用於腐蝕測量的現場設備的製作方法

2023-06-11 15:06:56 2

專利名稱：用於腐蝕測量的現場設備的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及腐蝕測量，尤其涉及用於腐蝕測量的低功率現場設備
(field device )。
背景技術：
現場安裝的發送設備已經被廣泛地應用於過程控制環境當中來提供過程 變量信息給控制和/或數據獲取設備。與實驗室測量設備不同，在設備會經歷 極端溫度和溼度的製造工廠、化學處理工廠、煉油廠等環境中需要使用密封的 保護性外殼構成現場設備以便承受惡劣的環境條件。這樣的設備會被典型地用 在分布式控制系統中，用來感應用於控制進行中的過程的溫度、流體壓力、流 動、以及其它變量，並且這樣的設備一般地通過4-20mA控制迴路連接到其它 控制設備，發送器從4-20mA控制迴路獲得電能並且經過該4-20mA控制迴路 將感應到的過程變量提供給控制系統。由迴路供電的發送器被廣泛地應用於感 應各種過程變量，並且通常將發送器配置為根據測量得到的過程變量使得迴路 電流在4mA至20mA之間變化(例如，4mA代表過程變量的0 % ,而20mA 代表過程變量的100%)。其它發送器根據諸如HART等標準協議提供數字通 信，發送器利用這些標準協議經由控制迴路來發送並且接收數據、命令、以及 其它信息。
許多化學過程涉及在管道、儲罐、以及其它結構中存儲或是通過這些管道、 儲罐、以及其它結構傳送流體，上述這些結構會隨著時間的推移由於與傳送的 或存儲的流體發生接觸而被腐蝕。在這些情況下，期望能夠確定上述腐蝕的量 和速率，以便實現為了維護而通知結構安全的評估，並且還可以識別出流體自 身的、不想要的或不期望的腐蝕等級，其中在諸如抑制劑注入等補救措施中和 /或確定並優化這些補救措施效率中使用腐蝕數據。其它腐蝕測量應用包括諸 如混凝土中鋼的腐蝕等暴露於非流體的結構的腐蝕，其中無論是處在固態、液 態還是氣態，引起腐蝕的材料通常被稱為電解質(electrolyte )。然而，由於大
19多數化工過程環境的特性以及管道和流體儲存容器的大小和位置，通常使得應 用複雜並且昂貴的實驗室級設備和測量系統來執行腐蝕測量是不切實際的。特 別的，這種昂貴的系統不適用於實時地在線測量管道或存儲容器的腐蝕條件。 此外，在線測量設備必須能夠在非常低的電能花費下操作，諸如可以從標準的
4-20mA控制迴路或是從電池獲得電能。近來已經引入了現場腐蝕發送器來提 供對於這些應用的腐蝕測量功能。然而，傳統的現場腐蝕發送器都不能提供必 要等級的腐蝕測量準確性和用來測量廣泛類型的結構材料的腐蝕、所傳送的流 體類型、以及溫度的通用性，因此需要改善現場發送器以測量一個或多個腐蝕 相關值。

發明內容
現在總結本發明的發明內容的各個方面以幫助基本上理解本發明，其中， 這裡給出的發明內容並不是本發明的完整概括，並且既沒有打算限制本發明的 特定元件，也沒有打算描繪本發明的範圍。然而，發明內容的主要目的在於在 隨後給出具體實施方式
之前以簡化形式展示本發明的 一些原理。本發明涉及用 來實時地、準確地測量諸如腐蝕速率、局部化腐蝕(例如，凹陷)、溶液(電 解質)電阻或電導等一個或多個腐蝕相關值的低功率現場設備，並且可在不適 用昂貴的且精密的實驗室儀器系統的現場環境中使用本發明提供的低功率現 場設備。
根據本發明的一個或多個方面，提供了由迴路供電的腐蝕測量設備，用於 測量或監視暴露於電解質的結構的腐蝕。所述設備包括使用來自4-20mA迴路、 電池、太陽能板等的電能向所述設備供電的電源系統，和具有信號調節電路的 探針接口系統，該信號調節電路與處在電解質中的兩個或多個測量電極相接 口 。所述信號調節經由第一電極向電解質提供一個或多個激勵信號並且包括經 由所述電極中的至少第二個電極感應諸如電流、電壓等一個或多個與腐蝕相關 的電信號的感應電路。在特定實施例中，開關系統具有多個模擬開關，該多個 模擬開關根據相對應的控制信號進行操作從而選擇性互連所述激勵和感應電 路中的電路部件與多種不同配置下的電極，從而利用一種或多種類型測量實現 了提供諸如電解質電阻或電導、腐蝕速率、局部化腐蝕指數等腐蝕相關值，其 中測量類型包括但不局限於溶液(電解質)電阻(電導)測量(SRM)、諧波失真分析(HDA)、線性化極性電阻測量(LPR)、電化學噪聲測量(ECN)等。 所述開關系統還可操作地與激勵電路的驅動放大器耦合，從而激勵(輔助)和 感應(工作)電極都處在驅動放大器的反饋路徑當中，在所述電極之間流過的
特定實施例中，所述開關系統還連接處在電流至電壓轉換器電路的反饋路徑中 的感應電路的限流電阻，從而所述限流電阻不會影響電流感應操作。
例如，所述設備還包括處理系統，處理系統可以是微處理器、微控制器、 DSP等，可操作地與所述探針接口相耦合,從而控制向電解質提供的激勵信號， 以選擇性地配置並且操作感應部件，並且基於來自所述感應電路的測量值計算 一個或多個腐蝕相關值。還可操作處理器以便將計算得到的腐蝕值存儲到非易 失性存儲器當中以備隨後上載。所述腐蝕值可以是所連接的控制迴路中的、 4-20mA信號形式下的過程變量輸出。所述設備還可包括支持HART或其他類 型的數字通信的通信接口 ，以便允許用戶在給定的設備周期中配置測量的次數 和測量的類型，並且經由迴路或其他有線或無線通信向用戶提供腐蝕相關值。
根據本發明的其他方面，整流器系統與感應電路相耦合以便基於無dc的 感應信號向模擬數字(A/D)轉換器提供不是無dc的信號，這可以作為用來 一致地交變感應信號的極性與提供給電解質的激勵信號的交變極性的同步整 流器的一部分。以這種方式，A/D輸入具有非零的平均值，/人而允許亞奈奎斯 特取樣(sub-Nyquist sampling)速率和平均以確保測量得到的電流值。整流器 的使用方便了提供基本上無dc的方波激勵信號以減小誤差並且降低與不是無 dc的信號相關的腐蝕加劇，同時由於在測量電解質電阻/電導時，處理系統對 在低A/D取樣速率下得到的多個感應電流讀取值取平均，因此還實現了節省 設備電能。在一個示例中，同步整流器包括用來交變感應信號的極性且由處理 器扳動的第一開關和用來同步地交變激勵信號的極性的第二開關，以便利用模
信號來向電解質提供激勵頻率下的、基本上無dc的AC激勵信號以便準確地 測量出電解質電阻。在一個實施例中，在小於等於大約500Hz的頻率下提供 無dc的方波激勵，其中優選頻率處在大約100-200Hz之間，並且A/D轉換器 在小於大約每秒十次取樣的速率下取樣感應電流。根據本發明的另一方面，所述設備還包括用來提供電極與4-20mA迴路之 間隔離的隔離屏蔽(isolation barrier )，通過該隔離屏蔽，無需單獨的隔離屏蔽 即可將所述設備方^更地包括在給定的工廠安裝環境中。本發明的其他方面還涉 及提供所述設備中的內部安全電路以保護不受大電流和/或高電壓的不利影 響，並且該內部安全電路可以是兩級系統，並且可包括用來保護電^L的電阻。
根據本發明的另 一方面，所述設備可作為獨立的數據獲取及存儲設備操 作，在一系列設備周期的每一個中，處理器都計算腐蝕相關值並且將計算得到 的腐蝕相關值存儲以備用戶隨後檢索，其中可以將這些數值存儲在所述設備的 非易失性存儲器當中。在這個方面，所述設備可通過控制迴路或其他有線的或 無線的裝置與外部通信設備接口，以使用戶使用HART或其他合適的通信協 議來配置所述設備和/或從所述設備檢索已存儲的計算得到的腐蝕相關值，其 中所述設備可存儲一日或多日中有價值的、計算得到的腐蝕相關值。
根據本發明的另一方面，可通過動態地調節AC激勵幅值來改進電解質電 阻測量以便更好地利用A/D轉換器的輸入範圍，其中，所述處理系統提供了 具有第 一幅值的激勵信號並且選擇性地增大激勵信號幅值直到所得到的感應 電流信號超過了預定的閾值。
根據本發明的另 一方面，可操作所述設備進行自我校準以補償電流感應和 整流器電路中的偏壓誤差，處理系統控制激勵電路初始地不提供激勵信號並且 使得同步整流器開始交變所感應到的電流信號的極性。在不應用激勵信號操作 同步整流器時處理器利用A/D轉換器取樣感應電流，基於一個或多個感應電 流信號取樣來計算偏壓(offset)值。再將所述偏壓(offset)值存儲以便在計 算電解質電阻或其他腐蝕相關值時作為偏壓(offset)校正隨後使用。
在另一方面，在HDA測量期間調節激勵以補償電極之間的差異，其中， 處理系統測量不應用激勵信號而感應得到的電壓信號，將感應得到的電壓值作 為偏壓(offset)存儲，之後使得激勵電路提供帶有偏壓(offset)的正弦波激 勵電壓信號並且基於感應得到的電流信號中的諧波利用HDA計算腐蝕相關 值。
根據本發明的其他方面，通過使用大於等於大約50mHz頻率下的正弦波 AC激勵實現了改進的諧波失真分析(HDA)類型測量，其中，所述設備基於多於一個周期(優選地，大約10至20個周期)內的、感應得到的正弦波電流 信號計算一個或多個腐蝕相關值。這實現了無需極大地延長設備測量周期時間 即可利用足夠多的電流取樣充分地執行傅立葉分析以獲得電流諧波讀取。
本發明的再一方面涉及動態算法變化，其中可能會執行HDA測量和運算， 並且在高電解質電阻環境下或是在提示HDA測量中可能會出現誤差的其他條 件下自動切換(switchover)到LPR測量。在這個方面，處理系統執行HDA 類型測量並且在一系列設備周期的每一個當中基於由感應電路感應出的電流 信號來計算Stem-Geary常數(B值)。隨後執行一種或多種關於計算得到的B 值的合理性測試，諸如通過確定量(Rs/ (RS+RP))是否小於闊值(例如，在 一個示例中大約為0.1 )來確定計算得到的電解質(電解質)電阻Rs和計算得 到的極性電阻Rp的相對大小，確定量(2I山-l22)是否大於零，和/或確定計算 得到的B值是否處在預定範圍(例如，在一個示例中大約為10-60mV)之內。 在一個實施例中，如果合理性測試提示諧波失真分析很可能會產生準確的腐蝕 相關值，則處理系統利用計算得到的B值作出的諧波失真分析來選擇性地計 算腐蝕相關值；否則，利用用戶定義的或默認的B值執行的LPR測量來計算 腐蝕值。
根據本發明的其他方面，在利用電化學噪聲(ECN)測量獲取腐蝕相關值 中，處理系統使用連續矩運算來計算至少一個統計值，從而降低了存儲大量數 據的需求並且減少了每個設備周期中所需運算的次數。
在相關方面中，處理器可操作地基於取樣得到的電流信號的標準偏差和取 樣得到的電流信號的rms來計算局部化腐蝕指數，其中標準偏差和rms都是基 於連續矩運算的。
本發明中與ECN相關的另 一方面涉及通過在ECN測量期間將輔助和工作 電極連接到電路的虛擬接地極(ground),有效地縮短了輔助和工作電極。在 一個實施例中，處理系統選擇性地再配置開關部件以便將輔助和工作電極連接 到探針接口系統中的虛擬接地極，利用ECN基於感應電路的感應信號計算腐 蝕相關值。
本發明的再一方面涉及在所述設備中使用線性化極性電阻(LPR)測量， 其中不使用預定的用戶B值而是使用計算得到的B值。此外，在特定實施例
23中，計算得到的B值還要經過低通濾波以提高噪聲抗擾性。在一個實施例中， 在一系列設備周期的每一個中，處理系統都基於由感應電路感應得到的電流信 號中的諧波計算B值，並且基於計算得到的B值以及利用線性化極性電阻測 量由感應電路感應得到的電流信號計算給定設備周期中的腐蝕相關值。


如下的說明書和附圖將會詳細地給出本發明的特定的說明性實施方式，這 些實施方式都是用來說明實現本發明的各種原理的示例性方式。然而，所說明 的這些示例並不能窮舉地包括所有可能的實施例。請結合附圖 一起考慮本發 明，並將在如下的本發明的具體實施方式
中提出本發明的其它目的、優點、以
及新穎的特徵，其中
圖1是用來說明包括根據本發明一個或多個方面的具有相關探針和電極 的、由迴路供電或電池供電的發送器的示例性腐蝕測量設備的立體圖2是用來說明包括數字系統、迴路接口、以及探針接口的、圖1所示的 發送器的進一步細節的示意圖3A是用來說明圖1和圖2所示的示例性發送器中的探針接口系統和數 字系統部分的示意圖，其中該探針接口系統和數字系統部分包括受處理器控制 的激勵電路、傳感電路、以及用於設備的程序重構以執行各種不同類型的腐蝕 測量的模擬開關系統；
圖3B是用來說明圖l和圖2所示的示例性發送器中的迴路接口系統中的 隔離電路的進一步細節的示意圖，其中該隔離電路包括隔離變壓器和兩級內部 安全屏蔽(safety barrier);
圖4是用來說明圖1至圖3B所示的設備中的SRM、 HDA、 LPR、電池偏 置電壓(cell offset voltage )、以及ECN測量等幾種示例性開關系統配置的表；
圖5是示意性地說明安裝在管道或存儲結構中的測量設備的探針和電極 的正視圖，其中電極暴露於所傳送的或存儲的電解質以便執行腐蝕測量；
圖6是用來說明圖5所示的構成中的電極和所測量的電解質的其中之一的 等效電路的簡化示意圖7是用來說明通過圖1至圖6所示的具有多階段測量周期的設備中的激 勵電路應用到所測量的電解質中的示例性激勵波形的曲線圖，其中該示例性激勵波形包括用於電解質電阻測量的實質上無dc的200Hz方波、用於HDA和 LPR測量的100Hz正弦波、以及無激勵的ECN部分；
圖8是用來進一步說明在電解質電阻測量的設備中所使用的實質上無dc 的方波激勵信號的曲線圖9A是用來說明在圖1至圖6所示的設備中使用動態激勵幅值調節執行 電解質(溶液)電阻測量(SRM)的示例性操作的流程圖9B至圖9D是用來說明圖1至圖6所示設備在動態幅值調節過程中， 對應於不同激勵波形幅值的、關於方波激勵電壓和相對應地測量得到的平均電 流的、電壓的、以及電流曲線的曲線圖IOA是用來說明以大約200Hz應用的示例性方波電壓激勵信號的曲線 以及使用大約300毫秒的低取樣周期取樣的兩個示例性同步A/D轉換器取樣 信號的曲線圖IOB是示出了在圖10A中的兩個示例性取樣時刻的激勵電壓和感應到 的電流曲線的曲線圖10C是用來說明在圖1至圖6所示設備中的在線電流放大器偏壓 (offset)測量的示例性操作的流程圖ll是用來說明在圖1至圖6所示設備中具備HDA或LPR測量的動態 算法變化的設備的操作流程圖，其中包括對計算得到的B值的合理性測試； 以及
圖12是用來說明圖1至圖6所示設備中的示例性偏壓(offset)測量和 HDA腐蝕測量的激勵信號調節的流程圖。
具體實施例方式
現在參考附圖，下面結合附圖對本發明的幾個實施例或實施方式進行描 述，其中在整個說明書中相同的元件使用了相同的附圖標記，並且其中各個特 徵和曲線都不是按照比例繪製。本發明涉及可編程的低功率腐蝕測量現場設 備,使用一種或多種高級的腐蝕測量手段來提供腐蝕測量和監視，提供電導值、 常規腐蝕值、和/或局部化腐蝕值等，從而實時地執行腐蝕監視和/或離線腐蝕 數據歸檔(log),而歸檔的數據可以在通過標準的4-20mA控制迴路或其它通 信裝置連接的分布式控制系統中被使用，或是作為具有下載已存儲的腐蝕數據
25到用戶通信設備的獨立(stand-alone)設備來操作。
首先參考圖1，下面根據本發明的一個或多個方面來描述一種示例性現場 腐蝕測量設備2，該示例性現場腐蝕測量設備2包括具有下面將會詳細描述的 基於處理器的電子電路的發送頭4、探針6、以及優選地由與安裝了用來腐蝕 監視/測量的該設備2的金屬結構匹配的材料所製成的一組三個電極8，其中電 極8浸入或是內嵌在溶液或其他電解的固體、氣體或液體當中，其中溶液或其 他電解的固體、氣體或液體可以在安裝結構中存儲或是傳送，這些安裝結構諸 如是管道、存儲容器、或是其他所感興趣的結構。發送器外殼4和4笨針6都是 由環境保護性材料構成的，以便實現設備2的現場應用，諸如在線腐蝕監視以 生成關於腐蝕速率的過程變量、局部化腐蝕指數(腐蝕局部化程度)、和/或電 解質電阻(電導)。在操作中，探針6可以安裝到感興趣的結構上，並使電極 延伸到管道內部或是流體腔室中以便暴露在內部的腐蝕過程中。
如下面將會詳細說明的，設備2可執行多種不同的與腐蝕相關的測量，包 括測量極性電阻RP、溶液電阻RS、以及電化學噪聲測量。線性化極性電阻 (LPR)測量是一種適用於大多數情況的簡單技術，其中對測試電極應用設定 電壓並且測量所得到的電流以便獲得極性電阻Rp的值。隨後通過Ieurr=B/R/A
極性電阻RP (等於所施加的電壓/流過的電流)計算腐蝕電流Icurr,其中B是
Stem Geary常數。任何出現的大的溶液電阻Rs (與Rp串聯地存在)以及關於 B值的不確定都會影響LPR, LPR通常十分魯棒(robust)並且不受噪聲等影 響，特別是在下面將會進一步詳細描述的實施例中使用正弦波激勵。諧波失真
分析(HDA)直接地通過所獲得的電流的諧波計算Ieurr (如果所應用的電壓是
絕對的正弦波)，並且不需要知道B值。由於來自LPR和來自HDA的I,理 論上應該是相同的，因此可以基於已知的或是測量到的Rp通過HDA運算所使 用的諧波信息來計算B。 HDA還受到溶液電阻Rs的影響，趨於"線性化"響 應，其中諧波失真是非線性的Rp而不是與Rp串聯存在的Rs所造成的。由於 諧波處在低電平，來自HDA的測量結果(Ieurrham)會受到從一個測量到另一 測量的噪聲的幹擾，如果從噪聲Icw和從Rp計算B值，則計算得到的B值也
會有噪聲。為了解決這種情況，需要對用來計算Icurrh扁的值進行濾波或是取平 均，但是這將會降低設備2的響應時間並且抑制檢測腐蝕侵擾改變的能力。為了實現上述挑戰性目標，設備2 (從Rp和IculTharm)計算每次測量得到的瞬時B 值，並且通過數字低通濾波來對B的波動取平均，其中可以與瞬時Rp—起使 用濾波後的計算得到的B值來計算Ieu『SRM、 LPR、以及HDA等所有擾動 技術提供了測試電極的平均腐蝕速率並且對於局部化腐蝕都不非常敏感。然 而，在設備2中ECN也是可行的，其提供了一種非擾動的測量技術(不使用 外部應用的激勵)，以提供任何局部化腐蝕的指示。此外，ECN可以檢測電化 學引起的局部化侵蝕(凹坑、狹縫腐蝕等)以及由對測試電極上形成的任何保 護性氧化膜的機械損傷引起的局部化侵蝕，這些機械損傷諸如氣蝕損傷、腐蝕 損傷、應力腐蝕破裂等。
參考圖2，示意性地描述了發送器的電子電路4，電子電路4包括具備電 隔離(galvanic isolation)和內部安全(IS)屏蔽電路12的迴路接口 10、以及 向內部設備提供來自控制迴路11的電流或是可選地來自電池13 、太陽能板(未 示出)或其他電源的電能的電源系統14,其中設備2通過內部安全(IS)屏 蔽電路12與標準4-20mA控制迴路11接口 。迴路接口 IO進一步包括可操作 地與數字系統20的處理器22和控制迴路11相連接的通信接口 16,從而允許 處理器22使用HART或其他通信協議與外部通信設備(未示出)進行通信， 以此用戶可以對設備2進行設置或者編程和/或可以從設備2獲取已存儲的計 算得到的與腐蝕相關的值。此外，示例性迴路接口 10包括用來控制迴路ll中 的電流所專用的數字模擬轉換器(DAC) 10,從而允許處理器22控制迴路中 的電流以指示通過測量/計算得到的過程變量(例如，對應於腐蝕速率、局部 化腐蝕指數、電導等的4至20mA之間的迴路電流級)，並且還提供了FSK或 其他類型的迴路電流調製以便根據諸如HART等適當的協議經由迴路11或其 他有線或無線通信裝置執行數字通信。
設備2還包括具有處理系統22的數字系統20,該處理系統22可以是諸 如微處理器、微控制器、數位訊號處理器(DSP)、可編程邏輯器件等任何形 式的處理電路，通過處理系統22可以實現上面所述的各種功能。數字系統20 包括一種或多種形式的存儲器24,尤其是諸如快閃記憶體、FRAM等非易失性存儲 器，並且數字系統20可包括模擬數字轉換器(A/D) 26，其中A/D26和/或存 儲器24可以是獨立的部件或電路，或是可以集成在處理器22當中。
27此外，腐蝕測量設備2還包括含有信號調節電路34的探針接口系統30, 以便與處在要測量的電解質中的多個測量電極8接口。此外，在所說明的實施 方式中，探針接口 30還包括用來產生通過信號調節電路34應用到執行下面將 會詳細說明的特定類型測量的至少 一個電極8上的激勵信號的第二 DAC 32， 其中激勵DAC 32可選地處在數字系統20當中或是集成到處理器22當中。信 號調節電路34包括用來根據DAC 32經由第 一電極El (還被稱為輔助電極) 向電解質的輸出提供激勵信號的激勵電路34a、以及用來經由 一個或兩個其他 電極E2和/或E3來提供感應諸如電壓、電流等一個或多個與腐蝕相關的電信 號的感應電路34b,其中第二電極在這裡被稱為用來感應關於腐蝕速率的電流 信號的參考電極或工作電極，其中參考和/或輔助電極E2、 El可以是由惰性材 料製成的。此外，信號調節系統34還包括具有多個模擬開關部件的開關系統 34c，這些模擬開關部件實現了激勵電路34a、感應電路34b中的各個部件的、 以及多種配置下的電極8的受處理器控制的再配置。
參考圖3A、圖3B和圖4，描述了探針接口系統30和數字系統20的特定 部件的進一步細節，在圖3A中包括激勵電路34a、感應電路34b、以及包含 標記為U13至U16的四個模擬開關器件34c的開關系統。模擬開關U13至U16 中的每一個都具有兩種開關狀態，在圖中表示為"0"狀態和'T，狀態，其中 處理系統22提供了相對應的開關控制信號CS13至CS16以控制每個開關34c 的狀態。此外，模擬開關U13至U16還具有受晶片選擇輸入(未示出)控制 的第三操作狀態，其中開關端子都斷開與極端子(pole terminal)的連接。因 此連接開關U13至U16以實現受處理器控制的激勵及感應電路34a和34b中 的部件互連來再配置腐蝕測量設備2成多種不同的腐蝕測量設置，其中圖4 示出了用來說明設備2的SRM、 HDA、 LPR、電池偏差電壓、以及ECN測量 操作等下的開關設定或狀態的表70。用戶可對示例性設備2進行編程以便在 圖4所示的任何一種羊一的測量模式下操作，或是在一系列設備周期的每個周 期中通過組合兩種或是更多的所列測量類型來執行測量，從而可實現腐蝕發送 器2適應於任何一種腐蝕測量或監視應用。在這個方面，通過使放大器和其他 部件的個數最小，迴路接口 30在由迴路或電池電源施加的嚴格功率約束的阻 抗和準確性方面上實現了信號調節電路與電極8的最優互連，同時還提供了在單獨的用戶可編程設備2中使用ECN、 HDA、 SRM、 LPR和偏壓(offset)來 執行腐蝕測量及監視方面上的先進性能。
處理器22在每個測量周期中都控制激勵DAC 32以便分別地經由激勵電 路34a、第一(輔助)電極E1、以及開關系統34c提供對該單元的適當激勵， 並且還經由感應電路34b、開關34c、以及參考及工作電極E2和E3來操作測 量A7D 26以實現對電池(cell)電壓和/或電流的相關測量。利用形成與激勵 及感應電路34a和34b連接的電阻R49至R51以及濾波網絡R54至R56、C56、 C57和C58,經過探針6形成了電極耦合。在下面所描繪的情況中，設備2在 每個設備周期中通過器件U13至U16的受控開關來執行一系列測量。此外， 在所說明的設備2中，特定的可選擇測量類型(例如，SRM、 HDA、以及LPR) 涉及激勵信號的應用，而其他類型(例如，ECN)則不涉及激勵信號的應用， 其中使用HDA或LPR測量類型來計算常規腐蝕，使用SRM技術來測量電解 質電阻或電導，並且使用ECN測量來計算局部化腐蝕指數值。通常的，按照 第一極性或是按照相反的第二極性，作為由DAC32提供的電壓信號對輔助電 極E1應用(任何的)激勵信號，其中該第一極性使用第一放大器(例如，運 算放大器)U12A直接地經過開關U13的"0"狀態路徑，而該第二極性經由 逆變器配置的放大器U12B經過開關U13的'T'狀態，並且驅動放大器U10A 經過開關U16的"0"狀態路徑和電阻R61向輔助電極E1提供對應的輸出電 壓。此外，在這些配置中，電極處在激勵電路34a的驅動放大器U10A的反饋 迴路中，因而輔助和工作電極El和E3之間的電流流動會引起參考電極E2和 工作電極E3之間的電勢與所應用的激勵信號電壓相等。此外，在特定的操作 配置中，還可以不應用激勵，其中開關系統使得輔助電極El與激勵電路34a 電隔離，而處理系統22通過感應電路34b對E2和E3上感應得到的電壓信號 進行取樣。
從任何應用的激勵電壓信號得到的回流電流流過示例性的三個電極恆電 勢(potentiostatic)測量配置中的工作電極E3,其中感應電路34b經由形成流 向電壓轉換器的電流的、具有在流向電壓轉換器的電流的反饋路徑上的限流電 阻R57的電流感應放大器U9A來感應上述電流，如此限流電阻R57(例如，1 千歐姆)不會影響電流的感應操作。流向電壓轉換器的電流所經過的電阻R57
29對電流路徑引入了接近零的電壓降，可以選擇電阻R57的值來提供根據需求
的增益、高信號靈敏度、以及寬的動態範圍，以便保護U9A對負載的倒相輸 入(inverting input),並且電阻R57處在U9A的反饋迴路當中從而消除了電阻 R57對電流測量的影響。使用這種感應電路34b的、流向電壓轉換器的電流來 感應HDA和ECN測量中的電流，並且還與同步整流器一同^f吏用以測量極性 電阻LPR。
流向電壓轉換放大器U9A的電流對應於開關U15的"0"和"1"狀態分 別提供了放大器U8A的倒相輸入的輸出或是非倒相輸入的輸出，其中U8A的 輸出提供了用於電流感應的、流向A/D轉換器26的兩個輸入中的一個。電流 感應極性開關U15因此作為整流器來操作從而實現了特定的測量類型，以便 實現受來自處理器22的控制信號CS15控制的撥動開關(toggled switch)。在 這個方面，當激勵極性開關U13和電流感應極性開關U15同步地-燥作時(通 過處理器22對控制信號CS13和CS15的開關進行控制)，這些模擬開關部件 構成了在用來測量電解質(溶液)電阻Rs的特定實施例(SRM模式)中使用 的同步整流器。此外，在腐蝕測量設備2執行HDA、 LPR、以及ECN測量中， 無需扳動用來測量來自工作電極E3的感應電流的極性開關U15即可使用電流 感應部件。利用放大器U7A驅動第二模擬輸入以便經過高阻抗路徑R59感應 參考電極E2處的電壓，感應電路34b進一步提供了電壓感應能力，並利用放
因此，A/D 26可在處理器22的控制下獲得並且轉換模擬電壓和電流值， 並且隨後向處理器22提供關於這些測量的數字量。此外，A/D轉換器26還可 以是任何合適的轉換設備，諸如一個實施例中的基於delta-sigma調製器的轉 換器，並且優選地在相當低的轉換速率下操作。例如，如此操作A/D26以便 在大大低於激勵信號頻率的取樣速率(諸如低於大約每秒10次取樣)下獲得 與各種腐蝕相關的感應信號的測量取樣，例如在一個實施例中每300毫秒取樣 一次，從而維持在由迴路或電池供電的實施方式中的電源系統14的電能預算 之下。因此，處理系統22可操作地與探針接口系統30耦合以便通過激勵電路 34a控制提供給電解質的激勵信號，並且提供控制信號CS13至CS16給開關 系統34c來選擇性地再配置開關部件U13至U16，以便基於來自感應電路34b的所接收到的測量值來執行多種不同類型的腐蝕測量並且計算至少一個腐蝕 相關值。
因此，除了支持HART通信的4-20mA迴路接口之外，發送器的電路4 還提供了經由探針6對電極8的激勵信號的應用、對於感應得到的電極信號的 調節、模擬數字轉換電路26、以及處理部件22，其中該處理部件22可控制激 勵信號的應用，獲取信號測量，並且執行信號分析以產生腐蝕速率、電解質電 阻或電導、和/或局部化腐蝕指數等過程變量。設備2可被配置用來產生代表 過程變量的控制迴路ll中的4-20mA信號，其中過程變量可以是表示正在進 行中的通常連續的腐蝕過程的當前速率的、單位為每年多少密耳或毫米的常規 腐蝕速率、電解質電阻或電導值、或是無單位的並且代表具有低腐蝕速率的過 程中發生局部化腐蝕的程度的量度的凹陷(pitting)或局部化腐蝕因子，但是 這樣的局部化腐蝕會導致降低材料強度的、管道或儲罐材料中出現的、小的並 且最終是深的洞。還可以配置設備2周期性地或是響應從迴路11中的另一控 制實體或用戶通信設備請求得到的數據，通過數字通信來報告上述這些值中的 一個或多個。
現在參考圖1至圖3B,設備2包括用來提供從4-20mA迴路隔離開電極 E1至E3和設備2的電路的隔離及內部安全(IS)屏蔽12。如圖3B所示，來 自4-20mA迴路11的電流流經具有保險絲Fl的初級安全區(primary safety area) 12a的輸入級、電湧保護器Nl和電阻R3和整流器12al、以及緊跟的用 來提供隔離變壓器Tl的輸入的逆變器12a2。變壓器Tl的隔離輸出提供了次 級隔離區(secondary isolated area) 12b的輸入，該次級隔離區12b包括由穩壓 齊納管N6至N9組成的電壓保護電路12bl、以及由電晶體P5至P8和電阻 R17、 R21、 R29至R30、 R34、 R35和電容C34組成的限流電路。第一內部安 全屏蔽級的輸出提供了第二 IS屏蔽級12c的輸入，該第二 IS屏蔽級包括另外 的穩壓齊納管N10至N15,從而進一步限制通過迴路控制器電路15所監視的 可能電壓。設備2的IS保護還提供了 1千歐姆的保護電阻R57至R61以保護 電極El至E3。在操作中，測量到的電解質和電極El至E3典型地接地，因 而探針接口電路30的前端也通過低阻抗路徑接地。隔離電路12，特別是隔離 變壓器T1的提供，減輕了或是避免了潛在的經過4-20mA控制迴路11的接地迴路問題，其中多個i殳備都安裝在同一儲罐或管道中。因此，無需外部隔離部
件即可使用設備2，從而節省了安裝成本。此外，隔離變壓器T1還可構成示 例性整體防爆炸(內部安全或IS )屏蔽中的部件。這種兩級IS電路12b和12c 允許在無需外部IS電路即可提供內部安全的應用中使用設備2，從而進一步 降低安裝成本。例如，在這些應用中，(例如，美國)使用具有防爆炸證明的 罩(enclosure)來構成外殼4 (圖1)或是歐洲使用標記為"EX d"的外殼4, 並且設備2中的內部IS電路的提供允許設備2連接到非IS迴路11上。以這 種方式，無需使用額外的屏蔽，示例性設備2即可有效地將Ex d或防爆炸安 裝方法"轉變"成對於電極8和探針6 (圖1)的保護。
參考圖5至圖7，在操作中，如圖5所示，與在傳送電解質50的管子或 其他金屬結構40中浸沒的電極8 —起安裝探針6，其中電極可以是任何幾何 形狀的，包括嵌入式安裝(flushmounted)並且無需彼此處在一條線上，其中 圖5僅僅是示意性的。圖6示出了電極中的其中一個E1和圖5所示裝置中的 需要測量的電解質50的等效電路60，其中其它電極E2和E3的電路都與圖6 所示的電路相等同。如圖6所示，電極/電解質電路60包括內部電池電壓 (internal cell voltage) V。和極性電阻Rp的串聯組合，而在電極E1與電解質 50之間該串聯組合又與電化學雙層電容Qn並聯連接，其中電解質50具有作 為SRM測量對象的電阻Rs。如圖7中的激勵信號曲線圖100所示，在三個測 量階段101、 102、 103中利用一種可能配置的發送設備2執行信號測量，其中 三個測量階段101、 102、 103可選地在一系列設備周期的每一個中可以以任何 順序設置，或是可編程設備2在每個設備周期都只執行一種測量，或是在給定 的設備周期中執行兩種或更多類型測量的組合。在這種配置下，開始時可進行 SRM測量以提供溶液電阻值Rs，隨後在LPR或HDA測量中再使用電阻值Rs 來確定腐蝕速率以校正極性電阻Rp的運算中出現的任何誤差，而上述這些電 阻Rs和Rp在圖6中實質上是串聯的。
在圖7所示的示例性配置的第一測量階段101中，初始地在周期100a中 操作同步整流器以執行下面將會進一步描述的偏壓(offset)測量，之後在周 期100b中動態地調節AC激勵信號的幅值。之後在部分101中應用相對高頻 的ac激勵信號以執行溶液電阻/電導測量，之後緊跟著間隔100c以測量由於非相同電極8導致的不平衡所造成的偏壓(offset)。此外，在第一階段101中， 設備2還有利地應用均值為零的AC波形(實質上無DC偏壓(offset))以避 免極性化工作電極接口。此外，在示例性設備2中，在低速下操作DAC32和 處理器22 (為了節約電能)，其中SRM期間的DAC輸出被設定為給定的dc 電平並且使用開關系統34c來切換輸出極性以產生用於SRM測量的雙極性方 波激勵信號。為了最小化在階段101中由於SRM測量可能產生的小DC電池 (cell)電流的影響，將階段101的持續時間設定得儘可能短並且在階段102 的LPR測量之前緊跟SRM測量之後無需極性化即可提供間隔周期100c,從 而允許去除工作電極接口的極性。
在第一階段101中，使用高頻方波激勵來測量電解質(溶液)電阻R"電 解質電導是1/RS)。在第二部分102中，設備2應用較低頻率的正弦波激勵電 壓並且測量電流和相關的諧波，以便使用LPR和/或HDA技術來確定腐蝕速 率。在第三部分103中，沒有應用激勵，並且該設備使用ECN測量方法測量 出電化學噪聲以便確定局部化腐蝕指數。
在設備周期的第一部分101中，處理器22使得開關系統34c按照圖4所 示的表70中的SRM行來配置開關U13至U16,其中U14和U16處在開關狀 態"1"並且在處理系統22的控制下通過同步地扳動開關U13和U15來操作 同步整流器以提供頻率小於大約500Hz的、優選地頻率為大約100至200Hz 之間的方波激勵/電流感應整流器，其中圖7中的曲線圖100示出了在第一測 量階段101中以大約200Hz的頻率下的操作。值得注意的是在圖6所示的等 效電路中，相對高頻(例如，高於大約50Hz)的應用將會由於電容Q,而有效 地縮短上端支路(upper leg)的長度，其中經由工作電極E3感應得到的AC 電流將會倒相地與電解質電阻Rs成比例。還可在SRM測量中使用諸如正弦波、 方波等其他波形。在階段101中所描述的SRM測量涉及在輔助電極E1處提 供正弦波激勵電壓並且一併地通過工作電極E3處感應得到的電池(cell)電流 的感應電路34b和A/D26執行測量，其中DAC32 (圖3A)提供了利用可交 變所應用的激勵電壓的極性的U13的開關而受處理器22控制的等級下的DC 輸出信號，所應用的激勵電壓處在經由控制信號CS13通過處理器22控制的 激勵頻率下。在工作電極E3處感應得到的電池(cell)電流也是激勵頻率下的
33方波。處理器22還經由CS15操作電流感應極性開關U15以便在相同頻率下 扳動開關，因而可以整流感應得到的AC電流信號以向A/D轉換器26提供整 流後的輸入信號。為了節省電能，處理器22控制A/D轉換器26在非常低的 頻率下取樣，例如在一個實施例中頻率大約是3.3Hz。因此處理器222可獲得 關於感應電流的多次讀值並且對這些讀值取平均以便計算隨後用來計算電解 質電阻Rs的平均感應電流。
參考圖8，同步整流器的操作允許向輔助電極E1提供實質上無dc的激勵 信號從而不會惡化電池(cell)中的腐蝕，經由U15對感應電流信號的整流允 許A/D轉換器26在低取樣速率下操作從而節省了電能，而進行了足夠多次數 的取樣又允許處理系統22可獲得精確的平均電流值，其中倘若不進行上述整 流，平均電流值則會是零或接近零。在這個方面，值得注意的是對輔助電極的 dc電壓的應用會改變被測量的腐蝕過程的電化學特性，並且因此會干擾任何 隨後進行的腐蝕速率測量。此外，通過將上述dc成分斬波(chop)成均值為 零的ac成分，對於電流感應電路的整流將會有效地消除會導致非相同電極8 出現的感應電流中的任何dc。此外，還可在除開關頻率之外的其他頻率下操 作以排除幹擾。圖8描述了一種通過DAC32和同步整流器的操作在第一測量 階段101期間可能應用的實質上無dc方波激勵信號波形，波形的幅值大約是 +/-20mV,其中圖3A所示的DAC 32提供了用來通過扳動開關U13來切換極
地在第一測量階段101中提供了無幹擾的、無dc的方波激勵信號，同時還提 供了在執行SRM測量時實現對感應電流慢速取樣的同步整流，從而使得迴路 或電池電能消耗保持在電能預算之下並且還消除了 dc和噪聲。
參考圖9A至圖9D，設備2優選地在預定時間周期時，或是在每個SRM 測量階段101的開始時，調節SRM測量中的方波激勵信號的大小或幅值。這 方便了改進A/D轉換器22的輸入範圍，從而方便了改進測量電流取樣和計算 得到的平均電流值等的準確性，並且因此方便了電解質電阻(或電導)測量。 圖9A所示的處理120描述了這個示例性操作，其中SRM階段101開始於122 並且在124以第一個(例如，低的)峰值到峰值的幅值向輔助電極E1提供相 對高頻率的方波激勵信號。在一個實施例中，方波頻率大約是200Hz，儘管還可使用其他值，優選地小於等於大約500Hz。圖9B至圖9D描繪了根據圖9A 所示的處理120在不同激勵波形幅值下方波激勵電壓的電壓和電流曲線與相 對應地測量得到的平均電流的曲線圖140、 144、 150、 154、 160和164。在圖 9B所示的第一曲線140中，在相對低的第一幅值142下應用大約200Hz的方 波。在處理120中的126測量平均電流，例如，如上所述利用同步整流器操作， 通過A/D 26執行多次測量，或是使用其他適當的技術來測量平均電流值。在 128作出確定由此獲得的平均電流值是否超過了預定閾值TH,其中可以使用 任何適當的閾值，通過這樣的閾值可以做出關於A/D輸入範圍的最優使用的 決定。在一個示例中，閾值可以是A/D輸入範圍的大約一半，儘管還可使用 其他值。
如果測量得到的電流沒有超過閾值TH ( 128中的否)，則如圖9B的電流 曲線144所示，在130中增大激勵信號幅值(例如，在處理系統22的控制下 增大DAC32的輸出)，並且圖9A中的處理120再次返回到126以測量平均電 流。圖9C中的曲線150和154示出了這種情況，其中新的激勵信號幅值152 大於圖9B中的初始幅值。在128中新的平均電流與閾值TH進行比較，並且 如圖9C中的曲線154所示，此電流仍低於閾值TH。相應地，圖9A中的處理 120在130中再次將激勵幅值增大到圖9D所示的激勵電壓曲線160中的電平 162。在這個點上，如圖9D的曲線164所示，最新的激勵幅值162提供了大 於閾值TH的感應得到的平均電流(圖9A所示的128中的是)，並且圖9A中 的處理120前進至132，在此使用最新的激勵電壓幅值來計算電解質電阻Rs， 並且在134中結束階段101中的SRM處理。以這種方式，腐蝕測量設備2適 用於利用整個A/D轉換範圍，其中處理系統22使已知的最新激勵電壓幅值與 在132中最新測量且計算得到的平均電流值相互關聯，以便計算電解質電阻 Rs和/或電解質電導。這種激勵幅值的自適應調節方便了可行的A/D解析度的 最優使用，並且設備2無需犧牲準確性即可適用於具有非常低或非常高的電解 質電導性的應用。
參考圖IOA至圖10C,設備2還提供了對於電流放大器偏壓(offset)的 校準以進一步提高計算得到的腐蝕相關值的精度。在這個方面，與同步A/D 取樣一併使用如上所述的同步整流器則會導致如圖10A和圖10B所示在方波的每個周期內測量得到的電流和A/D轉換器26的輸入都會略微增大的情況出 現。圖10A中的曲線170描繪了在SRM測量中使用的200Hz方波電壓激勵信 號，同時示出了使用大約300毫秒的長A/D取樣周期在時間Tl和T2分別得 到的兩個示例性同步A/D轉換器取樣S1和S2。圖IOB中的曲線圖172和174 分別示出了在圖10A中的兩個示例性取樣時間Tl和T2處的激勵電壓和感應 到的電流曲線的示例性部分的進一 步細節，其中可以看出的是第 一 電流取樣 Sl比第二電流取樣S2略小，這僅是由於它們是在激勵周期當中的不同點執行 取樣的。除了這些誤差(inaccuracy)之外，用來感應電流信號的運算放大器 U8A和U9A中的偏壓(offset)會導致Rs、腐蝕速率、和/或局部化腐蝕等運 算中的精度。其餘誤差還來自整流器的逆變路徑與非逆變路徑之間的dc偏壓 (offset)值、單元(cell)驅動放大器U10A的一定的速度、以及與探針輸入 相關的電阻和電容。
為了減小上述誤差，設備2提供了使用如圖10C所示的開始於182的處 理180執行在線電流放大器偏壓(offset)測量，經過處理180,設備2基於測 量得到的電流放大器偏壓(offset)自動地確定在線偏壓(offset)值，同時通 過處理器22扳動(toggle)同步整流器部件。在184中，處理器22使得DAC 32將激勵信號設定成零，並且分別經由信號CS13和CS15開始扳動同步整流 器部件U13和U15,在184中，沒有應用激勵電壓，其中經由信號CS13和 CS15以如上所述的SRM測量中一般使用的相同速率(例如，在一個實施方式 中以大約200Hz)來切換整流器部件。在190中，處理器22獲取在188中使 用A/D 26感應得到的電流信號的多個取樣並且計算平均電流值，隨後將該平 均電流值存儲以備後續作為如上所述的SRM測量中的偏壓(offset)來使用， 並且在192中結束該在線電流放大器偏壓(offset)測量。之後在階段101中 執行的SRM測量期間，在計算電解質電阻值Rs之前處理器22使用已存儲的 偏壓(offset)來校正電流讀取值，從而抵消包括放大器U9A和U8A的電流 感應電路中偏壓(offset)帶來的不利影響並且補償與同步整理器操作和A/D 轉換器26的同步取樣相關的取樣誤差。
現在參考圖3A、圖3B、圖4、圖7和圖11,設備2還提供了改進類型的 HDA和/或LPR測量，其中圖4示出了與圖3A中的U13至U16的開關狀態相關的模式下的開關系統配置。因此可配置設備2以使用LRP或HDA技術計 算常規腐蝕速率IC0RR。基本LPR測量典型地採用默認值或用戶輸入的B值， 相反地HDA方法涉及根據測量得到的電流諧波同時計算B值和腐蝕速率。然 而，本發明的發明人已經意識到傳統的HDA計算方法並不是對於所有的腐蝕 應用都適用或都是魯棒的，其中根據使用測量得到的電流諧波和電解質電阻執 行的在線合理性(plausibility)測試的結果來操作設備2以選擇性地採用上述 技術(HDA或LPR)中的其中一個。
圖7中的第二示例性測量部分102描述了在這部分102應用的激勵，其中 經由在電流諧波的LPR或HDA類型測量中使用的輔助電極El ，對該單元應 用低頻的正弦波激勵電壓。在上述這些測量類型中，正弦激勵信號優選地處在 大約50mHz或更高的激勵頻率下，以便無需不恰當地延長設備周期時間即可 實現對於超出大於一個周期的激勵信號的電流取樣的測量。因此，在特定的優 選實施例中，在大約100至200mHz的激勵頻率下提供激勵信號，其中圖7中 的示例使用了大約100mHz的激勵頻率。此外，利用諧波失真分析或第二階段 102中的LPR,優選實施例中的處理系統22基於大於十個周期的(優選地是 20個周期的)感應得到的正弦電流信號來計算腐蝕相關值。因此，與用來在 單個周期上利用10mHz的應用激勵測量電流信號的傳統設備相比較，上面描 繪的設備2提供了可在處理系統22中利用在大於單個周期上獲得的數據執行 分離傅立葉變換的改進能力，從而提高了關於所得到的腐蝕相關值的計算精 度。在這個方面，使用大約100mHz的示例性激勵頻率在大約20周期上對電 流信號執行取樣帶來了顯著的改進，卻僅對HDA或LPR測量的第二測量階段 102的持續時間帶來了很小的提高。
在圖7的第二階段102中，低頻正弦激勵會產生具有多個頻域分量的所得 到的感應電流信號，這些頻域分量包括在處理器22的腐蝕相關值運算中使用 的激勵頻率下的基波分量、二次諧波分量、以及三次諧波分量。通過對感應電 流信號進行取樣以得到上述諧波信息並且通過A/D 26將這些諧波信息轉換成 數位化數據，利用處理系統22執行分離傅立葉變換(DFT)以生成感應電流 的頻域下的頻譜。如上所述，設備2的示例性實施例在超過一個激勵周期上取 樣感應電流信號，並且優選地使用大於大約50mHz (優選地使用大約100至
37200mHz)的激勵頻率，從而不會不恰當地延長設備周期時間，儘管本發明並 不局限於這些具體的示例。從DFT頻域頻語中，獲耳又基波和各種諧波的幅值， 並且在計算腐蝕速率中使用諧波測量數據。此外，在一個可能的實施方式中， 與正弦波激勵電壓的生成一致地計算DFT,其中通過由DAC 32 (圖3A)執 行的一系列次級步驟，由處理系統22的存儲器查詢表或存儲器24 (圖2)利 用相同的DFT運算中所使用的查詢表生成正弦激勵電壓。在這個方面，示例 性表在每個周期都執行96個步驟以保持該表的大小儘可能的小，並且還允許 用2、 3和4對其分割。
在所描述的示例中，通過使電流取樣值乘以來自查詢表的合適的數，來'速 度非常快，地執行DFT。進一步，示例性DFT運算還計算各諧波中的實分量 和虛分量，並且由於與選擇實分量和虛分量的其中一個相比減小對噪聲的靈敏 度而使用模數(modulus)作為實分量和虛分量的和的平方根(例如，(實分量 2 +虛分量2) 1/2 )。在各離散的正弦P介躍(sine step)之後通過使A/D值乘以來 自正弦查詢表的合適值，並且將乘積加到合適的加法器變量來計算基波、二次 諧波、以及三次諧波，其中這種方法降低了對於立即數存儲的需要。優選地， 使用電阻分壓器R52、 R53來分級DAC 32的輸出以便減小最小的單個微小臺 階(bitst印)的大小，其中可優選地選擇R52和R53的值來覆蓋電壓偏壓(cell offset)可能的最寬範圍，同時最小化單個微小臺階的大小，並且處理系統22 可確保電池(cell)偏壓和/或所需的擾動幅值不會超出可使用的範圍。進一步， 在所描述的實施例中，還提供了時序延遲以實現電池(cell)電流的正弦輸出 中臺階改變的效果，從而將前面的傳遞給由A/D26執行的電池(cell)電流感 應/測量。
優選地選擇小於腐蝕處理的典型時間常數(例如，與Rp並聯的Cdl)的激 勵頻率，但對於從大於一個激勵信號周期中獲取數據的合理測量時間而言仍足 夠高。在這個方面，以較高頻率在相當多個數的周期中取樣會減少取樣中斷 (discontinuity)的次數。例如，在發生了相當緩慢的信號漂移(signal drift) 的情況下，如果僅在單個周期中獲取數據，則會取樣得到中斷(例如，第一取 樣與最後取樣之間的差異)，其中上述中斷會引起傅立葉光譜中出現過多的諧 波成分，從而不利地影響HDA測量技術。此外，在多於一個周期中取平均可
38提高對於幹擾和噪聲的抗擾性(immunity )。
在所描述的實施方式中，處理系統22使用測量階段102中獲得的諧波數
據在每個設備周期中評估下列方程式(1 )至方程式(3 )以計算腐蝕電流I,,
並且從腐蝕電流1。。 確定腐蝕速率
/",《/((48)^(2","廣/22r) 方程式(1)
萬別版="。w *^m;^Ywflfe) 〃,) — * /醇a鏡) 方禾呈式(2 )
其中I!是感應電流的基波分量，12和13分別是二次諧波分量和三次諧波分量， Sine Amplitude是在階段102中應用的正弦激勵電壓信號的幅值，並且B是以 伏特為單位的特定應用中的腐蝕處理值。
一旦計算得到腐蝕電流Ic。w就將其 乘以與特定電極大小相關的常數、法拉第常數、以及材料的原子量，以便計算 以每年多少毫米或密耳為單位的腐蝕速率。
參考圖11，示例性腐蝕測量設備的另一特徵是基於測量得到的電流諧波
I!、 12和13計算B值Bharm並且基於奸算得到的BHA腹值和運算得到的電解質
電阻Rs來選擇性地使用LPR或HDA算法。在這個實施例中，如果可能即執 行HDA測量和運算，並且如果在給定的設備周期中基於一個或多個合理性測 試而懷疑HDA結果，則處理系統22改變成LPR類型測量。特別地，設備2 自動地執行三種類型的測試中的一種或多種以確定是否保證HDA運算正確並 且選擇性地將該算法改變成高電解質電阻狀態或表示HDA測量中可能會出現 誤差的其他條件下的LPR。
圖11示出了在202開始如上圖7所示的示例性設備周期中的第二階段102 的動態改變HDA/LPR的處理200,其中處理器22使得DAC 32和激勵電路 34a在204中向輔助電極El提供正弦激勵信號，並且在206中使用A/D轉換 器26通過感應電路34b測量工作電極E3處感應得到的電流信號。處理器22 在208中執行DFT以識別電流諧波I!、 12和13,並且隨後在210中執行一個或 多個測試以確定是否可以執行HDA腐蝕測量。特別地，在212中作出量 (2H^IH22)是否為正值。如果不是正值(在212中的"否")，則由於被測 試量(2m3-I )的平方根出現在上述方程式(1 )的分母而視為不能執行HDA 類型的測量。處理200前進至圖11中的23Q,在230中處理系統22獲得默認值或是用戶提供的B值BusER,並且在232中將這個BusER應用到上述LPR腐 蝕電流方程式(3 )中以計算當前階段102中的IC0RR,隨後在240中結束上述 循環。
然而，如果發現第一被測試量(2n,nH22)是正值(在212中的"是，，), 處理200前進至214，並且在214中作出電解質電阻Rs與極性電阻Rp相比較 的相對大小的判斷以確定是否可以正確地測量諧波，其中大的Rs趨於線性化 引起低諧波水平的電池(cell )響應。在所述實施例中，在214中對量(Rs/(Rs+Rp)) 與諸如在一個示例中大約0.1的閾值進行比較，並且如果小於閾值(在214中 的"否")，則處理器22判斷HDA是有問題的並且在前進到216之前在215 中設定標誌。如果214中的測試沒有指示大的Rs的出現(在214中的"是")， 則處理前進至在216、 218中執行的第三測試，其中處理系統22在216中通過 使用測量得到的電流諧波I,、 12和13評估上述方程式(1)和方程式(2)以計
算ICORRHARM和BHARM並且低通濾波器對計算得到的B值BHARM進行濾波。在
所述示例中的計算得到的B值BHA自是數位化低通濾波過的(例如，移動平 均線(moving average)或由處理器22執行的其他低通類型的數位化濾波)， 以便去除瞬時波動和非法讀取值，因此提高在測量得到的諧波具有非常小幅值 的狀態下的設備靈敏度。
隨後在218中確定計算得到的B值BHA腿是否處在所指定的假定為介於
最小值B認N與最大值BMAX之間的有效範圍內，諸如在一個示例中介於大約
10-60mV之間(例如，或是對於水溶液電化學而言合理的其他公知的範圍)。 值得注意的是，對於計算得到的B值Bharm的示例性低通遮波，諸如移動平 均數(moving average)或是其他數字濾波器，有利地被操作以去除任何類型 的短時波動和偶爾的無效讀取，因此通過使用濾波後或平波後的計算得到的B 值可以在低幅值諧波狀態方面提高設備的靈敏度。在一個實施例中，通過
(l隱XfBHARM(n.D十X承BHARM(n)計算濾波值BHA脂，其中在一個實施方式中X是大
約0.05。如果BHARM不處在測試範圍之內(在218中的"否")，則HDA技術 就值得懷疑，並且處理200前進至如上所述的230和232。否則(在218中的 "是")，在220中處理系統22利用HDA技術通過用計算得到的B值BHARM 來評估上面的方程式(3)以計算腐蝕電流。腐蝕設備2的另一特徵在於執行LPR類型測量時利用計算得到的(優選 地是低通濾波後的)b值bharm代替預定的用戶b值Buser的能力。在一個實
施例中，處理系統根據上面的方程式(2)在每個設備周期中基於由感應電路
感應得到的電流信號的諧波計算b值並且基於bharm使用方程式(3)計算腐
蝕相關值。此外，用戶可使用用戶B值BusER來配置用於LPR測量的設備2， 而用戶B值BusER可通過任何合適的裝置得到，諸如來自測試單(test coupon) 的相關權重損失數據、電阻探針或壁厚度測量、LPR讀取等，其中可通過用戶 或連接有設備2的DCS來監視計算得到的B值BUSER。在這個方面，觀測到 的計算得到的B值BusER的變化表示過程電解質組成變化或是在過程控制/監 視方面所感興趣的其他過程事件。
參考圖12，設備2的另 一特徵在於對於正弦波HDA/LPR激勵信號的調節 以補償電極8之間的差異。在這個方面，對於具有相同電極8的理想電池(ce11), 在正弦波激勵的整個周期中不會有淨dc電流在電極之間流過，在這種情況下， 不會干擾工作電極E3的電化學特性。然而，假定電極8不相同，目標則為確 保當通過設備2不應用激勵時，流過工作電極E3的電流為零。由於電極8位 於驅動放大器U10A的反饋迴路當中，從輔助電極El流到工作電極E3的電 流會使得參考和工作電極E2和E3之間的電勢與應用的激勵的電勢相同。
在圖12所示的示例中，處理系統22在254中將模擬開關切換到圖4的表 70中ECN測量所指示的狀態。這樣配置後，在256中不使用激勵來測量參考 電極E2處的電壓信號，並且將其存儲以便在HDA測量期間作為激勵偏壓 (offset)使用，於是在258中完成在線的電極偏壓(offset)測量。之後，在 260中處理器22將開關系統34c切換到如圖4的表70中所示的HDA配置， 並且在處理器22的控制下通過DAC32將偏壓(offset)值加到激勵信號上在 262中執行HDA測量。以這種方式，使用用來補償偏壓(offset)否則會造成 電極8之間出現差異等誤差，設備2在圖7所示的第二測量階段期間執行HDA 測量。通過執行HDA之前的電池(cell)偏壓(offset)測量並且將測量得到 的偏壓(offset)加到應用的正弦波上，可以在HDA測量期間有效地消除由於 電極差異所引起的任何電流，藉此設備可補償電極El至E3之間的物理差異 並且因此^l是高HDA腐蝕速率結果的準確性和可靠性。關於工作電極E3處的測量，由於電極差異所引起的誤差電流被認為是在應用極性時出現，其中提供
補償性的偏壓(offset)使得當相對於參考電極(RE)測量時，工作電極E3 在其自由腐蝕電勢(E匿)附近極化，而不是在其他一些電勢附近極化，因而 從整體上提高了腐蝕測量的準確性。
在圖7所示的示例性設備周期的第三測量階段中使用了不對ECN類型測 量應用外部激勵的自發噪聲的檢測。在這種測量模式下，設備2測量感應得到 的電流(和電壓)，基於該電流和電壓來計算包括均值、標準偏差(CT)、以及 特定實施例中的rms等統計參數，並且進一步從數據的統計矩(statistical 'moment')計算這些統計量。當應用時，在參考電極E2與電路接地之間測量 電壓或電勢噪聲，而通過開關系統34c將輔助電極El和工作電極E3有效地 連接到虛擬接地極。可以完整的數據組(例如，在一段時間內對測量得到的電 壓和電流的許多取樣)中計算統計矩自身，但是上述方法會對處理器22產生 極大的計算花銷並且會佔用大量的存儲器使用空間。因此在優選實施例中，使 用了需要極小存儲空間的'連續矩，方法。在上述實施方式中，處理器22為 電流和電壓或是僅為電流計算噪聲數據的前兩個統計矩，再從這兩個統計矩中 計算均值、標準偏差、以及rms的統計，並且在在線電化學噪聲(ECN)測量 中使用。在設備2中有利地使用ECN以便計算噪聲指數或局部化腐蝕指數值， 其中在設備2中可以計算任何形式的局部化腐蝕指數，這表示電極8傾向於受 到給定電解質的局部化腐蝕侵蝕。在一個實施例中，計算無量綱的局部化腐蝕 指數值，當該局部化腐蝕指數值超出特定水平時，則表示在給定安裝下可能發 生了局部化腐蝕侵蝕。在一個實施例中，設備2提供了從作為電流噪聲標準偏 差cri的局部化腐蝕指數值到在O到l之間取值的電流噪聲值(rmsi)，其中大 的(7i值和小的dc電流值(通常被看作是凹陷侵蝕)將會導致局部化腐蝕指數 中出現大(接近l)的值。另一方面，小的均勻腐蝕(小的CTi和小的dc電流) 對應於接近於零的局部化腐蝕指數值。在一個可能的實施例中，可以使用0.3 的閾值作為報警限制，超出該報警限制則會向用戶指示可能的局部化腐蝕侵 蝕，儘管還可選擇其他合適的指數(無單位或有單位)和相對應的比較值。
在設備2中經由工作電極E3來取樣電流噪聲，並且計算加權後的平均值 或連續矩，其中使用電流噪聲統計來計算局部化腐蝕指數。此外，在一個實施例中，還可使用探針接口 30的電壓感應電路和A/D 26的第二輸入通道來同樣 地測量電壓(電勢)噪聲。在一個優選的實施方式中，設備2在通過推導局部 化腐蝕指數或其他統計量來計算rms或標準偏差中使用連續矩運算方法。以這 種方式，設備2不需要存儲大量的數據並且在每個設備周期中所需的計算量也 相應地減少。在一個實施方式中，計算噪聲統計作為每個A/D取樣的連接矩 並且重複該處理直至獲得特定數目的取樣"n"，諸如在一個示例中為1000。 在這種情況下，通過處理系統22將兩個矩變量M1和M2初始化為零，並且 將n的變量設定為l。處理器22隨後將開關系統設定為ECN配置，並且將取 樣的電流和電壓測量都包括在連續計算當中以便在每個取樣時刻都更新矩值。 下面的方程式被用來更新矩，其中xn作為當前電流取樣值，而n作為當前取 樣次數(例如，在這個示例中範圍從1到1000):
formula see original document page 43此外，在上述實施方式中，還對於電流取樣同時獲得的電壓取樣作出類似 的計算，而處理系統22還對電壓噪聲計算移動矩值M1和M2。此外，還可以 在執行時間和存儲空間方面來優選地優化上面的運算，諸如通過預先計算每個 通道的如(l-l/n)的特定公共因子，其中在每個取樣周期按照上面所示的順 序執行關於M2和Ml的計算直至對於電流和電壓讀取值都獲得了預定數目 (例如，n=1000)的讀取值。之後，可以按照如下計算電流統計
電流標準偏差o",-(M2)"2 電流rww值ww,. = (Ml2 +M2)I/2 電流噪聲指數=(M2/(M12 +M2))"2
處理器22類似地計算關於電壓噪聲的相同統計並且隨後按照如下計算電
流腐蝕噪聲Ic畫。ise:
在另一可能的實施例中，處理器22基於取樣後的電流信號的標準偏差和 取樣後的電流信號的rms來計算局部化腐蝕指數，其中標準偏差和rms都是基
43於連續矩運算的。在這種實施方式中，無需感應出電壓信號，並且也無需對於 局部化腐蝕測量來計算相對應的電壓噪聲統計，從而降低了處理器22的計算 和存儲空間方面的花銷。在上述方法中，對於測量得到的電流噪聲(無激勵)
計算矩Ml和M2,並且如下計算電流噪聲指數IC(OTn。ise: 7_ = c,/"m, =(M2/(M12 +M2》"2
設備2的另一特徵涉及通過在ECN測量期間將輔助和工作電極El和E3 連接到探針接口系統30的虛擬接地極而有效地縮短輔助和工作電極El和E3 的長度。在一個實施例中，如圖4的表70中的ECN表項所示，處理系統選拷r 性地再配置開關部件U13至U16，藉此輔助電才及El經過電阻R54和R58以 及經過開關U14的"0"狀態連接到提供虛擬接地極的放大器U10A的反向輸 入，並且工作電極E3經過電阻R56連接到U9A的反向輸入處的虛擬接地極， 如圖3A所示，在第三測量階段103中的ECN測量期間，處理器22執行上面 所述的測量和計算。對於ECN測量而言，有效地縮短了輔助和工作電極El 和E3之間的距離(例如，兩者之間為零歐姆)並仍能夠操作以經由流向與工 作電極E3耦合的感應電路中電壓轉換器的電流來測量輔助電極El與工作電 極E3之間的電流流動，並且工作電極E3包括限流保護電阻R57。在這個方 面，示例性感應電路34b在放大器U9A的反饋迴路中包括這種電阻(例如， 在一個實施例中為大約1千歐姆)並且因此被視為不流過電流。
設備2的另一有利特徵在於適應於獨立的數據獲取設備和獨立的存儲設 備的操作，而獨立的數據獲取設備和存儲設備可經由4至20mA的控制迴路 11實現迴路供電，或是經由圖2中的電池13實現電池供電，其中電池13可 通過太陽能板或其它裝置充電。在這個方面，在一系列設備周期中的每個周期 內處理系統22都計算諸如Rs、腐蝕速率、局部化腐蝕指數等腐蝕相關值，並 且將計算得到的值存儲在非易失性存儲器24 (圖2 )當中供用戶隨後使用。通 過用戶通信設備(未示出)經過控制迴路11或是通過其他的有線或無線裝置 來訪問設備2以實現累積的腐蝕數據的下載，例如使用HART或其他合適的 通信協議。此外，可操作設備2以存儲一日或多日內有價值的、計算得到的腐 蝕相關值，諸如所述實施例中的、在長的設備周期時間內的、超過五日當中有 價值的數據。在這個方面，對於短的周期時間，可以存儲更多的數據，諸如幾個月或甚至幾年內有價值的數據。這個特徵對於設備2遠離分布式控制系統的 遠程應用十分有利，並且可在電池或太陽能供電下操作以獨立地一次獲取幾日 內的腐蝕信息，這樣在幾分鐘後可由設備2讀取出數據並且因此將其存儲在外 部用戶通信設備當中以便將數據傳遞到電子表格或是另 一 系統以供進一步評
估，其中在特定實施方式中電池11可通過連接到設備2的太陽能板實現充電。
上述示例僅是用來說明本發明的各個方面的幾種可能的實施例，其中在閱 讀並且理解了這篇說明書和所附附圖之後本領域技術人員可以做出等同的改 變和/或修改。特別是關於上述部件(組件、設備、系統、電路等)所執行的 各種功能，用來描述這些部件的術語(包括"裝置"的參考)都是期望對應於 (除非另外指明)執行上述部件的特定功能的(即，功能上等同的)諸如硬體、 軟體、或兩者組合等任何部件，儘管結構上並不等同於用來執行本發明的所說 明的實施方式中的功能的公開結構。此外，儘管已經參考幾種實施方式中的一 個公開了本發明的特定特徵，但是這些特徵還可如期望的和對於任何給定或特 定的應用有利的方式與其他實施方式中的一個或多個特徵相組合。此外，在具 體實施方式和權利要求書中使用的術語"包含"、"包括"、"具有"、"含有"或 這些術語的變形都是想要包括與術語"包括"等同的方式。 工業應用性
本發明可以被應用到承載或暴露於腐蝕性電解質的管子或其他結構的腐 蝕效果的現場監視和分析。
權利要求
1.一種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電路，所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供激勵信號，感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多個與腐蝕相關的電信號，和開關系統，具有與所述激勵電路和所述感應電路耦合的多個模擬開關部件，該多個模擬開關部件根據相對應的控制信號進行操作從而選擇性互連所述激勵和感應電路中的電路部件與多種不同配置下的電極；以及處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供的激勵信號，並向所述開關系統提供控制信號以選擇性地再配置所述開關部件來執行多種不同類型的腐蝕測量，以及基於從所述感應電路接收到的測量值計算至少一個腐蝕相關值。
2. 根據權利要求1所述的腐蝕測量設備，進一步包括 數字模擬轉換器，可操作地與所述處理系統和所述感應電路耦合以便在所述處理系統的控制下經由所述第 一 電極向電解質提供激勵信號；模擬數字轉換器，可操作地與所述處理系統和所述感應電路耦合以便將感應到的電信號轉換成數字值並且將所述數字值提供給所述處理系統；以及 整流器系統，與所述感應電路耦合以便基於無dc的感應信號向所述模擬數字轉換器提供不是無dc的信號。
3. 根據權利要求2所述的腐蝕測量設備，其中，所述整流器系統是同步整流器，該同步整流器與提供給電解質的激勵信號 的交變極性一致性地交變感應信號的極性。
4. 根據權利要求3所述的腐蝕測量設備，其中，所述同步整流器包括所述開關系統的開關部件中的至少 一個。
5. 根據權利要求3所述的腐蝕測量設備，其中， 所述同步整流器包括第一開關部件，用來#4居來自所述處理系統的第一控制信號交變所述感應 電路中的感應信號的極性；以及第二開關部件，用來根據來自所述處理系統的第二控制信號交變所述感應 電路中的感應信號的^l性；其中，所述處理系統實質上同步地提供所述第一和第二控制信號，從而所 述激勵系統在激勵信號頻率下向電解質提供AC激勵信號，並且所述模擬數字 轉換器基於無dc的感應信號來接收不是無dc的信號。
6. 根據權利要求5所述的腐蝕測量設備，其中，在小於激勵頻率的取樣頻率下操作所述模擬數字轉換器。
7. 根據權利要求2所述的腐蝕測量設備，其中， 在小於大約每秒十次取樣的取樣頻率下操作所述模擬數字轉換器。
8. 根據權利要求1所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統控制向電解質提供的激勵信號，並且向所述開關系統提供控 制信號以便在一系列設備周期的每一個當中選擇性地執行一種或多種類型的 腐蝕測量，其中，所述測量類型可以從電解質電阻測量、諧波失真分析、線性化極性 電阻測量、以及電化學噪聲測量組成的組中選擇。
9. 根據權利要求8所述的腐蝕測量設備，其中，可由用戶配置在給定設備周期中的測量次數和測量類型。
10. 根據權利要求9所述的腐蝕測量設備，進一步包括 通信接口 ，用來允許用戶配置所述設備。
11. 根據權利要求IO所述的腐蝕測量設備，其中，'可由用戶配置所述設備以便經由所述通信接口向所述4-20mA迴路提供至少一個腐蝕相關值。
12. 根據權利要求IO所述的腐蝕測量設備，其中，所述通信接口支持HART協議通信。
13. 根據權利要求8所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統可計算腐蝕速率和局部化腐蝕指數中的至少一個。
14. 根據權利要求1所述的腐蝕測量設備，其中， 所述處理系統可計算腐蝕速率和局部化腐蝕指數中的至少一個。
15. 根據權利要求1所述的腐蝕測量設備，其中，可操作所述電源系統以便可選地從電池電源向所述設備供電。
16. 根據權利要求1所述的腐蝕測量設備，其中， 所述激勵電路包括驅動放大器，並且其中，所述開關系統可操作地耦合用來感應電流的感應電路與處在所述驅 動放大器的反饋路徑中的第一和第二電極。
17. 根據權利要求1所述的腐蝕測量設備，其中，所述感應電路包括電流至電壓轉換器，所述電流至電壓轉換器具有輸入和 耦合在電壓轉換器的電流輸入與所述電極中的第二個電極之間的限流電阻，並 且其中，所述開關系統可操作地耦合用來感應電流的感應電路與處在所述電 流至電壓轉換器的反饋路徑中的限流電阻。
18. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供激勵 信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供 的激勵信號，並且基於所述感應電路的感應信號計算至少一個腐蝕相關值；模擬數字轉換器，可操作地與所述處理系統和所述感應電路相耦合，以便將感應到的電信號轉換成數字值並且將所述數字值提供給所述處理系統；以及 整流器系統，與所述感應電路相耦合以便基於無dc的感應信號向所述模 擬數字轉換器提供不是無dc的信號。
19. 根據權利要求18所述的腐蝕測量設備，其中，所述整流器系統是同步整流器，該同步整流器與提供給電解質的激勵信號 的交變極性一致性地交變感應信號的極性。
20. 根據權利要求19所述的腐蝕測量設備，其中， 所述同步整流器包括第一開關部件，用來根據來自所述處理系統的第 一控制信號交變所述感應 電路中的感應信號的極性；以及第二開關部件，用來根據來自所述處理系統的第二控制信號交變所述感應 電路中的感應信號的極性；其中，所述處理系統實質上同步地提供所述第一和第二控制信號，從而所 述激勵系統在激勵信號頻率下向電解質提供AC激勵信號，並且所述模擬數字 轉換器基於無dc的感應信號來接收不是無dc的信號。
21. 根據權利要求20所述的腐蝕測量設備，其中，在小於激勵頻率的取樣頻率下操作所述模擬數字轉換器。
22. 根據權利要求18所述的腐蝕測量設備，其中， 在小於大約每秒十次的取樣頻率下操作所述模擬數字轉換器。
23. 根據權利要求18所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在小於等於大約500Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號，並且其中，在小於大約每秒十次的取樣頻率下操作所述模擬數字轉換器。
24. 根據權利要求23所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約100Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
25. 根據權利要求23所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約200Hz的激勵頻率下的、實質上無dc的方波信號。
26. 根據權利要求18所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在小於等於大約500Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
27. 根據權利要求18所述的腐蝕測量設備，其中， 所述激勵電路包括驅動放大器，並且其中，所述開關系統可操作地耦合用來感應電流的感應電路與處在所述驅 動放大器的反饋路徑中的第一和第二電極。
28. 根據權利要求18所述的腐蝕測量設備，其中，所述感應電路包括電流至電壓轉換器，所述電流至電壓轉換器具有輸入和 耦合在電壓轉換器的電流輸入與所述電極中的第二個電極之間的限流電阻，並 且其中，所述開關系統可操作地耦合用來感應電流的感應電路與處在所述電 流至電壓轉換器的反饋路徑中的限流電阻。
29. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，包括驅動放大器並且可操作地經由所述電極中的第一個電 極向電解質提供激勵信號，感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號，和開關系統，具有與所述激勵電路和所述感應電路耦合的多個模擬開關 部件，該多個模擬開關部件根據相對應的控制信號進行操作從而選擇性互 連所述激勵和感應電路中的電路部件與多種不同配置下的電極；以及 處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供 的激勵信號，向所述開關系統提供控制信號以選擇性地再配置所述開關部件，其中，所述開關系統可操:作地耦合用來感應電流的感應電路與處在所述驅動放 大器的反饋路徑中的第 一和第二電極。
30. 根據權利要求29所述的腐蝕測量設備，其中，所述感應電路包括電流至電壓轉換器，所述電流至電壓轉換器具有輸入和 耦合在電壓轉換器的電流輸入與所述電極中的第二個電極之間的限流電阻，並 且其中，所述開關系統可操作地耦合用來感應電流的感應電路與處在所述電 流至電壓轉換器的反饋路徑中的限流電阻。
31. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括 使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第 一個電極向電解質提供激勵信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供 的激勵信號，並且基於所述感應電路的感應信號計算至少一個腐蝕相關值；以 及隔離屏蔽，用來提供所述電極與所述4-20mA迴路之間的電隔離。
32. 根據權利要求31所述的腐蝕測量設備，其中，所述隔離屏蔽包括耦合在所述4-20mA迴路與所述電源系統之間的隔離變 壓器。
33. 根據權利要求31所述的腐蝕測量設備，其中， 所述迴路接口包括具有限壓和限流部件的內部安全屏蔽。
34. 根據權利要求33所述的腐蝕測量設備，其中，所述內部安全屏蔽包括具有與所述隔離屏蔽的輸出耦合的限壓和限流部件的第 一級、以及具有耦合在所述第 一級與所述設備的迴路控制電路之間的額 外的限壓部件的第二級。
35. 根據權利要求34所述的腐蝕測量設備，其中， 所述內部安全屏蔽進一步包括與所述電極耦合的保護電阻。
36. 根據權利要求33所述的腐蝕測量設備，其中，所述內部安全屏蔽進一步包括與所述電極耦合的保護電阻。
37. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統、以及具有限壓和限流部件的內部安全屏 蔽；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供激勵 信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電^l感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；以及處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供 的激勵信號，並且基於所述感應電i 各的感應信號計算至少一個腐蝕相關值。
38. 根據權利要求37所述的腐蝕測量設備，其中，所述內部安全屏蔽包括具有與所述隔離屏蔽的輸出耦合的限壓和限流部 件的第一級、以及具有耦合在所述第一級與所述設備的迴路控制電路之間的額 外的限壓部件的第二級。
39. 根據權利要求38所述的腐蝕測量設備，其中， 所述內部安全屏蔽進一步包括與所述電極耦合的保護電阻。
40. 根據權利要求37所述的腐蝕測量設備，其中，所述內部安全屏蔽進一步包括與所述電極耦合的保護電阻。
41. 根據權利要求37所述的腐蝕測量設備，其中， 所述內部安全屏蔽進一步包括隔離變壓器。
42. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結構的腐蝕，該腐蝕測量i殳備包括電源系統，用來使用小於等於大約20mA的電流向所述設備供電；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，所述信號調節電路包括可操作地經由所述電極中的至少一個電極感應一個 或多個與腐蝕相關的電信號的感應電路；處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合以便在一系列設備周期的 每一個當中基於所述感應電路的感應信號計算至少一個腐蝕相關值，並且將多 個計算得到的腐蝕相關值存儲在所述設備中以備用戶隨後檢索；以及通信接口 ，可才喿作地與所述處理系統耦合併且可操作地與外部通信設備接口以允許用戶來配置所述設備或是經由外部通信設備從所述設備檢索已存儲 的計算得到的腐蝕相關值。
43. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，其中， 所述設備包括可與4-20mA迴路耦合的迴路接口 ，並且其中，所述電源系統可操作地使用來自所述4-20mA迴路的電能向所述i殳 備供電。
44. 根據權利要求43所述的腐蝕測量設備，其中，所述通信接口可操作地經由所述4-20mA迴路使得所述設備與通信設備接o 。
45. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，還包括電池， 所述電源系統可才乘作地通過電池電源向所述設備供電。
46. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，其中， 所述通信接口可才喿作地使得所述設備與無線通信設備接口 。
47. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，其中， 所述通信接口支持HART協議通信。
48. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，其中， 所述設備存儲至少一日中有價值的、計算得到的腐蝕相關值。
49. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，進一步包括 隔離屏蔽，用來才是供所述電極與所述4-20mA迴路之間的電隔離。
50. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，其中， 所述迴路接口包括具有限壓和限流部件的內部安全屏蔽。
51. 根據權利要求42所述的腐蝕測量設備，進一步包括 非易失性存儲器，其中，所述處理系統將計算得到的腐蝕相關值存儲在所述非易失性存儲器當中以備用戶隨後檢索。
52. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供激勵信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；以及處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，以便控制向電解質提供 的方波激勵信號並且在一系列設備周期的每一個當中基於所述感應電路的感 應信號計算電解質電阻值，其中，所述處理系統提供具有第一幅值的激勵信號並且選擇性地增大激勵信號幅值直到所得到的感應信號超過了預定的閾值。
53. 根據權利要求52所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在小於等於大約500Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的AC信號。
54. 根據權利要求53所述的腐蝕測量設備，其中， 所述激勵信號是方波信號。
55. 根據權利要求54所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約100Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
56. 根據權利要求55所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大約200Hz的激勵頻率下的、實質上無dc的方波信號。
57. 根據權利要求52所述的腐蝕測量設備，其中， 所述激勵信號是方波信號。
58. 根據權利要求57所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約100Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
59. 根據權利要求52所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約100Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
60. 根據權利要求59所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大約200Hz的激勵頻率下的、實質上無dc的方波信
61. —種由回5各供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第 一個電極向電解質提供激勵信號，和感應電^各，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；處理系統，可才喿作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供 的激勵信號，並且基於所述感應電路的感應信號計算至少一個腐蝕相關值；以 及同步整流器，用於在所述處理系統的控制下， 一致地交變感應信號的極性 與提供給電解質的激勵信號的交變極性；其中，所述處理系統使得所述激勵電路初始地不提供激勵信號並且使得所 述同步整流器開始交變所感應到的電流信號的極性，在不應用激勵信號操作所述同步整流器時取樣感應電流，基於至少一個感應電流信號取樣來計算偏壓 值，並且將所述偏壓值存儲以便作為計算至少一個校正相關值時的偏壓校正隨 後使用。
62. 根據權利要求61所述的腐蝕測量設備，其中， 所述激勵信號是方波信號。
63. 根據權利要求62所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約100Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
64. 根據權利要求63所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大約200Hz的激勵頻率下的、實質上無dc的方波信
65. 根據權利要求61所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大於等於大約100Hz的激勵頻率下的、實質上無dc 的方波信號。
66. 根據權利要求65所述的腐蝕測量設備，其中，所述激勵信號是處在大約200Hz的激勵頻率下的、實質上無dc的方波信號。
67. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統、以及具有限壓和限流部件的內部安全屏 蔽；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第 一個電極向電解質提供激勵 信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；以及處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供的激勵信號，並且基於所述感應電路的感應信號計算至少一個腐蝕相關值；並且其中，所述處理系統使得所述激勵電路初始地不提供激勵信號，在不應用 激勵信號下取樣由所述感應電路感應到的電壓信號，將所述感應到的電壓值作 為偏壓存儲，之後使得所述激勵電路向電解質提供帶有所述偏壓的正弦波激勵 電壓信號，並且使用諧波失真分析基於由所述感應電路感應出的電流信號中的 諧波計算至少 一個腐蝕相關值。
68. 根據權利要求67所述的腐蝕測量設備，進一步包括開關系統，用於當所述處理系統取樣由所述感應電路感應出的電壓信號 時，使得所述第一電極與所述激勵電路相隔離。
69. 根據權利要求68所述的腐蝕測量設備，其中，在不應用激勵信號下，所述感應電路感應出第二個和第三個電極之間的電壓。
70. 根據權利要求67所述的腐蝕測量設備，其中，在不應用激勵信號下，所述感應電路感應出第二個和第三個電極之間的電壓。
71. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供正弦 波激勵信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；以及處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而控制向電解質提供 的激勵信號，並且通過諧波失真分析基於由所述感應電路感應出的多於一個周 期的正弦波電流信號計算至少 一個腐蝕相關值。
72. 根據權利要求71所述的腐蝕測量設備，其中，所述正弦波激勵信號是處在大於等於大約50mHz的激勵頻率下的正弦波 激勵信號。
73. 根據權利要求72所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統利用諧波失真分析基於多於十個周期的感應出的正弦波電 流信號計算至少 一個腐蝕相關值。
74. 根據權利要求72所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統利用諧波失真分析基於多於20個周期的感應出的正弦波電 流信號計算至少 一個腐蝕相關值。
75. 根據權利要求71所述的腐獨測量設備，其中，所述正弦波激勵信號是處在大約100-200mHz的激勵頻率下的正弦波激勵 信號。
76. 根據權利要求75所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統利用諧波失真分析基於多於十個周期的感應出的正弦波電 流信號計算至少 一個腐蝕相關值。
77. 根據權利要求75所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統利用諧波失真分析基於多於20個周期的感應出的正弦波電 流信號計算至少一個腐蝕相關值。
78. 根據權利要求71所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統利用諧波失真分析基於多於十個周期的感應出的正弦波電 流信號計算至少 一個腐蝕相關值。
79. 根據權利要求71所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統利用諧波失真分析基於多於20個周期的感應出的正弦波電 流信號計算至少 一個腐蝕相關值。
80. 根據權利要求71所述的腐蝕測量設備，其中，所述正弦波激勵信號是處在大約100mHz的激勵頻率下的正弦波激勵信號。
81. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供正弦波激勵信號，和感應電3各，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號；以及處理電路，可操作地與所述探針接口系統耦合，從而控制提供給電解質的 激勵信號，在一系列設備周期的每一個當中，基於由所述感應電路感應出的電 流信號中的諧波計算B值，並且對於計算得到的B值執行合理性測試，其中， 在每個設備周期中，如果所述合理性測試提示諧波失真分析很可能會產生準確 的腐蝕相關值，則所述處理系統利用計算得到的B值作出的諧波失真分析選 擇性地計算至少一個腐蝕相關值；否則，利用用戶定義的或默認的B值執行 的線性化極性電阻測量來計算至少 一個腐蝕相關值。
82. 根據權利要求81所述的腐蝕測量設備，其中， 分別基於一次、二次和三次電流諧波I,、 12和l3計算所述B值，並且 其中，所述合理性測試包括確定量(21山-12)是否大於零。
83. 根據權利要求82所述的腐蝕測量設備，其中， 所述合理性測試進一步包括確定量(Rs/ (Rs+Rp))是否小於闊值， 其中，Rs是計算得到的電解質電阻而Rp是計算得到的極性電阻。
84. 根據權利要求83所述的腐蝕測量設備，其中， 所述合理性測試進一步包括確定計算得到的B值是否處在預定範圍之內。
85. 根據權利要求82所述的腐蝕測量設備，其中，所述合理性測試進一步包括確定計算得到的B值是否處在預定範圍之內。
86. 根據權利要求81所述的腐蝕測量設備，其中， 所述合理性測試進一步包括確定量(Rs/ (Rs+Rp))是否小於閾值， 其中，Rs是計算得到的電解質電阻而Rp是計算得到的極性電阻。
87. 根據權利要求86所述的腐蝕測量設備，其中，所述合理性測試進一步包括確定計算得到的B值是否處在預定範圍之內。
88. 根據權利要求88所述的腐蝕測量設備，其中，所述閾值大約是O.l。
89. 根據權利要求81所述的腐蝕測量設備，其中，所述合理性測試進一步包括確定計算得到的B值是否處在預定範圍之內。
90. 根據權利要求89所述的腐蝕測量設備，其中，所述預定範圍包括大約10mV或以上和大約60mV或以下的B值。
91. 根據權利要求81所述的腐蝕測量設備，其中，所述計算得到的B值是經過低通濾波的。
92. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電路，所迷信號調節電路包括可操作地經由所述電極中的至少一個電極感應一個或多個與腐蝕相關的電信號的感應電路；處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，以便通過包括利用連續矩運算得到至少一個統計值的運算的電化學噪聲測量，基於所述感應電路的感應信號計算至少 一個腐蝕相關值。
93. 根據權利要求92所述的腐蝕測量設備，其中，所述信號調節電路與輔助電極、參考電極、以及工作電極相接口，其中，所述探針接口系統進一步包括具有與所述#:針接口系統相耦合的多個模擬開關部件的開關系統，並且該開關系統根據相對應的控制信號進行操作從而選擇性互連所述激勵和感應電路中的電路部件與多種不同配置下的電極，其中，所述處理系統向處在電化學噪聲模式下的開關系統提供控制信號以使所述開關系統在電化學噪聲測量期間內將輔助和工作電極連接到所述探針接口系統中的虛擬接地極。
94. 根據權利要求92所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統基於取樣得到的電流信號的標準偏差和取樣得到的電流信號的rms來計算局部化腐蝕指數，其中，所述標準偏差和rms都是基於連續矩 運算的。
95. 根據權利要求94所述的腐蝕測量設備，其中，所述處理系統通過計算取樣得到的電流信號的標準偏差與取樣得到的電 流信號的rms的比值得到局部化腐蝕指數。
96. —種由迴路供電的腐燭測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極相接口的信號調節電 路，並且所述信號調節電路包括感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多 個與腐蝕相關的電信號，和開關系統，具有根據與選擇性互連所述激勵和感應電路中的電路部件 與多種不同配置下的電極相對應的控制信號而操作的多個模擬開關部件； 以及處理系統，可操作地與所述探針接口系統相耦合，從而向所述開關系統提 供控制信號以選擇性地再配置所述開關部件，以使所述開關系統將輔助和工作 電極連接到所述探針接口系統中的虛擬接地極並且利用電化學噪聲測量基於 所述感應電^各的感應信號來計算至少一個腐蝕相關值。
97. —種由迴路供電的腐蝕測量設備，用於測量或監視暴露於電解質的結 構的腐蝕，該腐蝕測量設備包括迴路接口 ，可與4-20mA迴路相耦合併且包括使用來自所述4-20mA迴路 的電能向所述設備供電的電源系統；探針接口系統，具有與處在電解質中的多個測量電極接口的信號調節電路，並且所述信號調節電路包括激勵電路，可操作地經由所述電極中的第一個電極向電解質提供正弦 波激勵信號，和感應電路，可操作地經由所述電極中的至少第二個電極感應一個或多個與腐蝕相關的電信號；以及處理系統，在一系列i殳備周期的每一個當中，可#:作地基於由所述感應電路感應出的電流信號中的諧波計算B值，並且利用計算得到的B值執行的線性化極性電阻測量，基於所述感應電路感應出的電流信號來計算給定設備周期中的至少 一個腐蝕相關值。
98.根據權利要求97所述的腐蝕測量設備，其中，所述計算得到的B值是經過低通濾波的。
全文摘要
通過用來執行一種或多種先進的腐蝕測量類型的可編程配置來說明低功率腐蝕測量設備(2)，該腐蝕測量設備(2)可提供用於在線腐蝕監視或離線腐蝕數據歸檔的現場發送器(4)中的電導、常規腐蝕、和/或局部化腐蝕值等。
文檔編號G01N17/04GK101517420SQ200780029917
公開日2009年8月26日 申請日期2007年5月23日 優先權日2006年7月12日
發明者丹尼斯·波裡爾, 卡雷爾·赫拉德基, 韋塞爾斯·羅爾夫 申請人:倍加福公司