一种金属管道腐蚀监测方法及系统与流程
本发明涉及测量技术领域，具体而言，涉及一种金属管道腐蚀监测方法及系统。
背景技术：
现有的利用电场纹理特征法的金属管道腐蚀监测方法，都是采用直流恒流电流源进行激励，获得被测管道的电位矩阵，通过监测各电极的电位变化情况来了解管道的腐蚀趋势。这种方法必须采用高达数十安培甚至上百安培的恒定电流，才能获得可测量的电压幅值，以及相对较高的信噪比。大激励电流不仅造成大的电能消耗，相关电子元件发热严重，需要提供较粗的电缆，而且对于易燃易爆环境造成威胁。此外，这种方法的监测精度还容易受到环境温度变化、电极接触电阻、环境电磁干扰等因素的影响。
技术实现要素：
本发明提供一种金属管道腐蚀监测方法及系统，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种金属管道腐蚀监测方法，包括：将正向激励电流输入待监测区域的两端，待监测区域焊接有电阻网络和对照板；电阻网络包括n*m个大小相同的电阻；其中，每m个电阻串联连接；n为大于等于1的正整数，m为大于1的正整数；沿电流流经方向，在各电阻两端设置有监测电极；相邻电阻之间的距离均为固定距离；对照板连接在电阻网络对照板为与管道同材质的金属板，且一端与管道电气相连，对照板上设置有一个参考电阻，参考电阻两端设置有参考电极；测量得到任意两个监测电极之间的压差信号，并将各压差信号和参考电极之间的参考信号输入第一放大电路、第二放大电路、移相电路、锁相放大电路、数模转换电路、主控电路；其中，第一放大电路是差分放大电路，第二放大电路是基于斩波的放大电路；移相电路用于将第二放大电路输出的信号的相位调整到与参考信号相同相位；锁相放大电路用于放大与参考信号相同频率的信号；数模转换电路用于将经锁相放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；主控电路用于按设定的时间间隔对数字信号采样，并存储采样结果；根据采样结果，计算得到任意两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数fc：
其中，fcki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压。
可选地，所述正向激励电流为1hz到1khz频率可调的正向激励电流。
可选地，固定距离为管道壁厚度的2-3倍。
可选地，金属管道腐蚀检测方法，还包括：对于非规则分布在管道外表面的电极，通过以下公式得到电压与壁厚的对应关系：
其中，k0(*)为第二类修正贝塞尔函数，t为管道壁厚，k2＝iωμσ，ω为频率，μ为磁导率，σ为材料电导率；
其中，i为输入正向激励电流的幅值，
可选地，两个检测电极分别位于管道上的焊缝两侧。
根据本发明实施例的一个方面，还提供了一种金属管道腐蚀检测系统，包括：正向激励电流源，用于将正向激励电流输入管道的待检测区域的两端；电阻网络，电阻网络焊接至待检测区域；电阻网络包括n*m个大小相同的电阻；其中，每m个电阻串联连接；n为大于等于1的正整数，m为大于1的正整数；相邻电阻之间的距离均为固定距离；沿电流流经方向，在各电阻两端设置有检测电极；对照板，对照板为与管道同材质的金属板，且一端与管道电气相连，对照板上设置有一个参考电阻，参考电阻两端设置有参考电极；压差信号检测单元，用于测量得到任意两个检测电极之间的压差信号；第一放大电路，第一放大电路是差分放大电路；连接至压差信号检测单元；第二放大电路，第二放大电路是基于斩波的放大电路；连接至第一放大电路；移相电路，连接至第二放大电路，用于将第二放大电路输出的信号的相位调整到与参考信号相同相位；锁相放大电路，连接至移相电路，用于放大与参考信号相同频率的信号；数模转换电路，连接至锁相放大电路，用于将经锁相放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；主控电路，用于按设定的时间间隔对数字信号采样，并存储采样结果；计算单元，用于根据采样结果，计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数fc：
可选地，所述正向激励电流为1hz到1khz频率可调的正向激励电流。
可选地，固定距离为管道壁厚度的2-3倍。
可选地，计算单元还用于：对于非规则分布在管道外表面的电极，通过以下公式得到电压与壁厚的对应关系：
其中，k0(*)为第二类修正贝塞尔函数，t为管道壁厚，k2＝iωμσ，ω为频率，μ为磁导率，σ为材料电导率；
其中，i为输入正向激励电流的幅值，
可选地，两个监测电极分别位于管道上的焊缝两侧。
本发明实施例的创新点包括：
1、同基于恒流直流电流源的电场纹理特征法相比，本发明通过采用交流激励电流源及锁相放大技术，所需的激励电流要小1到2个数量级，而又能提供更好的信噪比，对电子元件的要求更低，安全性也更好；同时能够实现测量被测管道敏感区域的电阻网络的变化情况，达到了解和掌握管道腐蚀发展趋势的目的；这是本发明实施例的创新点之一。
2、本发明采用1hz到1khz可调的正弦交流激励电流源施加于管道被测区域，通过对被测区域的电极矩阵进行采样、信号放大、滤波、锁相放大及数-模转换，可直接获得各被测电极对之间的电阻，通过对电阻网络的分析，判断管道腐蚀的现状及发展趋势，这是本发明实施例的创新点之一。
3、本发明通过采用锁相放大技术，可以将正弦激励电流源的峰-峰值降低到1安培以下，直至0.1安培级别；激励电流源的大幅度降低不仅节约电能，降低了对电子元件的要求，而且提高了易燃易爆环境下的安全性，这是本发明实施例的创新点之一。
4、锁相放大技术由于只放大与参考信号同频率的被测信号，因此可以消除环境温度、电极接触电阻、环境电磁干扰等因素的影响，获得比直流恒流激励源更高的信噪比，这是本发明实施例的创新点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例的金属管道腐蚀监测系统的结构示意图；
图2a为本发明一个实施例中电流注入侧视图；
图2b为本发明一个实施例中电流注入俯视图；
图3为本发明一个实施例中的电极m与电极n之间的距离计算原理图；
图4为本发明实施例中的电阻网络、对照板与管道之间的一种连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例公开了一种金属管道腐蚀监测方法及系统，以下进行详细说明。
图1为本发明一个实施例的金属管道腐蚀监测系统的结构示意图。
在图1中，金属管道腐蚀监测系统主要包括正弦激励电流源、电阻网络、信号预处理模块(包括第一放大电路、第二放大电路和移相电路)、锁相放大模块(包括锁相放大电路和采样电路)、主控电路、数据处理与分析软件(包括计算单元和确定单元)。
正弦激励电流源产生一个正弦波形的电流，注入管道被监测区域。被监测区域的电极对之间的电阻构成电阻网络，将电流信号转换为电压信号。由于电压信号很微弱，通常是nv级别的，因此需要通过预处理电路进行前置放大，放大到足够推动锁相放大电路的电平级别(0.1v以上)。放大后的信号进入锁相放大电路，与参考信号进行运算。锁相放大电路的输出是一个直流信号。将被测信号的相位调整到与参考信号相同，此时锁相放大电路输出的直流信号的幅值只与被测信号的幅值有关。因此锁相放大可以去除所有不同频率的干扰，包括直流分量和环境电磁干扰。
具体地，电阻网络焊接至待检测区域；电阻网络包括n*m个大小相同的电阻；其中，每m个电阻串联连接；n为大于等于1的正整数，m为大于1的正整数；相邻电阻之间的距离均为固定距离。例如，m为5，n为4。
沿电流流经方向，在各电阻两端设置有监测电极。
具体地，对照板为与管道同材质的金属板，且一端与管道电气相连，对照板上设置有一个参考电阻，参考电阻两端设置有参考电极。
压差信号监测单元测量得到任意两个检测电极之间的压差信号。预处理电路包括第一放大电路、第二放大电路和移相电路。第一放大电路是高精度差分放大电路；连接至压差信号监测单元；第二放大电路是基于斩波的低噪声、低漂移放大电路；连接至第一放大电路；移相电路，连接至第二放大电路，用于将第二放大电路输出的信号的相位调整到与参考信号相同相位。
锁相放大电路，连接至移相电路，用于放大与参考信号相同频率的信号；数模转换电路，连接至锁相放大电路，用于将经锁相放大电路输出的模拟信号转换为数字信号。
主控电路，用于按设定的时间间隔对数字信号采样，并存储采样结果；计算单元，用于根据采样结果，计算得到两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数fc：
其中，fcki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；确定单元，用于根据纹理特征系数fc确定金属管道腐蚀度。
可选地，所述正向激励电流为1hz到1khz频率可调的正向激励电流。
可选地，固定距离为管道壁厚度的2-3倍。
两点之间的电压f可以表示成关于距离l的函数f(l)，参照图2a和图2b可知，有如下对应关系:
其中，k0(*)为第二类修正贝塞尔函数，t为管道壁厚，k2＝iωμσ，ω为频率，μ为磁导率，σ为材料电导率；
其中，i为输入正向激励电流的幅值，
焊缝处一般是腐蚀容易发生的地方，需要重点监测；可以将两个监测电极分别设置到管道上的焊缝两侧。
图4示出了本发明实施例中的电阻网络、对照板与管道之间的一种连接关系示意图。如图4所示，正弦电流在电流入端1处注入，在电流馈端7处返回。图中箭头方向是电流路径。由于激励电流是正弦电流，所以实际上电流是双向的。5是对照板，与管道同材质，且与管道热耦合，对照板的一侧与管道电气相连，使得电流在管道和对照板上顺序流过。2是检测电极，3是电阻网络示意，通常探针电极布置在焊缝4两侧，电极采用行和列都等距布置；间距选取管道壁厚的2－3倍。6是参考电阻，是对照板上两个电极之间的电阻。对照板与参考电阻用于修正温度、湿度、激励电流幅值变化等因素对检测结果的影响。
同基于恒流直流电流源的电场纹理特征法相比，本发明通过采用交流激励电流源及锁相放大技术，所需的激励电流要小1到2个数量级，而又能提供更好的信噪比，对电子元件的要求更低，安全性也更好；同时能够实现测量被测管道敏感区域的电阻网络的变化情况，达到了解和掌握管道腐蚀发展趋势的目的。
本发明采用1hz到1khz可调的正弦交流激励电流源施加于管道被测区域，通过对被测区域的电极矩阵进行采样、信号放大、滤波、锁相放大及数-模转换，可直接获得各被测电极对之间的电阻，通过对电阻网络的分析，判断管道腐蚀的现状及发展趋势。
本发明通过采用锁相放大技术，可以将正弦激励电流源的峰-峰值降低到1安培以下，直至0.1安培级别；激励电流源的大幅度降低不仅节约电能，降低了对电子元件的要求，而且提高了易燃易爆环境下的安全性。
锁相放大技术由于只放大与参考信号同频率的被测信号，因此可以消除环境温度、电极接触电阻、环境电磁干扰等因素的影响，获得比直流恒流激励源更高的信噪比。
本发明实施例还公开了一种基于上述系统的金属管道腐蚀检测方法，包括：
将正向激励电流输入待检测区域的两端，待检测区域焊接有电阻网络和对照板；电阻网络包括n*m个大小相同的电阻；其中，每m个电阻串联连接；n为大于等于1的正整数，m为大于1的正整数；沿电流流经方向，在各电阻两端设置有检测电极；相邻电阻之间的距离均为固定距离；对照板连接在电阻网络对照板为与管道同材质的金属板，且一端与管道电气相连，对照板上设置有一个参考电阻，参考电阻两端设置有参考电极；测量得到任意两个检测电极之间的压差信号，并将各压差信号和参考电极之间的参考信号输入第一放大电路、第二放大电路、移相电路、锁相放大电路、数模转换电路、主控电路；其中，第一放大电路是高精度差分放大电路，第二放大电路是基于斩波的低噪声、低漂移放大电路；移相电路用于将第二放大电路输出的信号的相位调整到与参考信号相同相位；锁相放大电路用于放大与参考信号相同频率的信号；数模转换电路用于将经锁相放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；主控电路用于按设定的时间间隔对数字信号采样，并存储采样结果；根据采样结果，计算得到任意两个检测电极形成的电极对之间管道的纹理特征系数fc：
其中，fcki(t)——电极对ki在t时刻的纹理特征系数；vki(0)——电极对ki在监测开始t＝0时的电压；vk0(0)——参考电极对k0在监测开始t＝0时的电压；vki(t)——电极对ki在t时刻的电压；vk0(t)——参考电极对k0在t时刻的电压；根据纹理特征系数fc确定金属管道腐蚀度。
可选地，所述正向激励电流为1hz到1khz频率可调的正向激励电流。
可选地，固定距离为管道壁厚度的2-3倍。
可选地，金属管道腐蚀检测方法，还包括：对于非规则分布在管道外表面的电极，通过以下公式得到电压与壁厚的对应关系：
其中，k0(*)为第二类修正贝塞尔函数，t为管道壁厚，k2＝iωμσ，ω为频率，μ为磁导率，σ为材料电导率；
其中，i为输入正向激励电流的幅值，
可选地，两个检测电极分别位于管道上的焊缝两侧。
同基于恒流直流电流源的电场纹理特征法相比，本发明通过采用交流激励电流源及锁相放大技术，所需的激励电流要小1到2个数量级，而又能提供更好的信噪比，对电子元件的要求更低，安全性也更好；同时能够实现测量被测管道敏感区域的电阻网络的变化情况，达到了解和掌握管道腐蚀发展趋势的目的。
本发明采用1hz到1khz可调的正弦交流激励电流源施加于管道被测区域，通过对被测区域的电极矩阵进行采样、信号放大、滤波、锁相放大及数-模转换，可直接获得各被测电极对之间的电阻，通过对电阻网络的分析，判断管道腐蚀的现状及发展趋势。
本发明通过采用锁相放大技术，可以将正弦激励电流源的峰-峰值降低到1安培以下，直至0.1安培级别；激励电流源的大幅度降低不仅节约电能，降低了对电子元件的要求，而且提高了易燃易爆环境下的安全性。
锁相放大技术由于只放大与参考信号同频率的被测信号，因此可以消除环境温度、电极接触电阻、环境电磁干扰等因素的影响，获得比直流恒流激励源更高的信噪比。
下面提供一具体实施例对本发明中的方法进行说明。
正弦激励电流源：产生一个幅值稳定的、具备自动增益控制(agc)的正弦激励电流源，电流幅值连续可调。
将正弦激励电流源注入管道被监测区域的两端。在被监测区域焊接电极矩阵。沿着电流流经方向的两个相邻电极间由于有电阻存在，将会出现电压差。
所有电极间的压差信号，通过模拟开关进行选通，进入高精度的差分放大电路及低噪声、低漂移放大电路，进行前置放大。电极间的nv级信号被放大到0.1v以上，以驱动后续的锁相放大电路。
移相电路将被测信号的相位调整到与参考信号相位相同。
锁相放大电路放大与参考信号同频率的被测信号，而滤除不同频率的干扰、噪声及直流分量。
采用16位精度的数-模转换采样电路将模拟信号转换成数字信号。
主控电路按设定的时间间隔进行采样，并将采样后的数字结果存储在存储介质中。
主控电路将实时采样结果或历史采样结果通过以太网发送给远端的计算机，供安装在计算机上的数据处理与分析软件进行数据显示及结果分析。
计算机上的数据处理及分析软件可以通过二维或三维图形的方式对采样结果进行显示及分析，并判断管道腐蚀状况。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
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