管道微生物腐蚀监测预警系统

1.本实用新型涉及一种腐蚀监测技术，具体为一种管道微生物腐蚀监测预警系统。


背景技术：

2.由于自然环境或生产过程导致的金属腐蚀普遍存在于生产生活的各个领域，据美国腐蚀工程师协会(nace)调查结果显示，2013年全球的腐蚀成本已经达到2.5万亿美元，超过当年全球总gdp的3.4％，而其中由微生物腐蚀造成的损失约占20％。
3.在我国的油气田行业，采出水系统中存在大量的微生物，微生物对管道的腐蚀产生巨大的加速作用。微生物的检测方法主要分为物理检测法和提取物检测法两大类。物理检测法主要分为比浊法、细胞重量法以及最大似然估计法(mpn法)。物理检测法主要是针对细菌数量进行统计，判断细菌的存活度；提取物检测法主要分为细菌总碳、总氮量比对、荧光染色法以及实时荧光定量pcr法，提取物检测法主要依据每类细胞的个体差异判断其细菌数量。以上两类方法目前还主要停留在实验室分析阶段，在复杂多变的现场工况条件下很难得到广泛应用。
4.目前，国内还没有通过监测微生物膜生长情况进而判断材料腐蚀的在线监测设备和系统。现有手段还主要停留在现场取水样，实验室分析的阶段，其所耗费的实验周期较长，分析结果偏差较大，尤其是不能监测和还原微生物腐蚀的各阶段信息。
5.国外即有监测微生物膜生长情况的方法报道，也有可商用化的监测仪器和传感器，其通过每天监测传感器反馈的电信号，结合已有的理论模型判断微生物膜的生长情况，进而指导杀菌剂的注入时间、注入量，评价杀菌剂的注入效果。
6.国外现有仪器也存在一定的局限性：
7.1)电流测量精度μa级，分辨率较低；
8.2)数据存储于内部存储器，容量有限，不能实时远距离传输；
9.3)单一测量通道，无备用或对比通道，环境适应性、可维护性一般；


技术实现要素：

10.针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型要解决的问题是提供一种可实时、动态监测管道内部微生物腐蚀发生、发展全过程的管道微生物腐蚀监测预警系统。
11.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：
12.本实用新型提供一种管道微生物腐蚀监测预警系统，包括微生物腐蚀在线监测装置、数据处服务器或企业云服务器，其中微生物腐蚀在线监测装置为一套或多套，每套微生物腐蚀在线监测装置独立安装于工业现场的监测点，微生物腐蚀在线监测装置采集到的腐蚀监测数据gprs数据传输模块或gprs无线网关上传至网络指定的数据处理服务器或企业云服务器。
13.微生物腐蚀在线监测装置包括腐蚀监测仪、微生物腐蚀监测传感器以及测试电缆，微生物腐蚀监测传感器通过测试电缆连接至腐蚀监测仪的微生物传感器输入接口上，
微生物腐蚀监测传感器通过其前端安装于锥螺纹短节插入被测管道中。
14.腐蚀监测仪包括中央处理器、信号采集模块、信号调理模块、通讯模块以及存储模块，其中，中央处理器经过信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块引出线接至微生物腐蚀监测传感器接口，信号采集模块的输入端接有微生物腐蚀监测传感器，信号采集模块的输出信号经过信号调理模块处理变换后进入中央处理器，中央处理器与存储模块进行数据交互，中央处理器通过通讯模块将数据经gprs数据传输模块或gprs无线网关上传至网络指定的数据处理服务器或企业云服务器。
15.所述信号调理模块包括逻辑控制模块、数字频率合成器、模/数转换器以及第一、二信号放大器，其中数字频率合成器通过逻辑控制模块接收中央处理器的指令，输出频率可调的交流极化电压信号接到第一信号放大器的反向输入端，第一信号放大器的输出端经第二电阻与微生物腐蚀监测传感器相连；微生物腐蚀监测传感器的反馈信号经第二信号放大器、增益单元以及滤波单元进入模/数转换器的输入端；模/数转换器输出数字信号经dft单元和逻辑控制模块输入至中央处理器。
16.所述微生物腐蚀监测传感器包括第一分流器、第二分流器、测量试片以及第一传感器骨架，其中，测量试片分为两组，不同组的测量试片相间固定安装于第一传感器骨架上，两组试片各有一端分别与第一分流器、第二分流器连接，第一分流器和第二分流器分别设于第一传感器骨架两端；第二分流器经一安装螺母与传感器插座连接。
17.第一传感器骨架为圆管状，圆管外周轴向均布2n个凹槽；2n个测量试片均为条状结构，分别固定安装于第一传感器骨架外的各凹槽中。
18.安装螺母包括螺母头部及与螺母头部同轴连接的螺纹段，螺纹段内部为与螺母头部内相通的空腔。
19.第一分流器和第二分流器结构相同，为均布的齿形环，齿数为n；第一分流器和第二分流器分别引出导线，导线经第一传感器骨架、安装螺母内部空腔接至传感器插座的对应引脚上；第一分流器外侧设有底部封装垫，通过环氧树脂封装在底部封装垫和测量试片端部之间；第二分流器和安装螺母之间使用环氧树脂进行密封填充固定。
20.本实用新型具有以下有益效果及优点：
21.1.本实用新型通过采集与微生物膜生长情况相关的电流、电压信号，系统可实时、动态监测管道内部微生物腐蚀发生、发展全过程，也可实时、动态监测管道微生物膜的生长情况及管道的腐蚀状态，提高了微生物腐蚀监测的效率、准确性；在实际工业应用领域，可指导现场杀菌剂的注入时间、注入量，评价杀菌剂的注入效果，满足生产需要。
22.2.本实用新型与传统的微生物腐蚀分析方法比较，具有效率高、全过程监控、数据实时远距离传输的特点；腐蚀监测仪监测电流分辨率可达到na级。
23.3.本实用新型提供多种数据存储及传输方式，远程gprs数据传输，rs232/485数据传输，定期存储，本地数据读取上传等，系统兼容性广泛，适应性更强；支持云平台技术，可实现腐蚀监测仪输出信号与云平台无缝连接。
24.4.本实用新型提供一种特殊应用场景的解决方案，在不具备数据远程传输的情况下，采用状态指示灯报警的方式输出与微生物腐蚀状态对应的判断结果；同时配置手抄器，通过无线通讯技术，实现内存数据获取；手抄器具备无线传输功能，待条件允许时，将数据上传至系统平台。
附图说明
25.图1为本实用新型管道微生物腐蚀监测预警系统结构拓扑图；
26.图2为本实用新型微生物腐蚀在线监测装置现场安装结构示意图；
27.图3为微生物腐蚀在线监测装置中的腐蚀监测仪电气结构框图；
28.图4为腐蚀监测仪中信号调理模块电气结构原理图；
29.图5为本实用新型中微生物腐蚀监测传感器外部结构示意图；
30.图6为微生物腐蚀监测传感器组成结构示意图；
31.图7为测量试片分组示意图；
32.图8为本实用新型中腐蚀监测仪工作流程图；
33.图9为本实用新型实施例微生物腐蚀监测数据曲线图。
34.其中，1为腐蚀监测仪，2为无线天线，3为扩展接口，4为测试电缆，5为微生物腐蚀监测传感器，501为底部封装垫，502为第一分流器，503为测量试片，504为传感器骨架，505为安装螺母，506为传感器插座，507为第二分流器；6为锥螺纹短节，7为管道，8为传感器插头，9为环氧树脂。
具体实施方式
35.下面结合说明书附图对本实用新型作进一步阐述。
36.本实用新型提供一种管道微生物腐蚀监测预警系统，包括微生物腐蚀在线监测装置、数据处理服务器或企业云服务器，其中微生物腐蚀在线监测装置为一套或多套，每套微生物腐蚀在线监测装置独立安装于工业现场的监测点，微生物腐蚀在线监测装置采集到的腐蚀监测数据经腐蚀监测仪内部集成的gprs数据传输模块或gprs无线网关上传至网络指定的数据处理服务器或企业云服务器。
37.如图1所示，包括n个微生物腐蚀在线监测装置，每个微生物腐蚀在线监测装置采集一个微生物腐蚀监测传感器的信号，各微生物腐蚀在线监测装置通过移动互联网络向企业云平台传输数据；系统数据处理服务器通过网关或gprs数据传输模块完成与各微生物腐蚀在线监测装置进行通讯连接，最终，通过互联网接入企业云平台。
38.本实用新型通过对微生物腐蚀数据的监测、分析，实现微生物腐蚀状态全过程跟踪及预警；此外，本系统还提供远程gprs数据传输、北斗远程数据传输、数据定时存储备份以及本地数据读取上传等功能，系统兼容性更广泛，适应性更强。
39.如图2所示，微生物腐蚀在线监测装置包括腐蚀监测仪1、微生物腐蚀监测传感器5以及测试电缆4，微生物腐蚀监测传感器5通过测试电缆4连接至腐蚀监测仪1的传感器输入接口上，微生物腐蚀监测传感器5通过其前端安装于锥螺纹短节6插入被测管道7中。
40.如图3所示，腐蚀监测仪1包括中央处理器(本实施例采用stm32f103c8t6)、信号采集模块、信号调理模块、通讯模块以及存储模块，其中，中央处理器经过信号调理模块与信号采集模块相连，信号调理模块引出线接至微生物腐蚀监测传感器接口，信号采集模块的输入端接有微生物腐蚀监测传感器，信号采集模块的输出信号经过信号调理模块处理变换后进入中央处理器，中央处理器与存储模块进行数据交互，中央处理器通过通讯模块将数据经gprs数据传输模块或gprs无线网关上传至网络指定的数据处理服务器或企业云服务器。
41.如图4所示，信号调理模块包括逻辑控制模块、数字频率合成器、模/数转换器以及第一、二信号放大器，其中数字频率合成器通过逻辑控制模块接收中央处理器的指令，输出频率可调的交流极化电压信号接到第一信号放大器的反向输入端，第一信号放大器的输出端经第二电阻与微生物腐蚀监测传感器相连；微生物腐蚀监测传感器的反馈信号经第二信号放大器、增益单元以及滤波单元进入模/数转换器的输入端；模/数转换器输出数字信号经dft单元和逻辑控制模块输入至中央处理器。
42.本实施例中，数字频率合成器(dds)通过逻辑控制模块接收中央处理器的指令，输出极化交流电压信号，由第一信号放大器a1输出，经第二电阻r2施加在微生物传感器测量试片503上(分为a组试片和b组试片)；反馈信号经第二信号放大器a2、增益单元以及滤波单元进入8通道24位模/数转换器(adc)的输入端；通道模/数转换器输出数字信号经dft单元变换后，提取测量数据，并经逻辑控制模块输入至中央处理器。
43.如图5～7所示，微生物腐蚀监测传感器包括第一分流器502、第二分流器507、测量试片503以及第一传感器骨架504，其中，测量试片503分为两组，不同组的测量试片相间固定安装于第一传感器骨架504上，两组试片各有一端分别与第一分流器502、第二分流器507连接，第一分流器502和第二分流器507分别设于第一传感器骨架504两端；第二分流器507经一安装螺母505与传感器插座506连接。
44.本实施例中，测量试片503通过内部导线与传感器插座506连接，测量试片503、导线以及传感器插座506通过环氧树脂形成密封结构。
45.第一传感器骨架504为圆管状，圆管外周轴向均布2n个凹槽；2n个测量试片503均为条状结构，分别固定安装于第一传感器骨架504外的各凹槽中。安装螺母505包括螺母头部及与螺母头部同轴连接的螺纹段，螺纹段内部为与螺母头部内相通的空腔，用于走线。
46.第一分流器502和第二分流器507结构相同，为均布的齿形环，齿数为n；第一分流器502和第二分流器507分别引出导线，导线经第一传感器骨架504、安装螺母505内部空腔接至传感器插座506的对应引脚上。第一分流器502和第二分流器507直径比2n个测量试片503所围成的圆直径略小；第二分流器507和安装螺母505之间使用环氧树脂进行密封填充固定，填充直径与2n个测量试片503所在圆直径等大，将第二分流器507封装在内，使第二分流器507不裸露在外侧；同样，第一分流器502也使用环氧树脂封装在底部封装垫501和测量试片503端部之间，使第一分流器502不裸露在外侧。
47.本实施例中，2n个测量试片503按自然数进行编号和排序，所有奇数编号试片为a组，偶数编号试片为b组(如图7所示)，a组试片一端与第一分流器502连接，b组试片一端与第二分流器507连接；第一分流器502和第二分流器507分别引出导线，导线经第一传感器骨架504、安装螺母505内部空腔接至传感器插座506的对应引脚上。
48.微生物腐蚀监测传感器5各部件装配完成后，采用无毒、无异味的环氧树脂进行灌封，一方面，保证各金属部件、内部导线绝缘良好；另一方面，确保封装后的微生物腐蚀监测传感器耐酸碱腐蚀。
49.带有测试电缆4的传感器插头8与传感器插座506插接，二者均采用防水航空插头，两者插接牢固后其防护等级达到ip67，可在户外长时间使用，满足现场实时监测要求。
50.如图2所示，本实施例中，为了便于微生物腐蚀监测传感器安装和维护，在待测管道7上预先焊接螺纹短节6，微生物腐蚀监测传感器5的安装螺母505与螺纹短节6连接。两者
采用锥形螺纹密封连接，确保其密封性能、安全性能良好。微生物腐蚀监测传感器5经传感器插座506、传感器插头8、测试电缆4与腐蚀监测仪1相连。
51.信号调理模块输出交流极化电压信号并施加于微生物腐蚀监测传感器5的测量试片503上面；微生物腐蚀监测传感器5的反馈信号经信号采集模块传输至中央处理器单元；信号采集模块用来放大、转换微生物腐蚀监测传感器5的反馈信号；通讯模块用来接收中央处理器的数据，再经无线天线2(本实施例采用室外ap高增益7db罗杰斯防水天线)将腐蚀测量数据传输至无线网关或云服务器。
52.微生物腐蚀监测传感器5因由环氧树脂密封，方便运输、存放、维修、保养。测量试片503与传感器插座506通过内部导线连接。现场安装时，微生物腐蚀监测传感器5的传感器插座506与测试电缆4连接，另一端经螺纹短节6与管道7连接。
53.中央处理器还具有维护接口，其接收来自企业云平台的加密数据，进而完成仪器工作参数设置。
54.生物腐蚀监测传感器可实时在线监测水介质中微生物数量变化，进而评估微生物对管道的腐蚀程度、估算腐蚀速率，还可以评价杀菌剂的实际使用效果，具有设计巧妙、生产制造简便的特点，一方面，传感器可实时、在线搜集微生物腐蚀信号，另一方面，传感器的使用大大减少了取样分析人员的工作量，提高了工作效率。
55.本实用新型基于微生物腐蚀机理，将微生物腐蚀监测传感器连接至腐蚀监测仪，对微生物腐蚀监测传感器定时极化并监测其反馈电流，可以监测微生物膜发生、发展的全过程。实时监测微生物腐蚀数据，实现微生物腐蚀状态全过程跟踪及预警。用户可根据微生物腐蚀监测数据，动态调整杀菌剂施加时间及剂量，最终使微生物完全被杀灭或在一定范围内可控，进而减少水处理的费用，优化操作工艺，减少维修成本。此外，本实用新型所涉及的微生物腐蚀监测仪还具有较强的抗干扰能力、低功耗、实时通信等技术特征，可以满足在恶劣环境中使用。
56.使用时，根据工业现场实际需要，选择腐蚀监测点，安装腐蚀监测装置；根据监测点分布，布置无线网关，实现腐蚀监测装置与无线网关的数据传输，减少现场布线成本，解决单条总线监测点数量限制；无线网关经通讯电缆与数据转换器连接，数据转换器通过以太网接口或串行通讯接口与数据处理服务器相连，实现腐蚀监测数据到服务器的存储；数据处理服务器作为现场腐蚀监测数据的存储主要介质，局域网内的用户可以通过浏览器浏览服务器上的存储数据；同时，数据可以通过互联网实现远传。
57.如图8所示，为腐蚀监测仪工作流程图，腐蚀监测仪上电初始化后，进行测量参数的设置，参数设置完毕后进行微生物腐蚀数据的自动测量流程。模拟信号经信号采集模块放大、信号调理模块完成模/数转换处理后，测量数据通过中央处理器控制通讯模块传输至企业云平台，同时测量数据存储至仪器内部存储器备份，数据存储容量不低于9000组。
58.若传输数据成功，则数据处理软件将传输数据与预警值进行对比，若超出预警值，则表示金属管道中微生物腐蚀风险很大，需要采取措施。
59.如图9所示，为本实用新型实施例极化反馈电流曲线图，根据硫酸盐还原菌(srb)国标培养基配制srb培养基，通入氮气2小时，在121摄氏度下高温灭菌20分钟。将实验接菌仪放在用氮气保护的手套箱中，紫外杀菌20分钟，使用无菌针管按照接菌量10％向装有上述培养基的罐子中接入菌种，将微生物腐蚀监测传感器放在罐子中并接入微生物腐蚀监测
仪，将带有微生物腐蚀监测传感器并用封口膜密封的罐子放在37摄氏度恒温水浴锅中恒温培养。实验周期14天，共采集数据58组。由实验结果可以看出，随着罐内微生物在传感器表面聚集，测量的微生物极化反馈电流数据逐渐呈增长趋势直至超过预设的预警值。
60.实验结果表明，采用本实用新型测量技术及硬件模块，提高了微生物腐蚀监测预警的准确性、稳定性，可实现微生物腐蚀数据测量及预警状态输出，实时了解管道、容器内部微生物膜生长的情况，提前对工业环境中微生物腐蚀进行预警，动态调整水处理方案，使其内部微生物完全消除或在一定范围内可控，同时又能减少水处理的费用，减少维修成本。