或呈平行線分布的探針構成，探針為用於測試金屬的壁厚的雙極耦合電極。
如圖4所示，採集器內設有檢測電路，包括多個金屬單元檢測區域放大單元、電流監測電阻RI、恆流源激勵電路、A/D轉換器以及中央控制器，放大單元對金屬單元檢測區域的電阻R1進行放大後，經A/D轉換器送入中央控制器，中央控制器通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接；恆流源激勵電路為金屬單元檢測區域提供激勵電源。
金屬單元檢測區域的電阻R1與電流監測電阻RI串聯後通過選通開關SWV1、SWI1與恆流源激勵電路相連。
本發明金屬面腐蝕檢測儀，包括探針組、連接線及採集器三部分，探針組：呈同心圓分布的探針P0、P1、P2、P3、P4、P5、P6，如圖1所示；或呈平行線分布的探針P1、P2、P3、P4、P5、P6；P-1、P-2、P-3、P-4、P-5、P-6，如圖2所示；探針為雙極耦合電極，雙極耦合電極的一個電極用於施加激勵，一個電極用於採樣；連接線為用於連接探頭和採集器的導線。如圖3所示，採集器包括：殼體1，殼體1正面有連接線輸入接口2，激勵接口3，溫度傳感器接口4；殼體1背面有電源接口5及通訊接口6，通訊接口6與上位計算機進行通訊連接。
如圖4所示，僅給出兩個測量迴路的電氣原理圖，本實施例中採用六個測量迴路，電氣連接方式與圖4相似。檢測電路包括金屬單元檢測區域的電阻R1和電流監測電阻RI，二者串聯後通過選通開關SWV1、SWI1(與恆流源激勵電路相連；電阻R1經單元放大電路送入A/D轉換器；RI經精密運放UI送入A/D轉換器；A/D轉換器與中央控制器相連；中央控制器通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接。
本發明金屬面腐蝕檢測儀的工作過程如下：
金屬面腐蝕檢測儀其測量方法是以測量金屬腐蝕損失為基礎，通過測量金屬的腐蝕損耗減薄而得出金屬腐蝕速率的變化。金屬單元檢測區域電阻R1隨著金屬腐蝕損失而增大，其隨時間變化的函數曲線即可得到金屬損失量隨時間的函數曲線，也就是腐蝕速率；另一方面，金屬單元檢測區域電阻R1隨溫度的變化會增大或減小，為了消除由於溫度變化帶來的測量誤差，通過溫度補償來消除溫度對測量結果的影響。檢測電路中第1放大器UV1採用高輸入阻抗、高精度儀表放大器，其輸入端接收金屬單元檢測區域R1，第1放大器UV1的輸出信號經過第2放大器UVV1進一步放大後，輸出信號進入A/D轉換器進行模數轉換，中央處理器對A/D轉換器輸出的數位訊號進行採集，並進行相應計算，同時中央處理器通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接，由上位計算機對檢測數據進行計算處理，並顯示測量結果和和腐蝕曲線，通過顯示實現檢測系統的在線測量。
本發明一種金屬面腐蝕檢測儀測量方法，包括以下步驟：
初始階段：採集器測量金屬單元檢測區域i的電壓Ui0、電流Ii0以及溫度T0；並記錄當前厚度Hi0；
正常測量階段：採集器測量金屬單元檢測區域i的電壓Ui1，電流Ii1，溫度T1。
計算厚度：
Hi1＝Hi0×Gi1/Gi0計算；其中Gi0＝Ii0/Ui0；Gi1＝Ii1/Ui1 (1)
其中，Gi0為金屬單元檢測區域i的初次檢測時的電導，Hi0為金屬單元檢測區域i的初次檢測時管壁厚度，Gi1為金屬單元檢測區域i的正常檢測時的電導，Hi1為金屬單元檢測區域i正常檢測時的管壁厚度；
求腐蝕速率：上位機根據上述金屬單元檢測區域的管壁厚度變化，求出金屬的腐蝕速率。
所述採集器具有探針組，其由多個呈同心圓分布或呈平行線分布的探針構成，探針均為雙極耦合電極，一個電極用於施加激勵，一個電極用於採樣。
探針組中每兩隻探針之間形成一個金屬單元檢測區域，全部探針在被測金屬面上形成多個金屬單元檢測區域；各金屬單元檢測區域使用同一電流迴路檢測電流。
上述計算公式(1)的推導過程如下：
電阻材料學計算公式R＝ρ×L/S①
其中，ρ為金屬電阻率，L為金屬長度，S為金屬截面積。
在本發明中，初始階段R0＝ρ0×L0/S0 ②
其中，ρ0為初始階段金屬電阻率，L0為初始階段金屬長度，S0為初始階段金屬截面積
正常測量階段R1＝ρ1×L1/S1 ③
其中，ρ1為正常測量階段金屬電阻率，L1為正常測量階段金屬長度，S1為正常測量階段金屬截面積。
由於兩階段測量為不同時間，所以參數會如下變化：
金屬ρ金屬電阻率不變，得出ρ0＝ρ1 ④
金屬長度L不變(熱脹冷縮很小，可忽略)，得出L0＝L1 ⑤
金屬截面積S＝寬度W×厚度H ⑥
寬度W為電極直徑不變，得出W0＝W1 ⑦
厚度H會腐蝕改變。
由公式②、⑥可得：R0＝ρ0×L0/(W0×H0) ⑧
由公式③、④、⑤、⑥、⑦可得：R1＝ρ0×L0/(W0×H1) ⑨
公式⑧/公式⑨得到：H1＝H0×R0/R1 ⑩
電阻電學測量公式
其中，U為金屬導體端電壓，I為流過電流。
電導電學測量公式
其中，U為金屬導體端電壓，I為流過電流。
由公式⑩、可得：H1＝H0×G1/G0
其中，Gi0為被測金屬單元區域i的初次檢測時的電導(未被腐蝕時)，Hi0為被測金屬單元區域i的原始管壁厚度(未被腐蝕時)，Gi1為被測金屬單元區域i的正常檢測時的電導，Hi1為被測金屬單元區域i當前管壁厚度。
實際測量中，I0、U0、I1、U1是帶入算式⑴的。相比於H1＝H0×(I1/U1)/(I0/U0)公式⑴H1＝H0×G1/G0更易理解記憶。
本發明金屬面腐蝕檢測儀及其測量方法，主要用來檢測各種形式的腐蝕，也可檢測大多數的裂紋以及監控腐蝕和裂紋的擴展。其原理是將探針在待測區布置成呈同心圓分布或呈平行線，對電極施加同一激勵信號；然後測量通過金屬結構電場的微小變化，用測得的電導值與初始設定時測得的電導值進行比較，依此來檢測由於腐蝕等引起的金屬損失、裂紋、凹坑或凹槽。本發明可應用於儲藏罐或其他金屬建築物上。本發明有很高的靈敏度和精確度，可在早期探測到腐蝕減薄的改變，從而可在腐蝕損害發生之前優化預防措施。本發明可用於高溫工況，而沒有溫度漂移和降低精度的問題，具有測量誤差小、靈敏度高，抗幹擾能力強，適用範圍廣等優點，能夠實現遠程在線測量。