专利名称：一种在线式管道腐蚀的测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种在线式管道腐蚀的测量装置及方法，具体地说是一种在线式采用多种抗干扰、降噪声技术的电阻法测量金属管道壁厚和腐蚀率的测量装置及测量方法。
发明内容
本发明提供一种能够准确的测量管道的真实腐蚀状况且具有抗干扰能力强、灵敏度高的在线式管道腐蚀的测量装置及方法。为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案一种在线式管道腐蚀的测量装置，其包括探针装置10和采集器20，所述探针装置10包括4组顶针19、温度补偿片18 ；所述采集器20包括安全栅21、22、23、变频信号源沘、放大器对、25、A/D转换器洸、27、DSP处理器30、通讯模块29、Flash芯片31 ；所述温度补偿片18通过所述安全栅23信号连接变频信号源观，所述变频信号源 28信号连接所述DSP处理器30，所述温度补偿片18还通过安全栅22信号连接放大器25， 所述放大器25信号连接A/D转换器27，所述A/D转换器27信号连接所述DSP处理器30 ；所述顶针19通过安全栅21信号连接放大器M，所述放大器M信号连接A/D转换器沈，所述A/D转换器沈信号连接所述DSP处理器30。优选地，所述的4组顶针19包括顶在被测管道上的顶针头和用于连接所述安全栅的顶针座，所述顶针头与顶针座弹性连接在一起。一种在线式管道腐蚀的测量方法，根据测量被测管道12的电阻Rl和温度补偿片 18的电阻R2，计算得到被测管道12的壁厚d及腐蚀率m。优选地，所述的被测管道12的壁厚依照公式1 :d = k/x得到管道壁厚d，其中k是和被测管道12的长度、直径、材料及和温度补偿片18相关的常数，χ为被测管道12和温度补偿片18的电阻比值。优选地，所述的腐蚀率计算依照公式2 :m = m = (dl_d2) / (t2_tl)，得到腐蚀率m， 其中tl，t2为两个时间点，dl对应tl时间点的管壁壁厚，d2对应t2时间点的管壁壁厚。
优选地，所述的测量方法包括数据采集及处理步骤，所述数据采集及处理步骤如下在测量被测管道12的电阻Rl前，DSP处理器30先通知变频信号源28对外不施加激励信号，DSP处理器30进行数据采集，将采集的数据进行FFT变换，寻找出干扰最小的若干个频点，然后由变频信号源观在该若干个频点上向外施加激励信号，DSP处理器30再进行数据采集，将结果进行FFT变换，计算出该若干个频点的在所述电阻比值的校正系数， 并存储该若干个频点和对应点的校正系数；在测量被测管道12的电阻时，DSP处理器30先通知变频信号源28对外不施加激励信号，DSP处理器30进行数据采集，将采集的数据进行FFT变换，找出存储的频点中干扰最小的一个频点，然后将该干扰最小的一个频点通知变频信号源观，变频信号源观在该干扰最小的一个频点向外施加激励信号，同时将该激励信号每个周期的起始时刻发送给DSP处理器30，DSP处理器30根据每个周期的起始时刻将多次采集到的数据在时域内进行叠加，DSP处理器30将所述叠加的结果进行FFT变换，将被测管道12和温度补偿片18的电阻在该频点的电阻比值χ作为测量结果，并使用所述存储的校正系数对该测量结果χ进行校正，根据所述校正后的测量结果、所述公式(1)和公式(2)计算得到被测管道12的壁厚 d及腐蚀率m。通过实施以上技术方案，具有以下技术效果1、直接测量被测管道的壁厚和被测管道腐蚀率，真实反映管道的实际情况，可直接替代人工定点测厚。2、灵敏度高，抗干扰能力强，工作效率高。该测量装置的测量电阻采用变频信号源，可以找出干扰最低的频率点，可通过信号叠加、频域分析技术抑制噪声信号，与现有技术中采用通频测量相比，增强了抗干扰能力，提高了灵敏度，可得到比人工超声波测厚更准确的管道壁厚数据。4、实现远程在线测量，该测量装置与上位计算机进行通讯连接，实现测量结果的远程通讯，由上位计算机处理并显示测量结果和腐蚀曲线，可以实时在线监测金属的腐蚀状况。5、适用范围广，可应用于石油、石化、发电、燃气、自来水等行业的管道腐蚀监测。
图1是本发明实施例提供的在线式管道腐蚀的测量装置的信号处理硬件框图；图2是本发明实施例提供的被测管道和温度补偿片的结构原理图；图3是本发明实施例提供的安全栅的电路原理图；图4是本发明实施例提供的变频信号源电路原理图；图5是本发明实施例提供的计算频段及校正系数流程图；图6是本发明实施例提供的数据采集及处理流程图。
具体实施例方式为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的实施例。见图1是在线式管道腐蚀的测量装置对信号处理的硬件处理框图，本测量装置包括探针装置10和采集器20，所述探针装置10包括4组顶针19、温度补偿片18 ；所述采集器20包括安全栅21、22、23、变频信号源观、放大器M、25、A/D (模/数)转换器沈、27、 DSP (数据处理器)处理器30、通讯模块四、Flash芯片31 ；所述温度补偿片18通过所述安全栅23信号连接变频信号源观，所述变频信号源 28信号连接所述DSP处理器30，所述温度补偿片18还通过安全栅22信号连接放大器25， 所述放大器25信号连接A/D转换器27，所述A/D转换器27信号连接所述DSP处理器30 ；所述顶针19通过安全栅21信号连接放大器M，所述放大器M信号连接A/D转换器沈，所述A/D转换器沈信号连接所述DSP处理器30。4组顶针19采用四线制电阻测量法和被测管道12接触测量其电阻R1，温度补偿片18也采用四线制电阻测量法测量其电阻R2，对被测管道12及温度补偿片18施加同一交流激励信号。被测管道12及温度补偿片18的原理图见图2，被测管道12和温度补偿片18在 m点相连，变频信号源观的输出通过安全栅23向A、B点施加激励信号，C、D点作为被测管道12R1的电阻信号输出，E、F点作为温度补偿片18R2的电阻信号输出，这两组信号通过安全栅21、22连接到放大器对、25的输入。放大器对、25的输出连到A/D转换器沈、27的输入，A/D转换器沈、27的输出连到DSP处理器30。4组顶针19均采用不易腐蚀材料制成， 顶在被测管道上的顶针头和用于连接所述安全栅的顶针座，所述顶针头与顶针座弹性连接在一起。顶针19安装在该测量装置的支架上，安装支架安装在被测管道12上，顶针头顶在被测管道上并有一定的预顶力，可以和管道保持良好的电气接触。温度补偿片18和被测管道12为相同材质，温度补偿片18紧贴在被测管道12上， 但它们之间由传热绝缘材料隔开。由于被测管道12的电阻和温度之间有一定关系，如碳钢每增加1°C，电阻将增加0. 6%，对于5mm的被测管道，1°C将产生约30um的测量偏差，该偏差对测量结果的影响几乎是不可接受的，因此设计了温度补偿片，温度补偿片在应用中是不会被腐蚀，根据被测管道12的电阻Rl和温度补偿片18的电阻R2的电阻比值，可以消除温度对被测管道12的电阻Rl的影响，为了保证被测管道12和温度补偿片18的温度相同， 需要它们尽可能的接近，并在它们之间采用传热绝缘材料隔开，其材料可采用云母片或导热胶垫。放大器M、25采用型号为0PA1632的放大器，A/D转换沈、27采用型号为ADS1271 的A/D转换器，DSP处理器30采用型号为TMS320M8系列的DSP处理器，变频信号源28采用型号为C8051F330的D/A (数/模转换)产生正弦波，安全栅21、22、23为齐纳安全栅，通讯模块四为RS485通讯，Flash芯片31采用串行IIC( 一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线)型Flash (闪存)。放大器M、25采用超低噪声全差分放大器0PA1632，可提供很高的共模抑制比、很低的噪声和合适的放大倍数。A/D转换沈、27为1(^KSPS转换速率的Mbit的转换器，可满足高速、高精度、低噪声需要，在处理器的控制下改变ADS1271的参考电压可达到量程自适应，满足因不同材质、 不同被测管道壁厚而造成电阻有较大差异的需要。安全栅21、22、23，电路原理图见图3，由快速熔断器F、保护二极管D及限流电阻 R组成，采集器和其外部所有连接信号均通过安全栅21、22、23相连，使测量装置安满足石油、石化行业现场的防爆要求。变频信号源观见图4，它是由型号为C8051F330的D/A产生正弦波的MCU和放大器A3组成，MCU接收由DSP处理器30传来的频率参数，由MCU内部D/A产生该频率的正弦波，经放大器A3施加在测量被测管道12和温度补偿片18上。测量被测管道12的电阻Rl和温度补偿片18的电阻R2，计算得到被测管道12的
壁厚d及腐蚀率m。被测管道12的壁厚依照公式d = k/x得到管道壁厚d，其中k是和被测管道12的长度、直径、材料及和温度补偿片18相关的常数，χ为被测管道12和温度补偿片18的电阻比值，其原理是金属电阻R的公式为
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R = a*f (t) *R0a是和金属材质相关的常数，f(t)是温度系数，它和材料有关，RO是金属在零摄氏度时电阻。被测管道12的电阻R 测=a 测 *f (t 测)*R0 测；温度补偿片18的电阻R 补=a 补 *f(t 补)*R0 补；由于被测管道12和温度补偿片18材质相同且认为它们的温度相同，故“a测”= "a补”，"f(t测)，，="f(t补)”，且温度补偿片18不会被腐蚀，故“R0补”为一定值，设定这些常数关系用b表示，则R 测 /R 补=(K 测 *f (t 测)*R0 测)/K 补 *f (t 补)*R0 补)=b*R0 测即被测管道12在零摄氏度时电阻RO 测=b* (R 测 /R 补)将被测管道12和温度补偿片18都看作一薄板，RO = P *l/(d*h)，其中P零摄氏度时电阻率，1为长度，h为宽度，d为厚度，P、l、h在管道被腐蚀时都不会发生变化，设定这些不变量和b的影响结果用k表示，且χ = R测/R补，则得到被测管道12的厚度d d =上式中χ是测量的到的，该厚度d可以认为是被测管道12的壁厚，因此通过上述方式可以得到被测管道12的壁厚d。腐蚀率计算依照公式= (dl-d2)/(t2-tl)得到腐蚀率m，其中tl，t2为两个时间点，dl对应tl时间点的管壁壁厚，d2对应t2时间点的管壁壁厚。测量方法包含数据采集及处理步骤，该步骤包括先计算频段及校正系数，见图5 在测量被测管道12的电阻Rl前，S101、DSP处理器30先通知变频信号源观对外不施加激励信号；S102、DSP处理器30进行数据采集，将所述数据采集进行FFT变换；S103、寻找出干扰最小的若干个(如图5中的10个)频点，S104、 然后由变频信号源观在该若干个频点上向外施加激励信号，S105、DSP处理器30再进行数据采集，将再进行采集数据结果进行FFT (傅里叶)变换，S106、计算出该若干个频点的在所述电阻比值的校正系数，并存储该若干个频点和对应点的校正系数。S107、再判断是否对上面若干频点计算处理结束，如果未结束，则再进行步骤S105，如果结束，则计算频段及校正系数过程结束。数据采集及处理流程见图6，在测量被测管道12的电阻时，S201、DSP处理器30 先通知变频信号源观对外不施加激励信号；S202、DSP处理器30进行数据采集，将采集的数据进行FFT变换，S203、找出存储的频点中干扰最小的一个频点，然后将该干扰最小的一个频点通知变频信号源观；S204、变频信号源观在该干扰最小的一个频点向外施加激励信号，同时将该激励信号每个周期的起始时刻发送给DSP处理器30 ；S205、DSP处理器30根据每个周期的起始时刻将多次采集到的数据在时域内进行叠加，S206、判断叠加次数是否达到要求，如果达到则进行步骤S207，如果没有达到则继续进行步骤S205 ；S207、DSP处理器 30将所述叠加的结果进行FFT变换，将被测管道12和温度补偿片18的电阻在该频点的电阻比值χ作为测量结果，并使用所述存储的校正系数对该测量结果χ进行校正，根据所述校正后的测量结果、所述公式(1)和公式(2)计算得到被测管道12的壁厚d及腐蚀率m。
上述内容已经说明了本在线式管道腐蚀的测量装置及方法，本领域的普通技术人员对采集器的频段数、信号叠加次数、A/D转换器型号、变频信号源元件型号、DSP处理器型号做出变化，探针装置结构做出变化以及在此基础上做出各种形式和细节上的变更都将被包含在本发明范围中。
权利要求
1.一种在线式管道腐蚀的测量装置，其特征在于，包括探针装置(10)和采集器(20)， 所述探针装置(10)包括4组顶针(19)、温度补偿片(18)；所述采集器(20)包括安全栅 (21、22、23)、变频信号源(28)、放大器(24,25)、A/D转换器(26,27)、DSP处理器(30)、通讯模块(29)、Flash 芯片(31)；所述温度补偿片(18)通过所述安全栅(23)信号连接变频信号源(28)，所述变频信号源(28)信号连接所述DSP处理器(30)，所述温度补偿片(18)还通过安全栅(22)信号连接放大器(25)，所述放大器(25)信号连接A/D转换器(27)，所述A/D转换器(27)信号连接所述DSP处理器(30)；所述顶针(19)通过安全栅(21)信号连接放大器(24)，所述放大器(24)信号连接A/D 转换器(26)，所述A/D转换器(26)信号连接所述DSP处理器(30)。
2.根据权利要求1所述的在线式管道腐蚀的测量装置，其特征在于，所述的4组顶针 (19)包括顶在被测管道上的顶针头和用于连接所述安全栅的顶针座，所述顶针头与顶针座弹性连接在一起。
3.—种在线式管道腐蚀的测量方法，其特征在于，根据测量被测管道(12)的电阻Rl和温度补偿片(18)的电阻R2，计算得到被测管道(12)的壁厚d及腐蚀率m。
4.根据权利要求3所述的在线式管道腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的被测管道 (12)的壁厚依照公式(1) :d = k/x得到管道壁厚d，其中k是和被测管道(12)的长度、直径、材料及和温度补偿片(18)相关的常数，χ为被测管道(12)和温度补偿片(18)的电阻比值。
5.根据权利要求4所述的在线式管道腐蚀的测量方法，其特征在于所述的腐蚀率计算依照公式(2) :m= (dl-d2)/(t2-tl)，得到腐蚀率m，其中tl，t2为两个时间点，dl对应 tl时间点的管壁壁厚，d2对应t2时间点的管壁壁厚。
6.根据权利要求5所述的在线式管道腐蚀的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括数据采集及处理步骤，所述数据采集及处理步骤如下在测量被测管道(12)的电阻Rl前，DSP处理器(30)先通知变频信号源(28)对外不施加激励信号，DSP处理器(30)进行数据采集，将采集的数据进行FFT变换，寻找出干扰最小的若干个频点，然后由变频信号源(28)在该若干个频点上向外施加激励信号，DSP处理器(30)再进行数据采集，将结果进行FFT变换，计算出该若干个频点的在所述电阻比值的校正系数，并存储该若干个频点和对应点的校正系数；在测量被测管道(12)的电阻时，DSP处理器(30)先通知变频信号源(28)对外不施加激励信号，DSP处理器(30)进行数据采集，将采集的数据进行FFT变换，找出存储的频点中干扰最小的一个频点，然后将该干扰最小的一个频点通知变频信号源(28)，变频信号源 (28)在该干扰最小的一个频点向外施加激励信号，同时将该激励信号每个周期的起始时刻发送给DSP处理器(30)，DSP处理器(30)根据每个周期的起始时刻将多次采集到的数据在时域内进行叠加，DSP处理器(30)将所述叠加的结果进行FFT变换，将被测管道(12)和温度补偿片(18)的电阻在该频点的电阻比值χ作为测量结果，并使用所述存储的校正系数对该测量结果χ进行校正，根据所述校正后的测量结果、所述公式(1)和公式(2)计算得到被测管道(12)的壁厚d及腐蚀率m。
全文摘要
本发明提供一种在线式管道腐蚀的测量装置及方法，该装置包括温度补偿片通过安全栅信号连接变频信号源，变频信号源信号连接DSP处理器，温度补偿片还通过安全栅信号连接放大器，放大器信号连接A/D转换器，A/D转换器信号连接DSP处理器；顶针通过安全栅信号连接放大器，放大器信号连接A/D转换器，A/D转换器信号连接DSP处理器。该测量装置和方法能够准确的测量管道的真实腐蚀状况且具有抗干扰能力强、灵敏度高。
文档编号G01N17/00GK102156090SQ201110063399
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者段道景 申请人:深圳格鲁森科技有限公司