用于腐蚀测量的现场设备的制作方法

专利名称：用于腐蚀测量的现场设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及腐蚀测量，尤其涉及用于腐蚀测量的低功率现场设备
(field device )。
背景技术：
现场安装的发送设备已经被广泛地应用于过程控制环境当中来提供过程 变量信息给控制和/或数据获取设备。与实验室测量设备不同，在设备会经历 极端温度和湿度的制造工厂、化学处理工厂、炼油厂等环境中需要使用密封的 保护性外壳构成现场设备以便承受恶劣的环境条件。这样的设备会被典型地用 在分布式控制系统中，用来感应用于控制进行中的过程的温度、流体压力、流 动、以及其它变量，并且这样的设备一般地通过4-20mA控制回路连接到其它 控制设备，发送器从4-20mA控制回路获得电能并且经过该4-20mA控制回路 将感应到的过程变量提供给控制系统。由回路供电的发送器被广泛地应用于感 应各种过程变量，并且通常将发送器配置为根据测量得到的过程变量使得回路 电流在4mA至20mA之间变化(例如，4mA代表过程变量的0 % ,而20mA 代表过程变量的100%)。其它发送器根据诸如HART等标准协议提供数字通 信，发送器利用这些标准协议经由控制回路来发送并且接收数据、命令、以及 其它信息。
许多化学过程涉及在管道、储罐、以及其它结构中存储或是通过这些管道、 储罐、以及其它结构传送流体，上述这些结构会随着时间的推移由于与传送的 或存储的流体发生接触而被腐蚀。在这些情况下，期望能够确定上述腐蚀的量 和速率，以便实现为了维护而通知结构安全的评估，并且还可以识别出流体自 身的、不想要的或不期望的腐蚀等级，其中在诸如抑制剂注入等补救措施中和 /或确定并优化这些补救措施效率中使用腐蚀数据。其它腐蚀测量应用包括诸 如混凝土中钢的腐蚀等暴露于非流体的结构的腐蚀，其中无论是处在固态、液 态还是气态，引起腐蚀的材料通常被称为电解质(electrolyte )。然而，由于大
19多数化工过程环境的特性以及管道和流体储存容器的大小和位置，通常使得应 用复杂并且昂贵的实验室级设备和测量系统来执行腐蚀测量是不切实际的。特 别的，这种昂贵的系统不适用于实时地在线测量管道或存储容器的腐蚀条件。 此外，在线测量设备必须能够在非常低的电能花费下操作，诸如可以从标准的
4-20mA控制回路或是从电池获得电能。近来已经引入了现场腐蚀发送器来提 供对于这些应用的腐蚀测量功能。然而，传统的现场腐蚀发送器都不能提供必 要等级的腐蚀测量准确性和用来测量广泛类型的结构材料的腐蚀、所传送的流 体类型、以及温度的通用性，因此需要改善现场发送器以测量一个或多个腐蚀 相关值。

发明内容
现在总结本发明的发明内容的各个方面以帮助基本上理解本发明，其中， 这里给出的发明内容并不是本发明的完整概括，并且既没有打算限制本发明的 特定元件，也没有打算描绘本发明的范围。然而，发明内容的主要目的在于在 随后给出具体实施方式
之前以简化形式展示本发明的 一些原理。本发明涉及用 来实时地、准确地测量诸如腐蚀速率、局部化腐蚀(例如，凹陷)、溶液(电 解质)电阻或电导等一个或多个腐蚀相关值的低功率现场设备，并且可在不适 用昂贵的且精密的实验室仪器系统的现场环境中使用本发明提供的低功率现 场设备。
根据本发明的一个或多个方面，提供了由回路供电的腐蚀测量设备，用于 测量或监视暴露于电解质的结构的腐蚀。所述设备包括使用来自4-20mA回路、 电池、太阳能板等的电能向所述设备供电的电源系统，和具有信号调节电路的 探针接口系统，该信号调节电路与处在电解质中的两个或多个测量电极相接 口 。所述信号调节经由第一电极向电解质提供一个或多个激励信号并且包括经 由所述电极中的至少第二个电极感应诸如电流、电压等一个或多个与腐蚀相关 的电信号的感应电路。在特定实施例中，开关系统具有多个模拟开关，该多个 模拟开关根据相对应的控制信号进行操作从而选择性互连所述激励和感应电 路中的电路部件与多种不同配置下的电极，从而利用一种或多种类型测量实现 了提供诸如电解质电阻或电导、腐蚀速率、局部化腐蚀指数等腐蚀相关值，其 中测量类型包括但不局限于溶液(电解质)电阻(电导)测量(SRM)、谐波失真分析(HDA)、线性化极性电阻测量(LPR)、电化学噪声测量(ECN)等。 所述开关系统还可操作地与激励电路的驱动放大器耦合，从而激励(辅助)和 感应(工作)电极都处在驱动放大器的反馈路径当中，在所述电极之间流过的
特定实施例中，所述开关系统还连接处在电流至电压转换器电路的反馈路径中 的感应电路的限流电阻，从而所述限流电阻不会影响电流感应操作。
例如，所述设备还包括处理系统，处理系统可以是微处理器、微控制器、 DSP等，可操作地与所述探针接口相耦合,从而控制向电解质提供的激励信号， 以选择性地配置并且操作感应部件，并且基于来自所述感应电路的测量值计算 一个或多个腐蚀相关值。还可操作处理器以便将计算得到的腐蚀值存储到非易 失性存储器当中以备随后上载。所述腐蚀值可以是所连接的控制回路中的、 4-20mA信号形式下的过程变量输出。所述设备还可包括支持HART或其他类 型的数字通信的通信接口 ，以便允许用户在给定的设备周期中配置测量的次数 和测量的类型，并且经由回路或其他有线或无线通信向用户提供腐蚀相关值。
根据本发明的其他方面，整流器系统与感应电路相耦合以便基于无dc的 感应信号向模拟数字(A/D)转换器提供不是无dc的信号，这可以作为用来 一致地交变感应信号的极性与提供给电解质的激励信号的交变极性的同步整 流器的一部分。以这种方式，A/D输入具有非零的平均值，/人而允许亚奈奎斯 特取样(sub-Nyquist sampling)速率和平均以确保测量得到的电流值。整流器 的使用方便了提供基本上无dc的方波激励信号以减小误差并且降低与不是无 dc的信号相关的腐蚀加剧，同时由于在测量电解质电阻/电导时，处理系统对 在低A/D取样速率下得到的多个感应电流读取值取平均，因此还实现了节省 设备电能。在一个示例中，同步整流器包括用来交变感应信号的极性且由处理 器扳动的第一开关和用来同步地交变激励信号的极性的第二开关，以便利用模
信号来向电解质提供激励频率下的、基本上无dc的AC激励信号以便准确地 测量出电解质电阻。在一个实施例中，在小于等于大约500Hz的频率下提供 无dc的方波激励，其中优选频率处在大约100-200Hz之间，并且A/D转换器 在小于大约每秒十次取样的速率下取样感应电流。根据本发明的另一方面，所述设备还包括用来提供电极与4-20mA回路之 间隔离的隔离屏蔽(isolation barrier )，通过该隔离屏蔽，无需单独的隔离屏蔽 即可将所述设备方^更地包括在给定的工厂安装环境中。本发明的其他方面还涉 及提供所述设备中的内部安全电路以保护不受大电流和/或高电压的不利影 响，并且该内部安全电路可以是两级系统，并且可包括用来保护电^L的电阻。
根据本发明的另 一方面，所述设备可作为独立的数据获取及存储设备操 作，在一系列设备周期的每一个中，处理器都计算腐蚀相关值并且将计算得到 的腐蚀相关值存储以备用户随后检索，其中可以将这些数值存储在所述设备的 非易失性存储器当中。在这个方面，所述设备可通过控制回路或其他有线的或 无线的装置与外部通信设备接口，以使用户使用HART或其他合适的通信协 议来配置所述设备和/或从所述设备检索已存储的计算得到的腐蚀相关值，其 中所述设备可存储一日或多日中有价值的、计算得到的腐蚀相关值。
根据本发明的另一方面，可通过动态地调节AC激励幅值来改进电解质电 阻测量以便更好地利用A/D转换器的输入范围，其中，所述处理系统提供了 具有第 一幅值的激励信号并且选择性地增大激励信号幅值直到所得到的感应 电流信号超过了预定的阈值。
根据本发明的另 一方面，可操作所述设备进行自我校准以补偿电流感应和 整流器电路中的偏压误差，处理系统控制激励电路初始地不提供激励信号并且 使得同步整流器开始交变所感应到的电流信号的极性。在不应用激励信号操作 同步整流器时处理器利用A/D转换器取样感应电流，基于一个或多个感应电 流信号取样来计算偏压(offset)值。再将所述偏压(offset)值存储以便在计 算电解质电阻或其他腐蚀相关值时作为偏压(offset)校正随后使用。
在另一方面，在HDA测量期间调节激励以补偿电极之间的差异，其中， 处理系统测量不应用激励信号而感应得到的电压信号，将感应得到的电压值作 为偏压(offset)存储，之后使得激励电路提供带有偏压(offset)的正弦波激 励电压信号并且基于感应得到的电流信号中的谐波利用HDA计算腐蚀相关 值。
根据本发明的其他方面，通过使用大于等于大约50mHz频率下的正弦波 AC激励实现了改进的谐波失真分析(HDA)类型测量，其中，所述设备基于多于一个周期(优选地，大约10至20个周期)内的、感应得到的正弦波电流 信号计算一个或多个腐蚀相关值。这实现了无需极大地延长设备测量周期时间 即可利用足够多的电流取样充分地执行傅立叶分析以获得电流谐波读取。
本发明的再一方面涉及动态算法变化，其中可能会执行HDA测量和运算， 并且在高电解质电阻环境下或是在提示HDA测量中可能会出现误差的其他条 件下自动切换(switchover)到LPR测量。在这个方面，处理系统执行HDA 类型测量并且在一系列设备周期的每一个当中基于由感应电路感应出的电流 信号来计算Stem-Geary常数(B值)。随后执行一种或多种关于计算得到的B 值的合理性测试，诸如通过确定量(Rs/ (RS+RP))是否小于阔值(例如，在 一个示例中大约为0.1 )来确定计算得到的电解质(电解质)电阻Rs和计算得 到的极性电阻Rp的相对大小，确定量(2I山-l22)是否大于零，和/或确定计算 得到的B值是否处在预定范围(例如，在一个示例中大约为10-60mV)之内。 在一个实施例中，如果合理性测试提示谐波失真分析很可能会产生准确的腐蚀 相关值，则处理系统利用计算得到的B值作出的谐波失真分析来选择性地计 算腐蚀相关值；否则，利用用户定义的或默认的B值执行的LPR测量来计算 腐蚀值。
根据本发明的其他方面，在利用电化学噪声(ECN)测量获取腐蚀相关值 中，处理系统使用连续矩运算来计算至少一个统计值，从而降低了存储大量数 据的需求并且减少了每个设备周期中所需运算的次数。
在相关方面中，处理器可操作地基于取样得到的电流信号的标准偏差和取 样得到的电流信号的rms来计算局部化腐蚀指数，其中标准偏差和rms都是基 于连续矩运算的。
本发明中与ECN相关的另 一方面涉及通过在ECN测量期间将辅助和工作 电极连接到电路的虚拟接地极(ground),有效地缩短了辅助和工作电极。在 一个实施例中，处理系统选择性地再配置开关部件以便将辅助和工作电极连接 到探针接口系统中的虚拟接地极，利用ECN基于感应电路的感应信号计算腐 蚀相关值。
本发明的再一方面涉及在所述设备中使用线性化极性电阻(LPR)测量， 其中不使用预定的用户B值而是使用计算得到的B值。此外，在特定实施例
23中，计算得到的B值还要经过低通滤波以提高噪声抗扰性。在一个实施例中， 在一系列设备周期的每一个中，处理系统都基于由感应电路感应得到的电流信 号中的谐波计算B值，并且基于计算得到的B值以及利用线性化极性电阻测 量由感应电路感应得到的电流信号计算给定设备周期中的腐蚀相关值。


如下的说明书和附图将会详细地给出本发明的特定的说明性实施方式，这 些实施方式都是用来说明实现本发明的各种原理的示例性方式。然而，所说明 的这些示例并不能穷举地包括所有可能的实施例。请结合附图 一起考虑本发 明，并将在如下的本发明的具体实施方式
中提出本发明的其它目的、优点、以
及新颖的特征，其中
图1是用来说明包括根据本发明一个或多个方面的具有相关探针和电极 的、由回路供电或电池供电的发送器的示例性腐蚀测量设备的立体图2是用来说明包括数字系统、回路接口、以及探针接口的、图1所示的 发送器的进一步细节的示意图3A是用来说明图1和图2所示的示例性发送器中的探针接口系统和数 字系统部分的示意图，其中该探针接口系统和数字系统部分包括受处理器控制 的激励电路、传感电路、以及用于设备的程序重构以执行各种不同类型的腐蚀 测量的模拟开关系统；
图3B是用来说明图l和图2所示的示例性发送器中的回路接口系统中的 隔离电路的进一步细节的示意图，其中该隔离电路包括隔离变压器和两级内部 安全屏蔽(safety barrier);
图4是用来说明图1至图3B所示的设备中的SRM、 HDA、 LPR、电池偏 置电压(cell offset voltage )、以及ECN测量等几种示例性开关系统配置的表；
图5是示意性地说明安装在管道或存储结构中的测量设备的探针和电极 的正视图，其中电极暴露于所传送的或存储的电解质以便执行腐蚀测量；
图6是用来说明图5所示的构成中的电极和所测量的电解质的其中之一的 等效电路的简化示意图7是用来说明通过图1至图6所示的具有多阶段测量周期的设备中的激 励电路应用到所测量的电解质中的示例性激励波形的曲线图，其中该示例性激励波形包括用于电解质电阻测量的实质上无dc的200Hz方波、用于HDA和 LPR测量的100Hz正弦波、以及无激励的ECN部分；
图8是用来进一步说明在电解质电阻测量的设备中所使用的实质上无dc 的方波激励信号的曲线图9A是用来说明在图1至图6所示的设备中使用动态激励幅值调节执行 电解质(溶液)电阻测量(SRM)的示例性操作的流程图9B至图9D是用来说明图1至图6所示设备在动态幅值调节过程中， 对应于不同激励波形幅值的、关于方波激励电压和相对应地测量得到的平均电 流的、电压的、以及电流曲线的曲线图IOA是用来说明以大约200Hz应用的示例性方波电压激励信号的曲线 以及使用大约300毫秒的低取样周期取样的两个示例性同步A/D转换器取样 信号的曲线图IOB是示出了在图10A中的两个示例性取样时刻的激励电压和感应到 的电流曲线的曲线图10C是用来说明在图1至图6所示设备中的在线电流放大器偏压 (offset)测量的示例性操作的流程图ll是用来说明在图1至图6所示设备中具备HDA或LPR测量的动态 算法变化的设备的操作流程图，其中包括对计算得到的B值的合理性测试； 以及
图12是用来说明图1至图6所示设备中的示例性偏压(offset)测量和 HDA腐蚀测量的激励信号调节的流程图。
具体实施例方式
现在参考附图，下面结合附图对本发明的几个实施例或实施方式进行描 述，其中在整个说明书中相同的元件使用了相同的附图标记，并且其中各个特 征和曲线都不是按照比例绘制。本发明涉及可编程的低功率腐蚀测量现场设 备,使用一种或多种高级的腐蚀测量手段来提供腐蚀测量和监视，提供电导值、 常规腐蚀值、和/或局部化腐蚀值等，从而实时地执行腐蚀监视和/或离线腐蚀 数据归档(log),而归档的数据可以在通过标准的4-20mA控制回路或其它通 信装置连接的分布式控制系统中被使用，或是作为具有下载已存储的腐蚀数据
25到用户通信设备的独立(stand-alone)设备来操作。
首先参考图1，下面根据本发明的一个或多个方面来描述一种示例性现场 腐蚀测量设备2，该示例性现场腐蚀测量设备2包括具有下面将会详细描述的 基于处理器的电子电路的发送头4、探针6、以及优选地由与安装了用来腐蚀 监视/测量的该设备2的金属结构匹配的材料所制成的一组三个电极8，其中电 极8浸入或是内嵌在溶液或其他电解的固体、气体或液体当中，其中溶液或其 他电解的固体、气体或液体可以在安装结构中存储或是传送，这些安装结构诸 如是管道、存储容器、或是其他所感兴趣的结构。发送器外壳4和4笨针6都是 由环境保护性材料构成的，以便实现设备2的现场应用，诸如在线腐蚀监视以 生成关于腐蚀速率的过程变量、局部化腐蚀指数(腐蚀局部化程度)、和/或电 解质电阻(电导)。在操作中，探针6可以安装到感兴趣的结构上，并使电极 延伸到管道内部或是流体腔室中以便暴露在内部的腐蚀过程中。
如下面将会详细说明的，设备2可执行多种不同的与腐蚀相关的测量，包 括测量极性电阻RP、溶液电阻RS、以及电化学噪声测量。线性化极性电阻 (LPR)测量是一种适用于大多数情况的简单技术，其中对测试电极应用设定 电压并且测量所得到的电流以便获得极性电阻Rp的值。随后通过Ieurr=B/R/A
极性电阻RP (等于所施加的电压/流过的电流)计算腐蚀电流Icurr,其中B是
Stem Geary常数。任何出现的大的溶液电阻Rs (与Rp串联地存在)以及关于 B值的不确定都会影响LPR, LPR通常十分鲁棒(robust)并且不受噪声等影 响，特别是在下面将会进一步详细描述的实施例中使用正弦波激励。谐波失真
分析(HDA)直接地通过所获得的电流的谐波计算Ieurr (如果所应用的电压是
绝对的正弦波)，并且不需要知道B值。由于来自LPR和来自HDA的I,理 论上应该是相同的，因此可以基于已知的或是测量到的Rp通过HDA运算所使 用的谐波信息来计算B。 HDA还受到溶液电阻Rs的影响，趋于"线性化"响 应，其中谐波失真是非线性的Rp而不是与Rp串联存在的Rs所造成的。由于 谐波处在低电平，来自HDA的测量结果(Ieurrham)会受到从一个测量到另一 测量的噪声的干扰，如果从噪声Icw和从Rp计算B值，则计算得到的B值也
会有噪声。为了解决这种情况，需要对用来计算Icurrh扁的值进行滤波或是取平 均，但是这将会降低设备2的响应时间并且抑制检测腐蚀侵扰改变的能力。为了实现上述挑战性目标，设备2 (从Rp和IculTharm)计算每次测量得到的瞬时B 值，并且通过数字低通滤波来对B的波动取平均，其中可以与瞬时Rp—起使 用滤波后的计算得到的B值来计算Ieu『SRM、 LPR、以及HDA等所有扰动 技术提供了测试电极的平均腐蚀速率并且对于局部化腐蚀都不非常敏感。然 而，在设备2中ECN也是可行的，其提供了一种非扰动的测量技术(不使用 外部应用的激励)，以提供任何局部化腐蚀的指示。此外，ECN可以检测电化 学引起的局部化侵蚀(凹坑、狭缝腐蚀等)以及由对测试电极上形成的任何保 护性氧化膜的机械损伤引起的局部化侵蚀，这些机械损伤诸如气蚀损伤、腐蚀 损伤、应力腐蚀破裂等。
参考图2，示意性地描述了发送器的电子电路4，电子电路4包括具备电 隔离(galvanic isolation)和内部安全(IS)屏蔽电路12的回路接口 10、以及 向内部设备提供来自控制回路11的电流或是可选地来自电池13 、太阳能板(未 示出)或其他电源的电能的电源系统14,其中设备2通过内部安全(IS)屏 蔽电路12与标准4-20mA控制回路11接口 。回路接口 IO进一步包括可操作 地与数字系统20的处理器22和控制回路11相连接的通信接口 16,从而允许 处理器22使用HART或其他通信协议与外部通信设备(未示出)进行通信， 以此用户可以对设备2进行设置或者编程和/或可以从设备2获取已存储的计 算得到的与腐蚀相关的值。此外，示例性回路接口 10包括用来控制回路ll中 的电流所专用的数字模拟转换器(DAC) 10,从而允许处理器22控制回路中 的电流以指示通过测量/计算得到的过程变量(例如，对应于腐蚀速率、局部 化腐蚀指数、电导等的4至20mA之间的回路电流级)，并且还提供了FSK或 其他类型的回路电流调制以便根据诸如HART等适当的协议经由回路11或其 他有线或无线通信装置执行数字通信。
设备2还包括具有处理系统22的数字系统20,该处理系统22可以是诸 如微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件等任何形 式的处理电路，通过处理系统22可以实现上面所述的各种功能。数字系统20 包括一种或多种形式的存储器24,尤其是诸如闪存、FRAM等非易失性存储 器，并且数字系统20可包括模拟数字转换器(A/D) 26，其中A/D26和/或存 储器24可以是独立的部件或电路，或是可以集成在处理器22当中。
27此外，腐蚀测量设备2还包括含有信号调节电路34的探针接口系统30, 以便与处在要测量的电解质中的多个测量电极8接口。此外，在所说明的实施 方式中，探针接口 30还包括用来产生通过信号调节电路34应用到执行下面将 会详细说明的特定类型测量的至少 一个电极8上的激励信号的第二 DAC 32， 其中激励DAC 32可选地处在数字系统20当中或是集成到处理器22当中。信 号调节电路34包括用来根据DAC 32经由第 一电极El (还被称为辅助电极) 向电解质的输出提供激励信号的激励电路34a、以及用来经由 一个或两个其他 电极E2和/或E3来提供感应诸如电压、电流等一个或多个与腐蚀相关的电信 号的感应电路34b,其中第二电极在这里被称为用来感应关于腐蚀速率的电流 信号的参考电极或工作电极，其中参考和/或辅助电极E2、 El可以是由惰性材 料制成的。此外，信号调节系统34还包括具有多个模拟开关部件的开关系统 34c，这些模拟开关部件实现了激励电路34a、感应电路34b中的各个部件的、 以及多种配置下的电极8的受处理器控制的再配置。
参考图3A、图3B和图4，描述了探针接口系统30和数字系统20的特定 部件的进一步细节，在图3A中包括激励电路34a、感应电路34b、以及包含 标记为U13至U16的四个模拟开关器件34c的开关系统。模拟开关U13至U16 中的每一个都具有两种开关状态，在图中表示为"0"状态和'T，状态，其中 处理系统22提供了相对应的开关控制信号CS13至CS16以控制每个开关34c 的状态。此外，模拟开关U13至U16还具有受芯片选择输入(未示出)控制 的第三操作状态，其中开关端子都断开与极端子(pole terminal)的连接。因 此连接开关U13至U16以实现受处理器控制的激励及感应电路34a和34b中 的部件互连来再配置腐蚀测量设备2成多种不同的腐蚀测量设置，其中图4 示出了用来说明设备2的SRM、 HDA、 LPR、电池偏差电压、以及ECN测量 操作等下的开关设定或状态的表70。用户可对示例性设备2进行编程以便在 图4所示的任何一种羊一的测量模式下操作，或是在一系列设备周期的每个周 期中通过组合两种或是更多的所列测量类型来执行测量，从而可实现腐蚀发送 器2适应于任何一种腐蚀测量或监视应用。在这个方面，通过使放大器和其他 部件的个数最小，回路接口 30在由回路或电池电源施加的严格功率约束的阻 抗和准确性方面上实现了信号调节电路与电极8的最优互连，同时还提供了在单独的用户可编程设备2中使用ECN、 HDA、 SRM、 LPR和偏压(offset)来 执行腐蚀测量及监视方面上的先进性能。
处理器22在每个测量周期中都控制激励DAC 32以便分别地经由激励电 路34a、第一(辅助)电极E1、以及开关系统34c提供对该单元的适当激励， 并且还经由感应电路34b、开关34c、以及参考及工作电极E2和E3来操作测 量A7D 26以实现对电池(cell)电压和/或电流的相关测量。利用形成与激励 及感应电路34a和34b连接的电阻R49至R51以及滤波网络R54至R56、C56、 C57和C58,经过探针6形成了电极耦合。在下面所描绘的情况中，设备2在 每个设备周期中通过器件U13至U16的受控开关来执行一系列测量。此外， 在所说明的设备2中，特定的可选择测量类型(例如，SRM、 HDA、以及LPR) 涉及激励信号的应用，而其他类型(例如，ECN)则不涉及激励信号的应用， 其中使用HDA或LPR测量类型来计算常规腐蚀，使用SRM技术来测量电解 质电阻或电导，并且使用ECN测量来计算局部化腐蚀指数值。通常的，按照 第一极性或是按照相反的第二极性，作为由DAC32提供的电压信号对辅助电 极E1应用(任何的)激励信号，其中该第一极性使用第一放大器(例如，运 算放大器)U12A直接地经过开关U13的"0"状态路径，而该第二极性经由 逆变器配置的放大器U12B经过开关U13的'T'状态，并且驱动放大器U10A 经过开关U16的"0"状态路径和电阻R61向辅助电极E1提供对应的输出电 压。此外，在这些配置中，电极处在激励电路34a的驱动放大器U10A的反馈 回路中，因而辅助和工作电极El和E3之间的电流流动会引起参考电极E2和 工作电极E3之间的电势与所应用的激励信号电压相等。此外，在特定的操作 配置中，还可以不应用激励，其中开关系统使得辅助电极El与激励电路34a 电隔离，而处理系统22通过感应电路34b对E2和E3上感应得到的电压信号 进行取样。
从任何应用的激励电压信号得到的回流电流流过示例性的三个电极恒电 势(potentiostatic)测量配置中的工作电极E3,其中感应电路34b经由形成流 向电压转换器的电流的、具有在流向电压转换器的电流的反馈路径上的限流电 阻R57的电流感应放大器U9A来感应上述电流，如此限流电阻R57(例如，1 千欧姆)不会影响电流的感应操作。流向电压转换器的电流所经过的电阻R57
29对电流路径引入了接近零的电压降，可以选择电阻R57的值来提供根据需求
的增益、高信号灵敏度、以及宽的动态范围，以便保护U9A对负载的倒相输 入(inverting input),并且电阻R57处在U9A的反馈回路当中从而消除了电阻 R57对电流测量的影响。使用这种感应电路34b的、流向电压转换器的电流来 感应HDA和ECN测量中的电流，并且还与同步整流器一同^f吏用以测量极性 电阻LPR。
流向电压转换放大器U9A的电流对应于开关U15的"0"和"1"状态分 别提供了放大器U8A的倒相输入的输出或是非倒相输入的输出，其中U8A的 输出提供了用于电流感应的、流向A/D转换器26的两个输入中的一个。电流 感应极性开关U15因此作为整流器来操作从而实现了特定的测量类型，以便 实现受来自处理器22的控制信号CS15控制的拨动开关(toggled switch)。在 这个方面，当激励极性开关U13和电流感应极性开关U15同步地-燥作时(通 过处理器22对控制信号CS13和CS15的开关进行控制)，这些模拟开关部件 构成了在用来测量电解质(溶液)电阻Rs的特定实施例(SRM模式)中使用 的同步整流器。此外，在腐蚀测量设备2执行HDA、 LPR、以及ECN测量中， 无需扳动用来测量来自工作电极E3的感应电流的极性开关U15即可使用电流 感应部件。利用放大器U7A驱动第二模拟输入以便经过高阻抗路径R59感应 参考电极E2处的电压，感应电路34b进一步提供了电压感应能力，并利用放
因此，A/D 26可在处理器22的控制下获得并且转换模拟电压和电流值， 并且随后向处理器22提供关于这些测量的数字量。此外，A/D转换器26还可 以是任何合适的转换设备，诸如一个实施例中的基于delta-sigma调制器的转 换器，并且优选地在相当低的转换速率下操作。例如，如此操作A/D26以便 在大大低于激励信号频率的取样速率(诸如低于大约每秒10次取样)下获得 与各种腐蚀相关的感应信号的测量取样，例如在一个实施例中每300毫秒取样 一次，从而维持在由回路或电池供电的实施方式中的电源系统14的电能预算 之下。因此，处理系统22可操作地与探针接口系统30耦合以便通过激励电路 34a控制提供给电解质的激励信号，并且提供控制信号CS13至CS16给开关 系统34c来选择性地再配置开关部件U13至U16，以便基于来自感应电路34b的所接收到的测量值来执行多种不同类型的腐蚀测量并且计算至少一个腐蚀 相关值。
因此，除了支持HART通信的4-20mA回路接口之外，发送器的电路4 还提供了经由探针6对电极8的激励信号的应用、对于感应得到的电极信号的 调节、模拟数字转换电路26、以及处理部件22，其中该处理部件22可控制激 励信号的应用，获取信号测量，并且执行信号分析以产生腐蚀速率、电解质电 阻或电导、和/或局部化腐蚀指数等过程变量。设备2可被配置用来产生代表 过程变量的控制回路ll中的4-20mA信号，其中过程变量可以是表示正在进 行中的通常连续的腐蚀过程的当前速率的、单位为每年多少密耳或毫米的常规 腐蚀速率、电解质电阻或电导值、或是无单位的并且代表具有低腐蚀速率的过 程中发生局部化腐蚀的程度的量度的凹陷(pitting)或局部化腐蚀因子，但是 这样的局部化腐蚀会导致降低材料强度的、管道或储罐材料中出现的、小的并 且最终是深的洞。还可以配置设备2周期性地或是响应从回路11中的另一控 制实体或用户通信设备请求得到的数据，通过数字通信来报告上述这些值中的 一个或多个。
现在参考图1至图3B,设备2包括用来提供从4-20mA回路隔离开电极 E1至E3和设备2的电路的隔离及内部安全(IS)屏蔽12。如图3B所示，来 自4-20mA回路11的电流流经具有保险丝Fl的初级安全区(primary safety area) 12a的输入级、电涌保护器Nl和电阻R3和整流器12al、以及紧跟的用 来提供隔离变压器Tl的输入的逆变器12a2。变压器Tl的隔离输出提供了次 级隔离区(secondary isolated area) 12b的输入，该次级隔离区12b包括由稳压 齐纳管N6至N9组成的电压保护电路12bl、以及由晶体管P5至P8和电阻 R17、 R21、 R29至R30、 R34、 R35和电容C34组成的限流电路。第一内部安 全屏蔽级的输出提供了第二 IS屏蔽级12c的输入，该第二 IS屏蔽级包括另外 的稳压齐纳管N10至N15,从而进一步限制通过回路控制器电路15所监视的 可能电压。设备2的IS保护还提供了 1千欧姆的保护电阻R57至R61以保护 电极El至E3。在操作中，测量到的电解质和电极El至E3典型地接地，因 而探针接口电路30的前端也通过低阻抗路径接地。隔离电路12，特别是隔离 变压器T1的提供，减轻了或是避免了潜在的经过4-20mA控制回路11的接地回路问题，其中多个i殳备都安装在同一储罐或管道中。因此，无需外部隔离部
件即可使用设备2，从而节省了安装成本。此外，隔离变压器T1还可构成示 例性整体防爆炸(内部安全或IS )屏蔽中的部件。这种两级IS电路12b和12c 允许在无需外部IS电路即可提供内部安全的应用中使用设备2，从而进一步 降低安装成本。例如，在这些应用中，(例如，美国)使用具有防爆炸证明的 罩(enclosure)来构成外壳4 (图1)或是欧洲使用标记为"EX d"的外壳4, 并且设备2中的内部IS电路的提供允许设备2连接到非IS回路11上。以这 种方式，无需使用额外的屏蔽，示例性设备2即可有效地将Ex d或防爆炸安 装方法"转变"成对于电极8和探针6 (图1)的保护。
参考图5至图7，在操作中，如图5所示，与在传送电解质50的管子或 其他金属结构40中浸没的电极8 —起安装探针6，其中电极可以是任何几何 形状的，包括嵌入式安装(flushmounted)并且无需彼此处在一条线上，其中 图5仅仅是示意性的。图6示出了电极中的其中一个E1和图5所示装置中的 需要测量的电解质50的等效电路60，其中其它电极E2和E3的电路都与图6 所示的电路相等同。如图6所示，电极/电解质电路60包括内部电池电压 (internal cell voltage) V。和极性电阻Rp的串联组合，而在电极E1与电解质 50之间该串联组合又与电化学双层电容Qn并联连接，其中电解质50具有作 为SRM测量对象的电阻Rs。如图7中的激励信号曲线图100所示，在三个测 量阶段101、 102、 103中利用一种可能配置的发送设备2执行信号测量，其中 三个测量阶段101、 102、 103可选地在一系列设备周期的每一个中可以以任何 顺序设置，或是可编程设备2在每个设备周期都只执行一种测量，或是在给定 的设备周期中执行两种或更多类型测量的组合。在这种配置下，开始时可进行 SRM测量以提供溶液电阻值Rs，随后在LPR或HDA测量中再使用电阻值Rs 来确定腐蚀速率以校正极性电阻Rp的运算中出现的任何误差，而上述这些电 阻Rs和Rp在图6中实质上是串联的。
在图7所示的示例性配置的第一测量阶段101中，初始地在周期100a中 操作同步整流器以执行下面将会进一步描述的偏压(offset)测量，之后在周 期100b中动态地调节AC激励信号的幅值。之后在部分101中应用相对高频 的ac激励信号以执行溶液电阻/电导测量，之后紧跟着间隔100c以测量由于非相同电极8导致的不平衡所造成的偏压(offset)。此外，在第一阶段101中， 设备2还有利地应用均值为零的AC波形(实质上无DC偏压(offset))以避 免极性化工作电极接口。此外，在示例性设备2中，在低速下操作DAC32和 处理器22 (为了节约电能)，其中SRM期间的DAC输出被设定为给定的dc 电平并且使用开关系统34c来切换输出极性以产生用于SRM测量的双极性方 波激励信号。为了最小化在阶段101中由于SRM测量可能产生的小DC电池 (cell)电流的影响，将阶段101的持续时间设定得尽可能短并且在阶段102 的LPR测量之前紧跟SRM测量之后无需极性化即可提供间隔周期100c,从 而允许去除工作电极接口的极性。
在第一阶段101中，使用高频方波激励来测量电解质(溶液)电阻R"电 解质电导是1/RS)。在第二部分102中，设备2应用较低频率的正弦波激励电 压并且测量电流和相关的谐波，以便使用LPR和/或HDA技术来确定腐蚀速 率。在第三部分103中，没有应用激励，并且该设备使用ECN测量方法测量 出电化学噪声以便确定局部化腐蚀指数。
在设备周期的第一部分101中，处理器22使得开关系统34c按照图4所 示的表70中的SRM行来配置开关U13至U16,其中U14和U16处在开关状 态"1"并且在处理系统22的控制下通过同步地扳动开关U13和U15来操作 同步整流器以提供频率小于大约500Hz的、优选地频率为大约100至200Hz 之间的方波激励/电流感应整流器，其中图7中的曲线图100示出了在第一测 量阶段101中以大约200Hz的频率下的操作。值得注意的是在图6所示的等 效电路中，相对高频(例如，高于大约50Hz)的应用将会由于电容Q,而有效 地缩短上端支路(upper leg)的长度，其中经由工作电极E3感应得到的AC 电流将会倒相地与电解质电阻Rs成比例。还可在SRM测量中使用诸如正弦波、 方波等其他波形。在阶段101中所描述的SRM测量涉及在辅助电极E1处提 供正弦波激励电压并且一并地通过工作电极E3处感应得到的电池(cell)电流 的感应电路34b和A/D26执行测量，其中DAC32 (图3A)提供了利用可交 变所应用的激励电压的极性的U13的开关而受处理器22控制的等级下的DC 输出信号，所应用的激励电压处在经由控制信号CS13通过处理器22控制的 激励频率下。在工作电极E3处感应得到的电池(cell)电流也是激励频率下的
33方波。处理器22还经由CS15操作电流感应极性开关U15以便在相同频率下 扳动开关，因而可以整流感应得到的AC电流信号以向A/D转换器26提供整 流后的输入信号。为了节省电能，处理器22控制A/D转换器26在非常低的 频率下取样，例如在一个实施例中频率大约是3.3Hz。因此处理器222可获得 关于感应电流的多次读值并且对这些读值取平均以便计算随后用来计算电解 质电阻Rs的平均感应电流。
参考图8，同步整流器的操作允许向辅助电极E1提供实质上无dc的激励 信号从而不会恶化电池(cell)中的腐蚀，经由U15对感应电流信号的整流允 许A/D转换器26在低取样速率下操作从而节省了电能，而进行了足够多次数 的取样又允许处理系统22可获得精确的平均电流值，其中倘若不进行上述整 流，平均电流值则会是零或接近零。在这个方面，值得注意的是对辅助电极的 dc电压的应用会改变被测量的腐蚀过程的电化学特性，并且因此会干扰任何 随后进行的腐蚀速率测量。此外，通过将上述dc成分斩波(chop)成均值为 零的ac成分，对于电流感应电路的整流将会有效地消除会导致非相同电极8 出现的感应电流中的任何dc。此外，还可在除开关频率之外的其他频率下操 作以排除干扰。图8描述了一种通过DAC32和同步整流器的操作在第一测量 阶段101期间可能应用的实质上无dc方波激励信号波形，波形的幅值大约是 +/-20mV,其中图3A所示的DAC 32提供了用来通过扳动开关U13来切换极
地在第一测量阶段101中提供了无干扰的、无dc的方波激励信号，同时还提 供了在执行SRM测量时实现对感应电流慢速取样的同步整流，从而使得回路 或电池电能消耗保持在电能预算之下并且还消除了 dc和噪声。
参考图9A至图9D，设备2优选地在预定时间周期时，或是在每个SRM 测量阶段101的开始时，调节SRM测量中的方波激励信号的大小或幅值。这 方便了改进A/D转换器22的输入范围，从而方便了改进测量电流取样和计算 得到的平均电流值等的准确性，并且因此方便了电解质电阻(或电导)测量。 图9A所示的处理120描述了这个示例性操作，其中SRM阶段101开始于122 并且在124以第一个(例如，低的)峰值到峰值的幅值向辅助电极E1提供相 对高频率的方波激励信号。在一个实施例中，方波频率大约是200Hz，尽管还可使用其他值，优选地小于等于大约500Hz。图9B至图9D描绘了根据图9A 所示的处理120在不同激励波形幅值下方波激励电压的电压和电流曲线与相 对应地测量得到的平均电流的曲线图140、 144、 150、 154、 160和164。在图 9B所示的第一曲线140中，在相对低的第一幅值142下应用大约200Hz的方 波。在处理120中的126测量平均电流，例如，如上所述利用同步整流器操作， 通过A/D 26执行多次测量，或是使用其他适当的技术来测量平均电流值。在 128作出确定由此获得的平均电流值是否超过了预定阈值TH,其中可以使用 任何适当的阈值，通过这样的阈值可以做出关于A/D输入范围的最优使用的 决定。在一个示例中，阈值可以是A/D输入范围的大约一半，尽管还可使用 其他值。
如果测量得到的电流没有超过阈值TH ( 128中的否)，则如图9B的电流 曲线144所示，在130中增大激励信号幅值(例如，在处理系统22的控制下 增大DAC32的输出)，并且图9A中的处理120再次返回到126以测量平均电 流。图9C中的曲线150和154示出了这种情况，其中新的激励信号幅值152 大于图9B中的初始幅值。在128中新的平均电流与阈值TH进行比较，并且 如图9C中的曲线154所示，此电流仍低于阈值TH。相应地，图9A中的处理 120在130中再次将激励幅值增大到图9D所示的激励电压曲线160中的电平 162。在这个点上，如图9D的曲线164所示，最新的激励幅值162提供了大 于阈值TH的感应得到的平均电流(图9A所示的128中的是)，并且图9A中 的处理120前进至132，在此使用最新的激励电压幅值来计算电解质电阻Rs， 并且在134中结束阶段101中的SRM处理。以这种方式，腐蚀测量设备2适 用于利用整个A/D转换范围，其中处理系统22使已知的最新激励电压幅值与 在132中最新测量且计算得到的平均电流值相互关联，以便计算电解质电阻 Rs和/或电解质电导。这种激励幅值的自适应调节方便了可行的A/D分辨率的 最优使用，并且设备2无需牺牲准确性即可适用于具有非常低或非常高的电解 质电导性的应用。
参考图IOA至图10C,设备2还提供了对于电流放大器偏压(offset)的 校准以进一步提高计算得到的腐蚀相关值的精度。在这个方面，与同步A/D 取样一并使用如上所述的同步整流器则会导致如图10A和图10B所示在方波的每个周期内测量得到的电流和A/D转换器26的输入都会略微增大的情况出 现。图10A中的曲线170描绘了在SRM测量中使用的200Hz方波电压激励信 号，同时示出了使用大约300毫秒的长A/D取样周期在时间Tl和T2分别得 到的两个示例性同步A/D转换器取样S1和S2。图IOB中的曲线图172和174 分别示出了在图10A中的两个示例性取样时间Tl和T2处的激励电压和感应 到的电流曲线的示例性部分的进一 步细节，其中可以看出的是第 一 电流取样 Sl比第二电流取样S2略小，这仅是由于它们是在激励周期当中的不同点执行 取样的。除了这些误差(inaccuracy)之外，用来感应电流信号的运算放大器 U8A和U9A中的偏压(offset)会导致Rs、腐蚀速率、和/或局部化腐蚀等运 算中的精度。其余误差还来自整流器的逆变路径与非逆变路径之间的dc偏压 (offset)值、单元(cell)驱动放大器U10A的一定的速度、以及与探针输入 相关的电阻和电容。
为了减小上述误差，设备2提供了使用如图10C所示的开始于182的处 理180执行在线电流放大器偏压(offset)测量，经过处理180,设备2基于测 量得到的电流放大器偏压(offset)自动地确定在线偏压(offset)值，同时通 过处理器22扳动(toggle)同步整流器部件。在184中，处理器22使得DAC 32将激励信号设定成零，并且分别经由信号CS13和CS15开始扳动同步整流 器部件U13和U15,在184中，没有应用激励电压，其中经由信号CS13和 CS15以如上所述的SRM测量中一般使用的相同速率(例如，在一个实施方式 中以大约200Hz)来切换整流器部件。在190中，处理器22获取在188中使 用A/D 26感应得到的电流信号的多个取样并且计算平均电流值，随后将该平 均电流值存储以备后续作为如上所述的SRM测量中的偏压(offset)来使用， 并且在192中结束该在线电流放大器偏压(offset)测量。之后在阶段101中 执行的SRM测量期间，在计算电解质电阻值Rs之前处理器22使用已存储的 偏压(offset)来校正电流读取值，从而抵消包括放大器U9A和U8A的电流 感应电路中偏压(offset)带来的不利影响并且补偿与同步整理器操作和A/D 转换器26的同步取样相关的取样误差。
现在参考图3A、图3B、图4、图7和图11,设备2还提供了改进类型的 HDA和/或LPR测量，其中图4示出了与图3A中的U13至U16的开关状态相关的模式下的开关系统配置。因此可配置设备2以使用LRP或HDA技术计 算常规腐蚀速率IC0RR。基本LPR测量典型地采用默认值或用户输入的B值， 相反地HDA方法涉及根据测量得到的电流谐波同时计算B值和腐蚀速率。然 而，本发明的发明人已经意识到传统的HDA计算方法并不是对于所有的腐蚀 应用都适用或都是鲁棒的，其中根据使用测量得到的电流谐波和电解质电阻执 行的在线合理性(plausibility)测试的结果来操作设备2以选择性地采用上述 技术(HDA或LPR)中的其中一个。
图7中的第二示例性测量部分102描述了在这部分102应用的激励，其中 经由在电流谐波的LPR或HDA类型测量中使用的辅助电极El ，对该单元应 用低频的正弦波激励电压。在上述这些测量类型中，正弦激励信号优选地处在 大约50mHz或更高的激励频率下，以便无需不恰当地延长设备周期时间即可 实现对于超出大于一个周期的激励信号的电流取样的测量。因此，在特定的优 选实施例中，在大约100至200mHz的激励频率下提供激励信号，其中图7中 的示例使用了大约100mHz的激励频率。此外，利用谐波失真分析或第二阶段 102中的LPR,优选实施例中的处理系统22基于大于十个周期的(优选地是 20个周期的)感应得到的正弦电流信号来计算腐蚀相关值。因此，与用来在 单个周期上利用10mHz的应用激励测量电流信号的传统设备相比较，上面描 绘的设备2提供了可在处理系统22中利用在大于单个周期上获得的数据执行 分离傅立叶变换的改进能力，从而提高了关于所得到的腐蚀相关值的计算精 度。在这个方面，使用大约100mHz的示例性激励频率在大约20周期上对电 流信号执行取样带来了显著的改进，却仅对HDA或LPR测量的第二测量阶段 102的持续时间带来了很小的提高。
在图7的第二阶段102中，低频正弦激励会产生具有多个频域分量的所得 到的感应电流信号，这些频域分量包括在处理器22的腐蚀相关值运算中使用 的激励频率下的基波分量、二次谐波分量、以及三次谐波分量。通过对感应电 流信号进行取样以得到上述谐波信息并且通过A/D 26将这些谐波信息转换成 数字化数据，利用处理系统22执行分离傅立叶变换(DFT)以生成感应电流 的频域下的频谱。如上所述，设备2的示例性实施例在超过一个激励周期上取 样感应电流信号，并且优选地使用大于大约50mHz (优选地使用大约100至
37200mHz)的激励频率，从而不会不恰当地延长设备周期时间，尽管本发明并 不局限于这些具体的示例。从DFT频域频语中，获耳又基波和各种谐波的幅值， 并且在计算腐蚀速率中使用谐波测量数据。此外，在一个可能的实施方式中， 与正弦波激励电压的生成一致地计算DFT,其中通过由DAC 32 (图3A)执 行的一系列次级步骤，由处理系统22的存储器查询表或存储器24 (图2)利 用相同的DFT运算中所使用的查询表生成正弦激励电压。在这个方面，示例 性表在每个周期都执行96个步骤以保持该表的大小尽可能的小，并且还允许 用2、 3和4对其分割。
在所描述的示例中，通过使电流取样值乘以来自查询表的合适的数，来'速 度非常快，地执行DFT。进一步，示例性DFT运算还计算各谐波中的实分量 和虚分量，并且由于与选择实分量和虚分量的其中一个相比减小对噪声的灵敏 度而使用模数(modulus)作为实分量和虚分量的和的平方根(例如，(实分量 2 +虚分量2) 1/2 )。在各离散的正弦P介跃(sine step)之后通过使A/D值乘以来 自正弦查询表的合适值，并且将乘积加到合适的加法器变量来计算基波、二次 谐波、以及三次谐波，其中这种方法降低了对于立即数存储的需要。优选地， 使用电阻分压器R52、 R53来分级DAC 32的输出以便减小最小的单个微小台 阶(bitst印)的大小，其中可优选地选择R52和R53的值来覆盖电压偏压(cell offset)可能的最宽范围，同时最小化单个微小台阶的大小，并且处理系统22 可确保电池(cell)偏压和/或所需的扰动幅值不会超出可使用的范围。进一步， 在所描述的实施例中，还提供了时序延迟以实现电池(cell)电流的正弦输出 中台阶改变的效果，从而将前面的传递给由A/D26执行的电池(cell)电流感 应/测量。
优选地选择小于腐蚀处理的典型时间常数(例如，与Rp并联的Cdl)的激 励频率，但对于从大于一个激励信号周期中获取数据的合理测量时间而言仍足 够高。在这个方面，以较高频率在相当多个数的周期中取样会减少取样中断 (discontinuity)的次数。例如，在发生了相当緩慢的信号漂移(signal drift) 的情况下，如果仅在单个周期中获取数据，则会取样得到中断(例如，第一取 样与最后取样之间的差异)，其中上述中断会引起傅立叶光谱中出现过多的谐 波成分，从而不利地影响HDA测量技术。此外，在多于一个周期中取平均可
38提高对于干扰和噪声的抗扰性(immunity )。
在所描述的实施方式中，处理系统22使用测量阶段102中获得的谐波数
据在每个设备周期中评估下列方程式(1 )至方程式(3 )以计算腐蚀电流I,,
并且从腐蚀电流1。。 确定腐蚀速率
/",《/((48)^(2","广/22r) 方程式(1)
万别版="。w *^m;^Ywflfe) 〃,) — * /醇a鏡) 方禾呈式(2 )
其中I!是感应电流的基波分量，12和13分別是二次谐波分量和三次谐波分量， Sine Amplitude是在阶段102中应用的正弦激励电压信号的幅值，并且B是以 伏特为单位的特定应用中的腐蚀处理值。
一旦计算得到腐蚀电流Ic。w就将其 乘以与特定电极大小相关的常数、法拉第常数、以及材料的原子量，以便计算 以每年多少毫米或密耳为单位的腐蚀速率。
参考图11，示例性腐蚀测量设备的另一特征是基于测量得到的电流谐波
I!、 12和13计算B值Bharm并且基于奸算得到的BHA腹值和运算得到的电解质
电阻Rs来选择性地使用LPR或HDA算法。在这个实施例中，如果可能即执 行HDA测量和运算，并且如果在给定的设备周期中基于一个或多个合理性测 试而怀疑HDA结果，则处理系统22改变成LPR类型测量。特别地，设备2 自动地执行三种类型的测试中的一种或多种以确定是否保证HDA运算正确并 且选择性地将该算法改变成高电解质电阻状态或表示HDA测量中可能会出现 误差的其他条件下的LPR。
图11示出了在202开始如上图7所示的示例性设备周期中的第二阶段102 的动态改变HDA/LPR的处理200,其中处理器22使得DAC 32和激励电路 34a在204中向辅助电极El提供正弦激励信号，并且在206中使用A/D转换 器26通过感应电路34b测量工作电极E3处感应得到的电流信号。处理器22 在208中执行DFT以识别电流谐波I!、 12和13,并且随后在210中执行一个或 多个测试以确定是否可以执行HDA腐蚀测量。特别地，在212中作出量 (2H^IH22)是否为正值。如果不是正值(在212中的"否")，则由于被测 试量(2m3-I )的平方根出现在上述方程式(1 )的分母而视为不能执行HDA 类型的测量。处理200前进至图11中的23Q,在230中处理系统22获得默认值或是用户提供的B值BusER,并且在232中将这个BusER应用到上述LPR腐 蚀电流方程式(3 )中以计算当前阶段102中的IC0RR,随后在240中结束上述 循环。
然而，如果发现第一被测试量(2n,nH22)是正值(在212中的"是，，), 处理200前进至214，并且在214中作出电解质电阻Rs与极性电阻Rp相比较 的相对大小的判断以确定是否可以正确地测量谐波，其中大的Rs趋于线性化 引起低谐波水平的电池(cell )响应。在所述实施例中，在214中对量(Rs/(Rs+Rp)) 与诸如在一个示例中大约0.1的阈值进行比较，并且如果小于阈值(在214中 的"否")，则处理器22判断HDA是有问题的并且在前进到216之前在215 中设定标志。如果214中的测试没有指示大的Rs的出现(在214中的"是")， 则处理前进至在216、 218中执行的第三测试，其中处理系统22在216中通过 使用测量得到的电流谐波I,、 12和13评估上述方程式(1)和方程式(2)以计
算ICORRHARM和BHARM并且低通滤波器对计算得到的B值BHARM进行滤波。在
所述示例中的计算得到的B值BHA自是数字化低通滤波过的(例如，移动平 均线(moving average)或由处理器22执行的其他低通类型的数字化滤波)， 以便去除瞬时波动和非法读取值，因此提高在测量得到的谐波具有非常小幅值 的状态下的设备灵敏度。
随后在218中确定计算得到的B值BHA腿是否处在所指定的假定为介于
最小值B認N与最大值BMAX之间的有效范围内，诸如在一个示例中介于大约
10-60mV之间(例如，或是对于水溶液电化学而言合理的其他公知的范围)。 值得注意的是，对于计算得到的B值Bharm的示例性低通遮波，诸如移动平 均数(moving average)或是其他数字滤波器，有利地被操作以去除任何类型 的短时波动和偶尔的无效读取，因此通过使用滤波后或平波后的计算得到的B 值可以在低幅值谐波状态方面提高设备的灵敏度。在一个实施例中，通过
(l隱XfBHARM(n.D十X承BHARM(n)计算滤波值BHA脂，其中在一个实施方式中X是大
约0.05。如果BHARM不处在测试范围之内(在218中的"否")，则HDA技术 就值得怀疑，并且处理200前进至如上所述的230和232。否则(在218中的 "是")，在220中处理系统22利用HDA技术通过用计算得到的B值BHARM 来评估上面的方程式(3)以计算腐蚀电流。腐蚀设备2的另一特征在于执行LPR类型测量时利用计算得到的(优选 地是低通滤波后的)b值bharm代替预定的用户b值Buser的能力。在一个实
施例中，处理系统根据上面的方程式(2)在每个设备周期中基于由感应电路
感应得到的电流信号的谐波计算b值并且基于bharm使用方程式(3)计算腐
蚀相关值。此外，用户可使用用户B值BusER来配置用于LPR测量的设备2， 而用户B值BusER可通过任何合适的装置得到，诸如来自测试单(test coupon) 的相关权重损失数据、电阻探针或壁厚度测量、LPR读取等，其中可通过用户 或连接有设备2的DCS来监视计算得到的B值BUSER。在这个方面，观测到 的计算得到的B值BusER的变化表示过程电解质组成变化或是在过程控制/监 视方面所感兴趣的其他过程事件。
参考图12，设备2的另 一特征在于对于正弦波HDA/LPR激励信号的调节 以补偿电极8之间的差异。在这个方面，对于具有相同电极8的理想电池(ce11), 在正弦波激励的整个周期中不会有净dc电流在电极之间流过，在这种情况下， 不会干扰工作电极E3的电化学特性。然而，假定电极8不相同，目标则为确 保当通过设备2不应用激励时，流过工作电极E3的电流为零。由于电极8位 于驱动放大器U10A的反馈回路当中，从辅助电极El流到工作电极E3的电 流会使得参考和工作电极E2和E3之间的电势与应用的激励的电势相同。
在图12所示的示例中，处理系统22在254中将模拟开关切换到图4的表 70中ECN测量所指示的状态。这样配置后，在256中不使用激励来测量参考 电极E2处的电压信号，并且将其存储以便在HDA测量期间作为激励偏压 (offset)使用，于是在258中完成在线的电极偏压(offset)测量。之后，在 260中处理器22将开关系统34c切换到如图4的表70中所示的HDA配置， 并且在处理器22的控制下通过DAC32将偏压(offset)值加到激励信号上在 262中执行HDA测量。以这种方式，使用用来补偿偏压(offset)否则会造成 电极8之间出现差异等误差，设备2在图7所示的第二测量阶段期间执行HDA 测量。通过执行HDA之前的电池(cell)偏压(offset)测量并且将测量得到 的偏压(offset)加到应用的正弦波上，可以在HDA测量期间有效地消除由于 电极差异所引起的任何电流，借此设备可补偿电极El至E3之间的物理差异 并且因此^l是高HDA腐蚀速率结果的准确性和可靠性。关于工作电极E3处的测量，由于电极差异所引起的误差电流被认为是在应用极性时出现，其中提供
补偿性的偏压(offset)使得当相对于参考电极(RE)测量时，工作电极E3 在其自由腐蚀电势(E匿)附近极化，而不是在其他一些电势附近极化，因而 从整体上提高了腐蚀测量的准确性。
在图7所示的示例性设备周期的第三测量阶段中使用了不对ECN类型测 量应用外部激励的自发噪声的检测。在这种测量模式下，设备2测量感应得到 的电流(和电压)，基于该电流和电压来计算包括均值、标准偏差(CT)、以及 特定实施例中的rms等统计参数，并且进一步从数据的统计矩(statistical 'moment')计算这些统计量。当应用时，在参考电极E2与电路接地之间测量 电压或电势噪声，而通过开关系统34c将辅助电极El和工作电极E3有效地 连接到虚拟接地极。可以完整的数据组(例如，在一段时间内对测量得到的电 压和电流的许多取样)中计算统计矩自身，但是上述方法会对处理器22产生 极大的计算花销并且会占用大量的存储器使用空间。因此在优选实施例中，使 用了需要极小存储空间的'连续矩，方法。在上述实施方式中，处理器22为 电流和电压或是仅为电流计算噪声数据的前两个统计矩，再从这两个统计矩中 计算均值、标准偏差、以及rms的统计，并且在在线电化学噪声(ECN)测量 中使用。在设备2中有利地使用ECN以便计算噪声指数或局部化腐蚀指数值， 其中在设备2中可以计算任何形式的局部化腐蚀指数，这表示电极8倾向于受 到给定电解质的局部化腐蚀侵蚀。在一个实施例中，计算无量纲的局部化腐蚀 指数值，当该局部化腐蚀指数值超出特定水平时，则表示在给定安装下可能发 生了局部化腐蚀侵蚀。在一个实施例中，设备2提供了从作为电流噪声标准偏 差cri的局部化腐蚀指数值到在O到l之间取值的电流噪声值(rmsi)，其中大 的(7i值和小的dc电流值(通常被看作是凹陷侵蚀)将会导致局部化腐蚀指数 中出现大(接近l)的值。另一方面，小的均匀腐蚀(小的CTi和小的dc电流) 对应于接近于零的局部化腐蚀指数值。在一个可能的实施例中，可以使用0.3 的阈值作为报警限制，超出该报警限制则会向用户指示可能的局部化腐蚀侵 蚀，尽管还可选择其他合适的指数(无单位或有单位)和相对应的比较值。
在设备2中经由工作电极E3来取样电流噪声，并且计算加权后的平均值 或连续矩，其中使用电流噪声统计来计算局部化腐蚀指数。此外，在一个实施例中，还可使用探针接口 30的电压感应电路和A/D 26的第二输入通道来同样 地测量电压(电势)噪声。在一个优选的实施方式中，设备2在通过推导局部 化腐蚀指数或其他统计量来计算rms或标准偏差中使用连续矩运算方法。以这 种方式，设备2不需要存储大量的数据并且在每个设备周期中所需的计算量也 相应地减少。在一个实施方式中，计算噪声统计作为每个A/D取样的连接矩 并且重复该处理直至获得特定数目的取样"n"，诸如在一个示例中为1000。 在这种情况下，通过处理系统22将两个矩变量M1和M2初始化为零，并且 将n的变量设定为l。处理器22随后将开关系统设定为ECN配置，并且将取 样的电流和电压测量都包括在连续计算当中以便在每个取样时刻都更新矩值。 下面的方程式被用来更新矩，其中xn作为当前电流取样值，而n作为当前取 样次数(例如，在这个示例中范围从1到1000):
<formula>formula see original document page 43</formula>此外，在上述实施方式中，还对于电流取样同时获得的电压取样作出类似 的计算，而处理系统22还对电压噪声计算移动矩值M1和M2。此外，还可以 在执行时间和存储空间方面来优选地优化上面的运算，诸如通过预先计算每个 通道的如(l-l/n)的特定公共因子，其中在每个取样周期按照上面所示的顺 序执行关于M2和Ml的计算直至对于电流和电压读取值都获得了预定数目 (例如，n=1000)的读取值。之后，可以按照如下计算电流统计
电流标准偏差o",-(M2)"2 电流rww值ww,. = (Ml2 +M2)I/2 电流噪声指数=(M2/(M12 +M2))"2
处理器22类似地计算关于电压噪声的相同统计并且随后按照如下计算电
流腐蚀噪声Ic画。ise:
在另一可能的实施例中，处理器22基于取样后的电流信号的标准偏差和 取样后的电流信号的rms来计算局部化腐蚀指数，其中标准偏差和rms都是基
43于连续矩运算的。在这种实施方式中，无需感应出电压信号，并且也无需对于 局部化腐蚀测量来计算相对应的电压噪声统计，从而降低了处理器22的计算 和存储空间方面的花销。在上述方法中，对于测量得到的电流噪声(无激励)
计算矩Ml和M2,并且如下计算电流噪声指数IC(OTn。ise: 7_ = c,/"m, =(M2/(M12 +M2》"2
设备2的另一特征涉及通过在ECN测量期间将辅助和工作电极El和E3 连接到探针接口系统30的虚拟接地极而有效地缩短辅助和工作电极El和E3 的长度。在一个实施例中，如图4的表70中的ECN表项所示，处理系统选拷r 性地再配置开关部件U13至U16，借此辅助电才及El经过电阻R54和R58以 及经过开关U14的"0"状态连接到提供虚拟接地极的放大器U10A的反向输 入，并且工作电极E3经过电阻R56连接到U9A的反向输入处的虚拟接地极， 如图3A所示，在第三测量阶段103中的ECN测量期间，处理器22执行上面 所述的测量和计算。对于ECN测量而言，有效地缩短了辅助和工作电极El 和E3之间的距离(例如，两者之间为零欧姆)并仍能够操作以经由流向与工 作电极E3耦合的感应电路中电压转换器的电流来测量辅助电极El与工作电 极E3之间的电流流动，并且工作电极E3包括限流保护电阻R57。在这个方 面，示例性感应电路34b在放大器U9A的反馈回路中包括这种电阻(例如， 在一个实施例中为大约1千欧姆)并且因此被视为不流过电流。
设备2的另一有利特征在于适应于独立的数据获取设备和独立的存储设 备的操作，而独立的数据获取设备和存储设备可经由4至20mA的控制回路 11实现回路供电，或是经由图2中的电池13实现电池供电，其中电池13可 通过太阳能板或其它装置充电。在这个方面，在一系列设备周期中的每个周期 内处理系统22都计算诸如Rs、腐蚀速率、局部化腐蚀指数等腐蚀相关值，并 且将计算得到的值存储在非易失性存储器24 (图2 )当中供用户随后使用。通 过用户通信设备(未示出)经过控制回路11或是通过其他的有线或无线装置 来访问设备2以实现累积的腐蚀数据的下载，例如使用HART或其他合适的 通信协议。此外，可操作设备2以存储一日或多日内有价值的、计算得到的腐 蚀相关值，诸如所述实施例中的、在长的设备周期时间内的、超过五日当中有 价值的数据。在这个方面，对于短的周期时间，可以存储更多的数据，诸如几个月或甚至几年内有价值的数据。这个特征对于设备2远离分布式控制系统的 远程应用十分有利，并且可在电池或太阳能供电下操作以独立地一次获取几日 内的腐蚀信息，这样在几分钟后可由设备2读取出数据并且因此将其存储在外 部用户通信设备当中以便将数据传递到电子表格或是另 一 系统以供进一步评
估，其中在特定实施方式中电池11可通过连接到设备2的太阳能板实现充电。
上述示例仅是用来说明本发明的各个方面的几种可能的实施例，其中在阅 读并且理解了这篇说明书和所附附图之后本领域技术人员可以做出等同的改 变和/或修改。特别是关于上述部件(组件、设备、系统、电路等)所执行的 各种功能，用来描述这些部件的术语(包括"装置"的参考)都是期望对应于 (除非另外指明)执行上述部件的特定功能的(即，功能上等同的)诸如硬件、 软件、或两者组合等任何部件，尽管结构上并不等同于用来执行本发明的所说 明的实施方式中的功能的公开结构。此外，尽管已经参考几种实施方式中的一 个公开了本发明的特定特征，但是这些特征还可如期望的和对于任何给定或特 定的应用有利的方式与其他实施方式中的一个或多个特征相组合。此外，在具 体实施方式和权利要求书中使用的术语"包含"、"包括"、"具有"、"含有"或 这些术语的变形都是想要包括与术语"包括"等同的方式。 工业应用性
本发明可以被应用到承载或暴露于腐蚀性电解质的管子或其他结构的腐 蚀效果的现场监视和分析。
权利要求
1.一种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电路，所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供激励信号，感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多个与腐蚀相关的电信号，和开关系统，具有与所述激励电路和所述感应电路耦合的多个模拟开关部件，该多个模拟开关部件根据相对应的控制信号进行操作从而选择性互连所述激励和感应电路中的电路部件与多种不同配置下的电极；以及处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供的激励信号，并向所述开关系统提供控制信号以选择性地再配置所述开关部件来执行多种不同类型的腐蚀测量，以及基于从所述感应电路接收到的测量值计算至少一个腐蚀相关值。
2. 根据权利要求1所述的腐蚀测量设备，进一步包括 数字模拟转换器，可操作地与所述处理系统和所述感应电路耦合以便在所述处理系统的控制下经由所述第 一 电极向电解质提供激励信号；模拟数字转换器，可操作地与所述处理系统和所述感应电路耦合以便将感应到的电信号转换成数字值并且将所述数字值提供给所述处理系统；以及 整流器系统，与所述感应电路耦合以便基于无dc的感应信号向所述模拟数字转换器提供不是无dc的信号。
3. 根据权利要求2所述的腐蚀测量设备，其中，所述整流器系统是同步整流器，该同步整流器与提供给电解质的激励信号 的交变极性一致性地交变感应信号的极性。
4. 根据权利要求3所述的腐蚀测量设备，其中，所述同步整流器包括所述开关系统的开关部件中的至少 一个。
5. 根据权利要求3所述的腐蚀测量设备，其中， 所述同步整流器包括第一开关部件，用来#4居来自所述处理系统的第一控制信号交变所述感应 电路中的感应信号的极性；以及第二开关部件，用来根据来自所述处理系统的第二控制信号交变所述感应 电路中的感应信号的^l性；其中，所述处理系统实质上同步地提供所述第一和第二控制信号，从而所 述激励系统在激励信号频率下向电解质提供AC激励信号，并且所述模拟数字 转换器基于无dc的感应信号来接收不是无dc的信号。
6. 根据权利要求5所述的腐蚀测量设备，其中，在小于激励频率的取样频率下操作所述模拟数字转换器。
7. 根据权利要求2所述的腐蚀测量设备，其中， 在小于大约每秒十次取样的取样频率下操作所述模拟数字转换器。
8. 根据权利要求1所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统控制向电解质提供的激励信号，并且向所述开关系统提供控 制信号以便在一系列设备周期的每一个当中选择性地执行一种或多种类型的 腐蚀测量，其中，所述测量类型可以从电解质电阻测量、谐波失真分析、线性化极性 电阻测量、以及电化学噪声测量组成的组中选择。
9. 根据权利要求8所述的腐蚀测量设备，其中，可由用户配置在给定设备周期中的测量次数和测量类型。
10. 根据权利要求9所述的腐蚀测量设备，进一步包括 通信接口 ，用来允许用户配置所述设备。
11. 根据权利要求IO所述的腐蚀测量设备，其中，'可由用户配置所述设备以便经由所述通信接口向所述4-20mA回路提供至少一个腐蚀相关值。
12. 根据权利要求IO所述的腐蚀测量设备，其中，所述通信接口支持HART协议通信。
13. 根据权利要求8所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统可计算腐蚀速率和局部化腐蚀指数中的至少一个。
14. 根据权利要求1所述的腐蚀测量设备，其中， 所述处理系统可计算腐蚀速率和局部化腐蚀指数中的至少一个。
15. 根据权利要求1所述的腐蚀测量设备，其中，可操作所述电源系统以便可选地从电池电源向所述设备供电。
16. 根据权利要求1所述的腐蚀测量设备，其中， 所述激励电路包括驱动放大器，并且其中，所述开关系统可操作地耦合用来感应电流的感应电路与处在所述驱 动放大器的反馈路径中的第一和第二电极。
17. 根据权利要求1所述的腐蚀测量设备，其中，所述感应电路包括电流至电压转换器，所述电流至电压转换器具有输入和 耦合在电压转换器的电流输入与所述电极中的第二个电极之间的限流电阻，并 且其中，所述开关系统可操作地耦合用来感应电流的感应电路与处在所述电 流至电压转换器的反馈路径中的限流电阻。
18. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供激励 信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供 的激励信号，并且基于所述感应电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值；模拟数字转换器，可操作地与所述处理系统和所述感应电路相耦合，以便将感应到的电信号转换成数字值并且将所述数字值提供给所述处理系统；以及 整流器系统，与所述感应电路相耦合以便基于无dc的感应信号向所述模 拟数字转换器提供不是无dc的信号。
19. 根据权利要求18所述的腐蚀测量设备，其中，所述整流器系统是同步整流器，该同步整流器与提供给电解质的激励信号 的交变极性一致性地交变感应信号的极性。
20. 根据权利要求19所述的腐蚀测量设备，其中， 所述同步整流器包括第一开关部件，用来根据来自所述处理系统的第 一控制信号交变所述感应 电路中的感应信号的极性；以及第二开关部件，用来根据来自所述处理系统的第二控制信号交变所述感应 电路中的感应信号的极性；其中，所述处理系统实质上同步地提供所述第一和第二控制信号，从而所 述激励系统在激励信号频率下向电解质提供AC激励信号，并且所述模拟数字 转换器基于无dc的感应信号来接收不是无dc的信号。
21. 根据权利要求20所述的腐蚀测量设备，其中，在小于激励频率的取样频率下操作所述模拟数字转换器。
22. 根据权利要求18所述的腐蚀测量设备，其中， 在小于大约每秒十次的取样频率下操作所述模拟数字转换器。
23. 根据权利要求18所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在小于等于大约500Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号，并且其中，在小于大约每秒十次的取样频率下操作所述模拟数字转换器。
24. 根据权利要求23所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约100Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
25. 根据权利要求23所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约200Hz的激励频率下的、实质上无dc的方波信号。
26. 根据权利要求18所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在小于等于大约500Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
27. 根据权利要求18所述的腐蚀测量设备，其中， 所述激励电路包括驱动放大器，并且其中，所述开关系统可操作地耦合用来感应电流的感应电路与处在所述驱 动放大器的反馈路径中的第一和第二电极。
28. 根据权利要求18所述的腐蚀测量设备，其中，所述感应电路包括电流至电压转换器，所述电流至电压转换器具有输入和 耦合在电压转换器的电流输入与所述电极中的第二个电极之间的限流电阻，并 且其中，所述开关系统可操作地耦合用来感应电流的感应电路与处在所述电 流至电压转换器的反馈路径中的限流电阻。
29. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电路，并且所述信号调节电路包括激励电路，包括驱动放大器并且可操作地经由所述电极中的第一个电 极向电解质提供激励信号，感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号，和开关系统，具有与所述激励电路和所述感应电路耦合的多个模拟开关 部件，该多个模拟开关部件根据相对应的控制信号进行操作从而选择性互 连所述激励和感应电路中的电路部件与多种不同配置下的电极；以及 处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供 的激励信号，向所述开关系统提供控制信号以选择性地再配置所述开关部件，其中，所述开关系统可操:作地耦合用来感应电流的感应电路与处在所述驱动放 大器的反馈路径中的第 一和第二电极。
30. 根据权利要求29所述的腐蚀测量设备，其中，所述感应电路包括电流至电压转换器，所述电流至电压转换器具有输入和 耦合在电压转换器的电流输入与所述电极中的第二个电极之间的限流电阻，并 且其中，所述开关系统可操作地耦合用来感应电流的感应电路与处在所述电 流至电压转换器的反馈路径中的限流电阻。
31. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括 使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第 一个电极向电解质提供激励信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供 的激励信号，并且基于所述感应电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值；以 及隔离屏蔽，用来提供所述电极与所述4-20mA回路之间的电隔离。
32. 根据权利要求31所述的腐蚀测量设备，其中，所述隔离屏蔽包括耦合在所述4-20mA回路与所述电源系统之间的隔离变 压器。
33. 根据权利要求31所述的腐蚀测量设备，其中， 所述回路接口包括具有限压和限流部件的内部安全屏蔽。
34. 根据权利要求33所述的腐蚀测量设备，其中，所述内部安全屏蔽包括具有与所述隔离屏蔽的输出耦合的限压和限流部件的第 一级、以及具有耦合在所述第 一级与所述设备的回路控制电路之间的额 外的限压部件的第二级。
35. 根据权利要求34所述的腐蚀测量设备，其中， 所述内部安全屏蔽进一步包括与所述电极耦合的保护电阻。
36. 根据权利要求33所述的腐蚀测量设备，其中，所述内部安全屏蔽进一步包括与所述电极耦合的保护电阻。
37. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统、以及具有限压和限流部件的内部安全屏 蔽；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供激励 信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电^l感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；以及处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供 的激励信号，并且基于所述感应电i 各的感应信号计算至少一个腐蚀相关值。
38. 根据权利要求37所述的腐蚀测量设备，其中，所述内部安全屏蔽包括具有与所述隔离屏蔽的输出耦合的限压和限流部 件的第一级、以及具有耦合在所述第一级与所述设备的回路控制电路之间的额 外的限压部件的第二级。
39. 根据权利要求38所述的腐蚀测量设备，其中， 所述内部安全屏蔽进一步包括与所述电极耦合的保护电阻。
40. 根据权利要求37所述的腐蚀测量设备，其中，所述内部安全屏蔽进一步包括与所述电极耦合的保护电阻。
41. 根据权利要求37所述的腐蚀测量设备，其中， 所述内部安全屏蔽进一步包括隔离变压器。
42. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结构的腐蚀，该腐蚀测量i殳备包括电源系统，用来使用小于等于大约20mA的电流向所述设备供电；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，所述信号调节电路包括可操作地经由所述电极中的至少一个电极感应一个 或多个与腐蚀相关的电信号的感应电路；处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合以便在一系列设备周期的 每一个当中基于所述感应电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值，并且将多 个计算得到的腐蚀相关值存储在所述设备中以备用户随后检索；以及通信接口 ，可才喿作地与所述处理系统耦合并且可操作地与外部通信设备接口以允许用户来配置所述设备或是经由外部通信设备从所述设备检索已存储 的计算得到的腐蚀相关值。
43. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，其中， 所述设备包括可与4-20mA回路耦合的回路接口 ，并且其中，所述电源系统可操作地使用来自所述4-20mA回路的电能向所述i殳 备供电。
44. 根据权利要求43所述的腐蚀测量设备，其中，所述通信接口可操作地经由所述4-20mA回路使得所述设备与通信设备接o 。
45. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，还包括电池， 所述电源系统可才乘作地通过电池电源向所述设备供电。
46. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，其中， 所述通信接口可才喿作地使得所述设备与无线通信设备接口 。
47. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，其中， 所述通信接口支持HART协议通信。
48. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，其中， 所述设备存储至少一日中有价值的、计算得到的腐蚀相关值。
49. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，进一步包括 隔离屏蔽，用来才是供所述电极与所述4-20mA回路之间的电隔离。
50. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，其中， 所述回路接口包括具有限压和限流部件的内部安全屏蔽。
51. 根据权利要求42所述的腐蚀测量设备，进一步包括 非易失性存储器，其中，所述处理系统将计算得到的腐蚀相关值存储在所述非易失性存储器当中以备用户随后检索。
52. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供激励信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；以及处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，以便控制向电解质提供 的方波激励信号并且在一系列设备周期的每一个当中基于所述感应电路的感 应信号计算电解质电阻值，其中，所述处理系统提供具有第一幅值的激励信号并且选择性地增大激励信号幅值直到所得到的感应信号超过了预定的阈值。
53. 根据权利要求52所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在小于等于大约500Hz的激励频率下的、实质上无dc 的AC信号。
54. 根据权利要求53所述的腐蚀测量设备，其中， 所述激励信号是方波信号。
55. 根据权利要求54所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约100Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
56. 根据权利要求55所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大约200Hz的激励频率下的、实质上无dc的方波信号。
57. 根据权利要求52所述的腐蚀测量设备，其中， 所述激励信号是方波信号。
58. 根据权利要求57所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约100Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
59. 根据权利要求52所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约100Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
60. 根据权利要求59所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大约200Hz的激励频率下的、实质上无dc的方波信
61. —种由回5各供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第 一个电极向电解质提供激励信号，和感应电^各，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；处理系统，可才喿作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供 的激励信号，并且基于所述感应电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值；以 及同步整流器，用于在所述处理系统的控制下， 一致地交变感应信号的极性 与提供给电解质的激励信号的交变极性；其中，所述处理系统使得所述激励电路初始地不提供激励信号并且使得所 述同步整流器开始交变所感应到的电流信号的极性，在不应用激励信号操作所述同步整流器时取样感应电流，基于至少一个感应电流信号取样来计算偏压 值，并且将所述偏压值存储以便作为计算至少一个校正相关值时的偏压校正随 后使用。
62. 根据权利要求61所述的腐蚀测量设备，其中， 所述激励信号是方波信号。
63. 根据权利要求62所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约100Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
64. 根据权利要求63所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大约200Hz的激励频率下的、实质上无dc的方波信
65. 根据权利要求61所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大于等于大约100Hz的激励频率下的、实质上无dc 的方波信号。
66. 根据权利要求65所述的腐蚀测量设备，其中，所述激励信号是处在大约200Hz的激励频率下的、实质上无dc的方波信号。
67. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统、以及具有限压和限流部件的内部安全屏 蔽；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第 一个电极向电解质提供激励 信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；以及处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供的激励信号，并且基于所述感应电路的感应信号计算至少一个腐蚀相关值；并且其中，所述处理系统使得所述激励电路初始地不提供激励信号，在不应用 激励信号下取样由所述感应电路感应到的电压信号，将所述感应到的电压值作 为偏压存储，之后使得所述激励电路向电解质提供带有所述偏压的正弦波激励 电压信号，并且使用谐波失真分析基于由所述感应电路感应出的电流信号中的 谐波计算至少 一个腐蚀相关值。
68. 根据权利要求67所述的腐蚀测量设备，进一步包括开关系统，用于当所述处理系统取样由所述感应电路感应出的电压信号 时，使得所述第一电极与所述激励电路相隔离。
69. 根据权利要求68所述的腐蚀测量设备，其中，在不应用激励信号下，所述感应电路感应出第二个和第三个电极之间的电压。
70. 根据权利要求67所述的腐蚀测量设备，其中，在不应用激励信号下，所述感应电路感应出第二个和第三个电极之间的电压。
71. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供正弦 波激励信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；以及处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而控制向电解质提供 的激励信号，并且通过谐波失真分析基于由所述感应电路感应出的多于一个周 期的正弦波电流信号计算至少 一个腐蚀相关值。
72. 根据权利要求71所述的腐蚀测量设备，其中，所述正弦波激励信号是处在大于等于大约50mHz的激励频率下的正弦波 激励信号。
73. 根据权利要求72所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统利用谐波失真分析基于多于十个周期的感应出的正弦波电 流信号计算至少 一个腐蚀相关值。
74. 根据权利要求72所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统利用谐波失真分析基于多于20个周期的感应出的正弦波电 流信号计算至少 一个腐蚀相关值。
75. 根据权利要求71所述的腐独测量设备，其中，所述正弦波激励信号是处在大约100-200mHz的激励频率下的正弦波激励 信号。
76. 根据权利要求75所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统利用谐波失真分析基于多于十个周期的感应出的正弦波电 流信号计算至少 一个腐蚀相关值。
77. 根据权利要求75所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统利用谐波失真分析基于多于20个周期的感应出的正弦波电 流信号计算至少一个腐蚀相关值。
78. 根据权利要求71所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统利用谐波失真分析基于多于十个周期的感应出的正弦波电 流信号计算至少 一个腐蚀相关值。
79. 根据权利要求71所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统利用谐波失真分析基于多于20个周期的感应出的正弦波电 流信号计算至少 一个腐蚀相关值。
80. 根据权利要求71所述的腐蚀测量设备，其中，所述正弦波激励信号是处在大约100mHz的激励频率下的正弦波激励信号。
81. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供正弦波激励信号，和感应电3各，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号；以及处理电路，可操作地与所述探针接口系统耦合，从而控制提供给电解质的 激励信号，在一系列设备周期的每一个当中，基于由所述感应电路感应出的电 流信号中的谐波计算B值，并且对于计算得到的B值执行合理性测试，其中， 在每个设备周期中，如果所述合理性测试提示谐波失真分析很可能会产生准确 的腐蚀相关值，则所述处理系统利用计算得到的B值作出的谐波失真分析选 择性地计算至少一个腐蚀相关值；否则，利用用户定义的或默认的B值执行 的线性化极性电阻测量来计算至少 一个腐蚀相关值。
82. 根据权利要求81所述的腐蚀测量设备，其中， 分别基于一次、二次和三次电流谐波I,、 12和l3计算所述B值，并且 其中，所述合理性测试包括确定量(21山-12)是否大于零。
83. 根据权利要求82所述的腐蚀测量设备，其中， 所述合理性测试进一步包括确定量(Rs/ (Rs+Rp))是否小于阔值， 其中，Rs是计算得到的电解质电阻而Rp是计算得到的极性电阻。
84. 根据权利要求83所述的腐蚀测量设备，其中， 所述合理性测试进一步包括确定计算得到的B值是否处在预定范围之内。
85. 根据权利要求82所述的腐蚀测量设备，其中，所述合理性测试进一步包括确定计算得到的B值是否处在预定范围之内。
86. 根据权利要求81所述的腐蚀测量设备，其中， 所述合理性测试进一步包括确定量(Rs/ (Rs+Rp))是否小于阈值， 其中，Rs是计算得到的电解质电阻而Rp是计算得到的极性电阻。
87. 根据权利要求86所述的腐蚀测量设备，其中，所述合理性测试进一步包括确定计算得到的B值是否处在预定范围之内。
88. 根据权利要求88所述的腐蚀测量设备，其中，所述阈值大约是O.l。
89. 根据权利要求81所述的腐蚀测量设备，其中，所述合理性测试进一步包括确定计算得到的B值是否处在预定范围之内。
90. 根据权利要求89所述的腐蚀测量设备，其中，所述预定范围包括大约10mV或以上和大约60mV或以下的B值。
91. 根据权利要求81所述的腐蚀测量设备，其中，所述计算得到的B值是经过低通滤波的。
92. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电路，所迷信号调节电路包括可操作地经由所述电极中的至少一个电极感应一个或多个与腐蚀相关的电信号的感应电路；处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，以便通过包括利用连续矩运算得到至少一个统计值的运算的电化学噪声测量，基于所述感应电路的感应信号计算至少 一个腐蚀相关值。
93. 根据权利要求92所述的腐蚀测量设备，其中，所述信号调节电路与辅助电极、参考电极、以及工作电极相接口，其中，所述探针接口系统进一步包括具有与所述#:针接口系统相耦合的多个模拟开关部件的开关系统，并且该开关系统根据相对应的控制信号进行操作从而选择性互连所述激励和感应电路中的电路部件与多种不同配置下的电极，其中，所述处理系统向处在电化学噪声模式下的开关系统提供控制信号以使所述开关系统在电化学噪声测量期间内将辅助和工作电极连接到所述探针接口系统中的虚拟接地极。
94. 根据权利要求92所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统基于取样得到的电流信号的标准偏差和取样得到的电流信号的rms来计算局部化腐蚀指数，其中，所述标准偏差和rms都是基于连续矩 运算的。
95. 根据权利要求94所述的腐蚀测量设备，其中，所述处理系统通过计算取样得到的电流信号的标准偏差与取样得到的电 流信号的rms的比值得到局部化腐蚀指数。
96. —种由回路供电的腐烛测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极相接口的信号调节电 路，并且所述信号调节电路包括感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多 个与腐蚀相关的电信号，和开关系统，具有根据与选择性互连所述激励和感应电路中的电路部件 与多种不同配置下的电极相对应的控制信号而操作的多个模拟开关部件； 以及处理系统，可操作地与所述探针接口系统相耦合，从而向所述开关系统提 供控制信号以选择性地再配置所述开关部件，以使所述开关系统将辅助和工作 电极连接到所述探针接口系统中的虚拟接地极并且利用电化学噪声测量基于 所述感应电^各的感应信号来计算至少一个腐蚀相关值。
97. —种由回路供电的腐蚀测量设备，用于测量或监视暴露于电解质的结 构的腐蚀，该腐蚀测量设备包括回路接口 ，可与4-20mA回路相耦合并且包括使用来自所述4-20mA回路 的电能向所述设备供电的电源系统；探针接口系统，具有与处在电解质中的多个测量电极接口的信号调节电路，并且所述信号调节电路包括激励电路，可操作地经由所述电极中的第一个电极向电解质提供正弦 波激励信号，和感应电路，可操作地经由所述电极中的至少第二个电极感应一个或多个与腐蚀相关的电信号；以及处理系统，在一系列i殳备周期的每一个当中，可#:作地基于由所述感应电路感应出的电流信号中的谐波计算B值，并且利用计算得到的B值执行的线性化极性电阻测量，基于所述感应电路感应出的电流信号来计算给定设备周期中的至少 一个腐蚀相关值。
98.根据权利要求97所述的腐蚀测量设备，其中，所述计算得到的B值是经过低通滤波的。
全文摘要
通过用来执行一种或多种先进的腐蚀测量类型的可编程配置来说明低功率腐蚀测量设备(2)，该腐蚀测量设备(2)可提供用于在线腐蚀监视或离线腐蚀数据归档的现场发送器(4)中的电导、常规腐蚀、和/或局部化腐蚀值等。
文档编号G01N17/04GK101517420SQ200780029917
公开日2009年8月26日 申请日期2007年5月23日 优先权日2006年7月12日
发明者丹尼斯·波里尔, 卡雷尔·赫拉德基, 韦塞尔斯·罗尔夫 申请人:倍加福公司