专利名称：钢铁腐蚀实时定量远程监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种钢铁腐蚀监测装置，尤其是涉及一种钢铁腐蚀实时定量远程监测系统。
背景技术：
近年来，时有由于煤气存储容器及煤气管道等钢铁设施中的危险品泄漏，导致爆炸事故发生并造成重大损失的媒体报道，调查发现，钢铁容器的腐蚀是导致危险品泄漏的直接而主要原因，几乎所有的危险品容器、煤气管道、煤气存储容器及输送管道、露天起重机械、港口设备等设施，都不具备能够实时定量监测其各部位腐蚀及可能发生腐蚀的装置。也就是说，这些设施可能发生腐蚀或已经发生腐蚀的情况下，都没有在人们的实时定量监控之下。中国专利CN200510047782. 5公开一种埋地金属管线干扰腐蚀自动监测与评估系统。中国专利CN200710168304. 9公开一种连续监测金属材料腐蚀深度的方法。中国专利CN200710051071. 4公开一种输气管道内腐蚀的监测方法。中国专利CN200810107311. 2公开一种连续监测金属材料微区腐蚀深度分布的方法。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种钢铁腐蚀实时定量远程监测系统。本实用新型设有远程监测装置和腐蚀监测中心站；所述远程监测装置设有数据采集器、微电压放大器、模/数转换器、微处理器和GPRS模块，所述数据采集器的输出端接微电压放大器的输入端，微电压放大器的输出端接模/数转换器输入端，模/数转换器输出端接微处理器的测量数据输入接口，GPRS模块的输入端接微处理器的输出端口，GPRS模块的输出端输出的监测数据通过GSM网络与所述腐蚀监测中心站通讯。所述微电压放大电路可设有输入电路、可调增益放大器、有源二阶低通滤波器和末级放大电路，所述输入电路的输入端接数据采集器的输出端，输入电路的输出端接可调增益放大器的输入端，可调增益放大器的输出端接有源二阶低通滤波器的输入端，有源二阶低通滤波器的输出端接末级放大电路的输入端。所述输入电路可采用皿128仪表放大器，所述输入电路用于对腐蚀微电压信号的放大。所述微处理器可采用STC12C5A60S2单片机等。所述远程监测装置可设有显示器，用于实时显示各种采集数据，方便相关人员现场读取。所述显示器可采用12864型液晶显示器。与现有的钢铁腐蚀检测设备和方法相比，本实用新型具有以下突出优点I)本实用新型利用钢铁腐蚀会产生微电压的原理，通过研究钢铁腐蚀与微电压之间的相关性，给出本实用新型的技术方案。2)本实用新型由于设有远程监测装置和腐蚀监测中心站，通过GPRS无线通讯接口进行数据和控制指令传输，将钢铁腐蚀监测结果发向相应的腐蚀监测中心站，从而成功地实现了基于GPRS无线网络的钢铁腐蚀实时定量远程监测和预警，实现了对钢铁腐蚀进行实时定量远程监测。3)本实用新型采用微处理器作为控制电路，又安装了液晶显示器，能实时显示各种采集数据，方便相关人员现场读取。4)本实用新型可应用于煤气管道输送、船体维护、户外工程构建等工程管理领域，由于可对上述设施进行不间断的动态实时的远程监测，因此可以大大降低或彻底避免由于严重的腐蚀导致的工程隐患，甚至重大事故，尤其是煤气储罐和煤气管道。 5)利用钢铁腐蚀时微电压变化的规律，在未来的许多其他领域，通过采集各类腐蚀数据，可为各类工程应用提供科学的管理和决策依据。
图I为本实用新型实施例的结构组成框图。图2为三种不同溶液中的钢铁腐蚀微电压曲线图。在图2中，横坐标为时间(S)，纵坐标为微电(mV);曲线I为2%稀盐酸溶液中的腐蚀电动势，曲线2为I %稀盐酸溶液中的腐蚀电动势，曲线3为蒸馏水中的腐蚀电动势。图3为微电压随时间变化过程。在图3中，横坐标为时间(S)，纵坐标为微电(mV)。图4为微电压在B点(O. 4mV左右)时磷酸锌局部沉积形貌(500倍放大图)。在图4中，标尺为50 μ m。图5为微电压在C点(O. 2mV左右)时磷酸锌部分沉积形貌(500倍放大图)。在图5中，标尺为50 μ m。图6为微电压在D点(O. ImV左右)时磷酸锌完全沉积形貌(500倍放大图)。在图6中，标尺为50 μ m。
具体实施方式
参见图1，本实用新型实施例设有远程监测装置和腐蚀监测中心站I ;所述远程监测装置设有数据采集器2、微电压放大器3、模/数转换器4、微处理器5和GPRS模块6，所述数据采集器2的输出端接微电压放大器3的输入端，微电压放大器3的输出端接模/数转换器4输入端，模/数转换器4输出端接微处理器5的测量数据输入接口，GPRS模块6的输入端接微处理器5的输出端口，GPRS模块6的输出端输出的监测数据通过GSM网络与所述腐蚀监测中心站I通讯。所述微电压放大电路可设有输入电路、可调增益放大器、有源二阶低通滤波器和末级放大电路，所述输入电路的输入端接数据采集器的输出端，输入电路的输出端接可调增益放大器的输入端，可调增益放大器的输出端接有源二阶低通滤波器的输入端，有源二阶低通滤波器的输出端接末级放大电路的输入端。所述输入电路可采用皿128仪表放大器，所述输入电路用于对腐蚀微电压信号的放大。[0027]所述微处理器可采用STC12C5A60S2单片机等。所述远程监测装置可设有显示器，用于实时显示各种采集数据，方便相关人员现场读取。所述显示器可采用12864型液晶显示器。所述腐蚀监测中心站主要由服务器、GPRS模块、数据库系统及其应用软件组成。腐蚀监测中心站控制着其中的GPRS模块，接收各远程监测装置采集的监测数据，然后对数据进行显示、处理和打印等。远程腐蚀监测点分站主要由数据采集器、微处理器及外围电路、GPRS模块组成，主要负责接收腐蚀监测中心站发出的控制命令，并根据预先设定的命令进行数据采集和处理，同时控制GPRS模块向腐蚀监测中心站反馈监测结果。腐蚀监测中心站与各远程监测装置之间通过GPRS网络，实现无线远程通信及基于GPRS网络的远程腐蚀监测。远程监测装置主要是以单片机作为控制器，通过读取GPRS模块，完成相应的监测微电压的数据采集操作，再通过GPRS模块向腐蚀监测中心站反馈腐蚀微电压监测数据结 果OSTA12C5A60S2单片机是一种低电压、低功耗、高性能的CMOS GPRS微处理器，片内含64KB并具有ISP功能的FLASH EPROM程序存储器和512B片内RAM数据存储器。所述微电压放大电路可设有输入电路、可调增益放大器、有源二阶低通滤波器和末级放大电路，所述仪表放大器是采用差分输入，具有极高的输入阻抗和良好的抗共模干扰性能，可高效地捡拾出有用的腐蚀微电压信号。0P27运算放大器构成四档可调增益放大器，可根据输入腐蚀微电压的大小来手动调节放大器的增益，使放大器始终处在最佳运行状态。由0P27运算放大器构成的有源二阶低通滤波器电路可滤除无用的高频信号。末级放大电路主要对前面信号作进一步放大，以满足后面模/数(A/D)转换器的输入范围。上述四部分采用直接耦合，可对直流信号进行测量。以下给出具体实施例。(一)微电压与腐蚀的关系研究通过试验得知，钢铁材料在弱电解质环境中(如火力发电厂排放于大气中的二氧化硫等气体所产生的酸雨)相对于银电极(因为银在弱电解质中相对稳定，它与弱电解质之间基本不进行电荷交换，因此我们把它当作“零”电位)的微电压达到O. 4mV左右，即产生腐蚀。试验结果表明在浓度为2%的稀盐酸弱电解质溶液中，钢铁材料产生了约O. 5mV的微电压；在浓度为1%的稀盐酸弱电解质溶液中，钢铁材料产生了约O. 4mV的微电压；在蒸馏水中，钢铁材料产生了约O. 2mV的微电压(如图2)。因此，把O. 4mV的微电压设定为钢铁腐蚀的微电压。( 二)磷酸锌沉积与微电压的相关性研究I.磷酸锌沉积过程的电荷交换分析为了模拟钢铁腐蚀过程，我们选用磷酸二氢锌作为腐蚀性物质，以动态测定腐蚀过程的微电压变化。首先对磷酸锌在钢铁表面的沉积过程进行分析如下磷酸锌在钢铁表面的沉积过程是一种钢铁失去电荷而电解质得到电荷的电荷交换过程[0041]钢铁溶解而释放电荷Fe — Fe2++2e(I)氢离子得到电荷成为氢气放出2H++2e — H2 t(2)同时电解质中的磷酸二氢锌溶液也得到电荷而形成磷酸锌沉积于钢铁表面3Zn (H2PO4) 2+2θ — Zn3 (PO4) 2 I +4H3P04(3)2.磷酸锌沉积过程试验及结果(I)试样制备试样采用宝钢产冷轧铁板。(2)试验器材恒温槽、磁力搅拌器、显微镜、IOOOmL烧杯、500mL量筒。(3)试验方法与步骤 第一步试样表面在磷酸锌沉积处理前先进行除油处理，这不但有利于试样表面的清洁，而且可提高试样表面的活化能。第二步配置2L浓度为5%的磷酸二氢锌溶液。第三步将试样浸入磷酸二氢锌溶液，实时跟踪测量瞬态微电压，并在不同阶段利用电子显微镜观察磷酸锌沉积的微观形貌，同时测量微电压随时间变化的情况。试验过程如图2所示。第四步通过放大器将微电压放大，并采用数模转换器，将测量得到微电压变化的模拟信号转换为数字信号，再利用计算机系统把微电压变化实时显示及记录出来。3.磷酸锌沉积过程的试验结果与分析(I)微电压900秒内的变化过程。微电压变化的跟踪结果如图3所示。可见，微电压变化过程可分为AB、BC、⑶、和DE 4个阶段。AB阶段电荷快速释放、磷酸锌少量沉积。这个过程约持续了 50s，跟踪测量结果表明微电压开始快速上升，达到最大微电压的B点。这一过程还伴随着表面释放电荷，磷酸锌在部分表面开始沉积，沉积的表面积约占总表面积的50%。由于磷酸锌的沉积增多,暴露的金属表面开始减少，表面电阻开始增大，微电压开始下降，微电压出现一个高点B点。BC阶段磷酸锌快速沉积。这一过程约持续了 250s，磷酸锌的沉积进一步增多，暴露的金属表面进一步减少，表面电阻快速增大，因此微电压快速下降。⑶阶段磷酸锌继续沉积。这一过程约持续了 200s，磷酸锌的沉积逐步充满金属表面并且相互叠加，暴露的金属表面逐渐不可见到，表面电阻增大趋缓，微电压变化趋向一动态平衡值。DE阶段磷酸锌沉积处于相对平衡。(2)微观形貌变化过程。微电压发生变化的AB、BC、⑶和DE 4个阶段对应的微观形貌也发生变化，如图4 6所示。(3)试验结论。上述试验表明磷酸锌的快速沉积过程中，伴随着微电压下降的同时腐蚀强度也相应下降。由此得出如下结论第一微电压与腐蚀强度成正相关，腐蚀强度越大，微电压越高；第二腐蚀程度与微电压曲线和时间形成的面积成正相关，面积越大腐蚀程度越闻。为了更有效地对腐蚀微电压监测系统进行控制和数据采集、分析，可选择LabVIEW图形化编程语言。LabVIEW集成并满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，是一个功能强大的应用软件。利用它可以方便地建立我们自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程变得生动、直观、便捷。LabVIEW应用程序，它包括前面板、流程图以及图标连结器三部分。前面板是图形用户界面，也就是虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出共两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。(三)本实用新型的应用目前，数据远程监测有多种方式可供选择。选择之一有线监控方式，由于受布线等条件限制，显然不适合要求。选择之二 2. 4G等无线模拟或数字通信方式，这类系统存在着一般覆盖范围(一般只能在数百米范围内)较小、可靠性不容易保证且设备较昂贵等诸多问题，也不符合我们的要求。选择之三GPRS全球移动通讯网络。随着GPRS的迅速发展，基于GPRS数字移动通信的远程监测系统，由于其覆盖面广，可以满足监测点距离远、分散等优点，在远程数据采集和传输领域具有较大的实用价值。因此，本实用新型选择了这种方式，利用GPRS模块进行数据和控制指令传输，这样就可以节约首期庞大的投资去建立无线通信网络。所以，设计了基于GPRS的远程监测系统，即通过现有的GPRS网络将监测结果 发向相应的腐蚀监控终端。腐蚀监测点主要是以单片机作为控制器，通过读取GPRS模块，完成相应的监测微电压的数据采集操作，再通过GPRS模块向腐蚀监测中心站反馈腐蚀微电压监测数据结果。STA12C5A60S2单片机是一种低电压、低功耗、高性能的CMOS GPRS微处理器，片内含64KB并具有ISP功能的FLASH EPROM程序存储器和512B片内RAM数据存储器。本系统的MCU采用了该芯片，板上安装了一个12864型的液晶显示器，能实时显示各种采集数据，方便相关人员现场读取。GPRS模块可采用市售成品GPRS模块，电源范围为直流5 16V，具有SM卡读卡器，可随时换用不同的SM卡，方便在不同地区使用，GPRS模块还自带RS232通信接口，在测试现场把单片机的RS232串口线与GPRS模块RS232串口线连接，现场采集的数据便通过RS232串口不断传送到GPRS模块，GPRS模块再将数据通过网络发送至腐蚀监测中心站，实现了基于GPRS网络的远程钢铁腐蚀实时定量监测系统。
权利要求1.钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，其特征在于设有远程监测装置和腐蚀监测中心站；所述远程监测装置设有数据采集器、微电压放大器、模/数转换器、微处理器和GPRS模块，所述数据采集器的输出端接微电压放大器的输入端，微电压放大器的输出端接模/数转换器输入端，模/数转换器输出端接微处理器的测量数据输入接口，GPRS模块的输入端接微处理器的输出端口，GPRS模块的输出端输出的监测数据通过GSM网络与所述腐蚀监测中心站通讯。
2.如权利要求I所述的钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，其特征在于所述微电压放大电路设有输入电路、可调增益放大器、有源二阶低通滤波器和末级放大电路，所述输入电路的输入端接数据采集器的输出端，输入电路的输出端接可调增益放大器的输入端，可调增益放大器的输出端接有源二阶低通滤波器的输入端，有源二阶低通滤波器的输出端接末级放大电路的输入端。
3.如权利要求2所述的钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，其特征在于所述输入电路采用INA128仪表放大器。
4.如权利要求I所述的钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，其特征在于所述微处理器采用 STC12C5A60S2 单片机。
5.如权利要求I所述的钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，其特征在于所述远程监测装置设有显示器。
6.如权利要求5所述的钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，其特征在于所述显示器采用液晶显示器。
专利摘要钢铁腐蚀实时定量远程监测系统，涉及一种钢铁腐蚀监测装置。设有远程监测装置和腐蚀监测中心站；所述远程监测装置设有数据采集器、微电压放大器、模/数转换器、微处理器和GPRS模块，所述数据采集器的输出端接微电压放大器的输入端，微电压放大器的输出端接模/数转换器输入端，模/数转换器输出端接微处理器的测量数据输入接口，GPRS模块的输入端接微处理器的输出端口，GPRS模块的输出端输出的监测数据通过GSM网络与所述腐蚀监测中心站通讯。
文档编号F17D5/06GK202629593SQ2012201058
公开日2012年12月26日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者陈昱瑾, 张法典, 杨宇亮 申请人:陈昱瑾, 张法典, 杨宇亮