張 偉，周鳳星

(武漢科技大學(xué)，冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430081)

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基于STM32和FPGA的石油管道腐蝕測(cè)試儀

張 偉，周鳳星

(武漢科技大學(xué)，冶金自動(dòng)化與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，湖北武漢 430081)

采用線性極化、電化學(xué)阻抗譜和法拉第定律相結(jié)合的方法，利用FPGA、STM32、DDS信號(hào)發(fā)生器、恒電位儀、三電極系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種包括雙通道同步高速采集電路、電子標(biāo)簽和U盤的準(zhǔn)確計(jì)算石油管道內(nèi)壁腐蝕速度的儀器，系統(tǒng)采用數(shù)字相關(guān)積分算法來(lái)計(jì)算阻抗譜的幅值和相位，電路中雙通道低通濾波器提高了系統(tǒng)的信噪比，實(shí)現(xiàn)了高精度阻抗測(cè)試。測(cè)試儀通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，該儀器與CHI660D的測(cè)量結(jié)果基本一致，腐蝕速度測(cè)量范圍為1×10-4～50 mm/a。

管道腐蝕；電化學(xué)阻抗譜；數(shù)字相關(guān)算法；恒電位儀

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣管道建設(shè)不斷推進(jìn)。石油輸送主要采用鋼制管道，而石油中常含有S、O2和H2O，這些物質(zhì)構(gòu)成了酸性環(huán)境，會(huì)與金屬管道內(nèi)壁發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)輸油管道內(nèi)壁造成腐蝕，因腐蝕造成的穿孔給石化行業(yè)的安全生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1]。因此，需要腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)有效指導(dǎo)防腐工作。目前國(guó)內(nèi)外用于石油管道腐蝕監(jiān)測(cè)的技術(shù)主要有：掛片監(jiān)測(cè)、電阻/電感監(jiān)測(cè)、壁厚監(jiān)測(cè)和電化學(xué)站等。以上監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的主要問(wèn)題是：響應(yīng)速度慢、設(shè)備體積大，精度低，重現(xiàn)性差，數(shù)據(jù)傳輸不便。而石油管道大多鋪設(shè)在野外無(wú)人區(qū)，為了全面監(jiān)測(cè)管道內(nèi)壁腐蝕狀況及評(píng)價(jià)防腐蝕措施的效果，急需野外監(jiān)測(cè)設(shè)備，為此，針對(duì)這一事實(shí)結(jié)合電化學(xué)與電子技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種便攜式石油管道內(nèi)壁腐蝕快速測(cè)試儀。

1 電化學(xué)腐蝕理論

電化學(xué)腐蝕理論中的線性極化和電化學(xué)阻抗譜技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地測(cè)定電極的腐蝕速率和腐蝕電流密度等信息。由線性極化技術(shù)可以計(jì)算出腐蝕電流密度和極化電阻的關(guān)系，再采用電化學(xué)阻抗譜技術(shù)計(jì)算出溶液的介質(zhì)電阻，從穩(wěn)態(tài)測(cè)量求出的極化電阻減去介質(zhì)電阻獲得腐蝕電極的實(shí)際極化電阻，再根據(jù)斯特恩公式估算出腐蝕電流密度。最后通過(guò)法拉第定律計(jì)算出腐蝕速度。

1.1 線性極化技術(shù)

線性極化測(cè)量技術(shù)的理論基礎(chǔ)是斯特恩-蓋里(Stern-Geary)關(guān)系式，采用此公式來(lái)估算腐蝕電流密度icorr，即：

icorr=B/RP

(1)

式中：B為Stern-Geary 系數(shù)，一般B取為26 mV，也可由用戶自己設(shè)置；RP為極化電阻；icorr為腐蝕電流密度[2-3]。

1.2 電化學(xué)阻抗譜(EIS)技術(shù)

1.2.1 電化學(xué)阻抗譜測(cè)量原理

電化學(xué)阻抗譜是用小幅值正弦波電位信號(hào)疊加在直流極化電位上，通過(guò)恒電位儀施加于被測(cè)電極系統(tǒng)，同步測(cè)量極化電位以及響應(yīng)電流，通過(guò)相關(guān)積分算法計(jì)算出被測(cè)電極的復(fù)數(shù)阻抗Z，進(jìn)而繪制出被測(cè)電極系統(tǒng)的Nyquist 圖[4]。在腐蝕過(guò)程中，電極系統(tǒng)等效電路圖如圖1 所示[2]。

圖1 電極系統(tǒng)等效電路圖

圖1中，Rs為電極系統(tǒng)的溶液電阻，Rp為極化電阻，C為雙電層電容。電路中AB兩端的等效阻抗Z為

(2)

式中ω為正弦波掃描信號(hào)的角頻率。

聯(lián)立Z的實(shí)部Zre和虛部Zim消去ω得到一個(gè)圓的方程式：

(3)

根據(jù)式(3)繪制Nyquist 圖如圖2所示。

圖2 阻抗的Nyquist圖

由Nyquist 圖可以得到溶液電阻RS，即OA的距離，同時(shí)由AB距離可以得到RP，而ωRPC= 1時(shí)，Zre=RS+RP/2，可以求得雙電層電容C=1/(ωRP).

1.2.2 算法原理

采用數(shù)字相關(guān)積分方法進(jìn)行電化學(xué)阻抗的測(cè)量[4-5]。

設(shè)電壓信號(hào)為

E(t)=E0sin(ωt+φx)

(4)

電流信號(hào)為

I(t)=I0sin(ωt+φy)

(5)

式中：E0和I0分別為電位、電流信號(hào)的幅值；φx和φy為信號(hào)采樣時(shí)刻的相位角；ω=2π/f；f為數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率。將式(4)、式(5)展開(kāi)：

E(t)=asinωt+bcosωt

(6)

I(t)=csinωt+dcosωt

(7)

式中：a=E0cosφx；b=E0sinφx；c=I0cosφy；d=I0sinφy；φx=tg-1(b/a)和φy=tg-1(d/c)。

將式(6)兩邊乘以同頻率的參考信號(hào)cosωt后，進(jìn)行積分得：

(8)

式中：t為任意值；T為周期信號(hào)

由三角函數(shù)定理知：

(9)

(10)

設(shè)N=T/ΔT，代入上式轉(zhuǎn)換成離散函數(shù)得：

(11)

(12)

c和d的求法與上面相同。

1.3 金屬腐蝕速度與腐蝕電流密度的關(guān)系

金屬腐蝕速度與腐蝕電流密度的關(guān)系可通過(guò)法拉第定律進(jìn)行換算[2]，即

(13)

式中：V深為腐蝕深度，mm/a；icorr為腐蝕電流密度，μA/cm2；M為金屬的原子量，g；n為金屬的原子價(jià)；ρ為金屬密度，g/cm3。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，掃頻正弦信號(hào)頻率范圍要求是10 mHz～100 kHz，極化電位和極化電流的采集需要同步，以避免相位差太大。因此，設(shè)計(jì)采用具有高速、并行處理能力的FPGA(EP4CE15F17C8N)作為數(shù)據(jù)采集器，同時(shí)，采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微處理器STM32F103VET6作為TFT彩屏、PC機(jī)通訊、GSM/GPRS模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤、電子標(biāo)簽、AT24C512、U盤文件管理控制芯片、電池電量檢測(cè)模塊和FPGA的控制器。LI-ION電池電量檢測(cè)是利用LI-ION電池的電量和電壓具有線性關(guān)系，通過(guò)采集電壓換算成電量，AT24C512用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，測(cè)試儀與上位機(jī)通過(guò)PL2303串口轉(zhuǎn)USB接口進(jìn)行通信。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路框圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集電路框圖

由于放大器會(huì)引入相位差，為了保持電位、電流信號(hào)的完全同步，2路采集通道所用的器件型號(hào)、方式必須相同。由FPGA控制2路信號(hào)高速同步采集，從恒電位儀出來(lái)的電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器LTC1064-2、放大器LT1991、高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器AD7623得到E(nΔT) 、I(nΔT)離散數(shù)據(jù)送給FPGA，由FPGA通過(guò)總線發(fā)送給STM32，STM32經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后，可得到阻抗模|Z|和相位差Φ。

2.3 電極系統(tǒng)與恒電位儀電路

電極系統(tǒng)采用典型的三電極探針，WE代表工作電極，RE代表參比電極，CE代表對(duì)電極。三電極探針采用和被測(cè)管道同材質(zhì)的金屬，每個(gè)電極探針外露測(cè)量面積為4.75 cm2，電極以邊長(zhǎng)1 cm的等邊三角形分布排列。

恒電位儀電路如圖5所示，U1是超低輸入偏置電流、低電流噪聲、高輸出驅(qū)動(dòng)能力運(yùn)算放大器AD825，U2、U3是一款精密的、低漂移、低噪聲運(yùn)算放大器OP1177。ADG1408是8路選擇開(kāi)關(guān)，其后接7路電流取樣電阻RX，由STM32控制選取電阻值，以提供合適的電流量，取樣電阻RX范圍從10 Ω～10 MΩ.啟動(dòng)測(cè)量后，先測(cè)量穩(wěn)定的開(kāi)路電位Ecorr，極化開(kāi)關(guān)AQY212S斷開(kāi)，得到Ecorr后，再進(jìn)行高頻測(cè)量，DDS產(chǎn)生正弦信號(hào)疊加在由STM32控制的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC714輸出的Ecorr上，RE與WE電極的電位差通過(guò)阻抗變換器U2反饋到U1的反相輸入端[6]，構(gòu)成負(fù)反饋。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，閉合AQY212S，對(duì)極化電流進(jìn)行預(yù)采樣，選擇合適的電流量程，最后對(duì)體系的電壓值、電流值進(jìn)行同步采樣。高頻測(cè)量完成后再設(shè)置低頻測(cè)量，過(guò)程與高頻一樣。

圖5 恒電位儀電路

2.4 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器DDS

激勵(lì)正弦信號(hào)是由直接數(shù)字頻率合成DDS芯片AD9854產(chǎn)生[7]。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為300 MHz時(shí)，AD9854輸出信號(hào)的頻率分辨率1.07 μHz，最大不失真輸出頻率為120 MHz。

輸出信號(hào)頻率與頻率控制字關(guān)系為

fDDS=(FTW/248)fs

式中：fDDS為AD9854輸出信號(hào)頻率；FTW為頻率控制字；fs為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。

輸出信號(hào)相位與相位控制字關(guān)系為

Δθ=2π(Δphase/214)

式中：Δθ為輸出信號(hào)的相位；Δphase為相位控制字。

幅度控制字：

ΔA=(212×A)/Uom

式中：ΔA幅度控制字；A為輸出信號(hào)幅度；Uom為信號(hào)產(chǎn)生器輸出的最大幅度。

STM32通過(guò)并口發(fā)送頻率控制字、相位控制字和幅度控制字到AD9854。AD9854根據(jù)控制字輸出差分電流型正弦波信號(hào)，采用射頻變壓器T1.18-3-KK81將差分信號(hào)耦合成單端信號(hào)，并經(jīng)過(guò)低噪聲五階低通橢圓濾波器LTC1560-1和功率放大器輸出正弦信號(hào)。由于DDS芯片產(chǎn)生的低頻(小于0.1 Hz)效果不佳，所以低頻部分由FPGA查詢DDSRAM波形表產(chǎn)生[8]。

2.5 GPRS模塊

GPRS模塊采用MG323，MG323與STM32之間采用AT指令通信，STM32通過(guò)串口將AT指令發(fā)給MG323，MG323將打包的數(shù)據(jù)通過(guò)Internet傳到遠(yuǎn)端的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上。GPRS/GSM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)原理如圖6所示，同時(shí)，還利用GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS通信機(jī)制發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)了與手機(jī)的聯(lián)動(dòng)告警和監(jiān)控。

圖6 GPRS/GSM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)原理

2.6 電子標(biāo)簽

由于測(cè)試點(diǎn)眾多，為了規(guī)范巡檢操作過(guò)程、提高效率和避免差錯(cuò)，采用了具有64位注冊(cè)碼的電子標(biāo)簽iButton DS1990R自動(dòng)識(shí)別測(cè)試點(diǎn)。電子標(biāo)簽接口電路如圖7所示。

圖7 電子標(biāo)簽接口電路

2.7 U盤文件管理系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)以Excel形式存儲(chǔ)在U盤中，本設(shè)計(jì)采用U盤文件管理控制芯片Ch376，用于STM32讀寫U盤中的文件。Ch376的應(yīng)用電路如圖8所示。

圖8 Ch376的應(yīng)用電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖9所示，系統(tǒng)上電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括STM32和FPGA的初始化、TFT彩屏初始化、電量顯示、時(shí)間顯示和串口初始化。數(shù)據(jù)采集及處理包括：電子標(biāo)簽讀取、直流極化電位、正弦波電位信號(hào)、數(shù)據(jù)同步采集、算法和顯示等。參數(shù)設(shè)定包括時(shí)間設(shè)定、電流量程設(shè)定、通信設(shè)置、腐蝕率參數(shù)(如正弦信號(hào)頻率、相位、幅度控制字、B、M、n、ρ)設(shè)定、串口通訊設(shè)定。傳輸方式選擇包括U盤傳輸和GPRS/GSM傳輸。腐蝕曲線顯示是測(cè)試點(diǎn)腐蝕速率與采集時(shí)間的曲線關(guān)系。

圖9 主程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試所用的石油管道內(nèi)的液體樣本是武漢多利達(dá)儀器儀表有限公司提供的，這些液體樣本的掛片腐蝕速度已知。在測(cè)試儀上設(shè)定幅值10 mV的正弦信號(hào)，掃頻范圍10 mHz～100 kHz ，電流量程自動(dòng)，式(13)的參數(shù)設(shè)置為：M=55.845 g，n=2，ρ=7.85 g/cm3。

為了驗(yàn)證該測(cè)試儀測(cè)量電化學(xué)阻抗普的測(cè)量精度，選擇CHI660D電化學(xué)測(cè)量分析儀測(cè)量的結(jié)果作為參考標(biāo)準(zhǔn)。兩種儀器測(cè)量的Nyquist 譜如圖10所示。

從圖10可知，該測(cè)試儀測(cè)得的阻抗譜在整個(gè)測(cè)量頻率范圍沒(méi)有明顯的彌散效應(yīng)，這與該設(shè)計(jì)采用的測(cè)量電極系統(tǒng)等效電路圖基本吻合。阻抗譜在高頻段符合單容抗弧特征，但在低頻段(<1 Hz)出現(xiàn)了少量的離散點(diǎn)，這可能是因?yàn)闈獠顦O化引起的Warburg阻抗或者測(cè)量控制回路耦合了外部低頻干擾影響了研究電極的極化狀態(tài)和參比電極的穩(wěn)定性。兩種儀器所得到的Nyquist 譜基本相同，在低頻段，該測(cè)試儀的測(cè)量效果稍差。兩種測(cè)試儀測(cè)得的阻抗參數(shù)如表1所示。

(a)該儀器

(b)CHI660D圖10 兩種儀器測(cè)量的Nyquist 譜

表1 兩種測(cè)試儀測(cè)得的阻抗參數(shù)

從表1的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)幅值為10 mV、頻率為10 mHz～100 kHz時(shí)，兩種測(cè)試儀測(cè)得的阻抗參數(shù)值相同。

再根據(jù)Stern-Geary關(guān)系式和法拉第定律就可以計(jì)算出腐蝕速率了。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是由SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件和Visual Basic編寫，其界面如圖11所示。

圖11 監(jiān)控系統(tǒng)界面

從監(jiān)控系統(tǒng)的圖形區(qū)可以看出角四轉(zhuǎn)接站腐蝕速度平均為0.033 1 mm/a。這與武漢多利達(dá)儀器儀表有限公司提供的掛片腐蝕速率基本相同。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)還可以預(yù)測(cè)腐蝕趨勢(shì)，為腐蝕防護(hù)措施提供依據(jù)。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的測(cè)試儀結(jié)合電化學(xué)和電子測(cè)量技術(shù)快速準(zhǔn)確地計(jì)算出石油管道內(nèi)壁腐蝕速度。DDS產(chǎn)生的正弦信號(hào)，其頻率精度高、穩(wěn)定性好，雙通道同步采集電路減少了工頻干擾，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)分布式采集點(diǎn)的腐蝕狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與分析，提高了石油儲(chǔ)運(yùn)的安全性。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，兩種測(cè)試儀的測(cè)量結(jié)果一致，而且該儀器成本更低，測(cè)量范圍滿足一般需求。該測(cè)試儀經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整還可用于含油污水、土壤、大氣以及鋼筋混凝土等環(huán)境下的腐蝕監(jiān)測(cè)和緩蝕劑緩蝕效率評(píng)價(jià)。與其他常規(guī)的測(cè)量方法相比，可得到更全面、迅捷的腐蝕與腐蝕控制信息，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Design of Petroleum Pipeline Corrosion Monitor Instrument Based on STM32 and FPGA

ZHANG Wei，ZHOU Feng-xing

(Engineering Research Center of Ministry of Education of Metallurgical Automation and Detection Technology， Wuhan University of Science and Technology ，Wuhan 430081，China)

By means of linear polarization, electrochemical impedance spectroscopy and Faraday's law, an instrument for precisely calculating petroleum pipeline internal corrosion rate based on STM32 and FPGA was designed in this paper. It included a direct digital signal synthesizer, dual channel synchronic high-speed data acquisitions circuit, electronic tags and U disk. The digital correlation algorithm was applied to calculate amplitude and phase of the impedance spectroscopy, and the bi-channel low-pass filters were integrated in circuit to improve the signal to noise ratio and get precisely impedance spectroscopy, while instrument transmitted data to monitoring system by GPRS. Through comparative experiment, the measurement result of this instrument is similar to that of CHI660D, and the corrosion rate measurement range is 1×10-4～50 mm/a.

pipeline corrosion; electrochemical impedance spectroscopy; digital correlation algorithm; potentiostat

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61174106)

2013-11-18 收修改稿日期：2014-11-20

TP216

A

1002-1841(2015)02-0039-04

張偉(1985—)，碩士在讀，主要研究方向：控制科學(xué)與工程。E-mail：jingetiemazw@163．com 周鳳星(1952—)，教授，主要研究方向：信號(hào)處理，故障診斷，計(jì)算機(jī)控制等。E-mail：blackghostpeter@163．com