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专利名称：高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪的制作方法
技术领域：
本实用新型专利涉及天然气管道腐蚀监测技术领域，特别涉及一 种基于温度补偿的高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪。是一种采 用交流恒流源进行激励，完成温度自动补偿的高压天然气管道电阻法 在线腐蚀监测仪。
技术背景随着我国大型油气田的开发，特别是高压含硫、含二氧化碳天然 气的陆续开釆，对气田的安全性提出了更高的要求。腐蚀监检测作为 腐蚀防护的一项基础工作越来越得到了大型油气田生产企业的关注和 重视。而电阻探针腐蚀监测技术是通过测量金属元件在工艺介质中腐 蚀过程的电阻值的变化，计算金属在工艺介质中的腐蚀速度在线监测， 由于电阻探针腐蚀监测技术适用于包括气相、液相、固相和流动颗粒 等气田介质工作环境和测量迅速，能及时反映出设备管道的腐蚀情况， 使设备管道的腐油气管线进行实时、连续、网络化远程监测，预报管 线或设备腐蚀蚀始终处于监控状态的特点，有别于其它腐蚀监测的优 势，常被用来对程度，评估油气管道腐蚀损坏程度和管道预期寿命。目前，国内外电阻法监测一般均是在低压系统中进行，即压力〈3MPa，而且工作区的温度基本恒定，因此对温差电势和接触电势均不 敏感，而高压输气管道是一个高压系统，即压力〉6.4MPa，监测的天然 气从井口流动到站内的过程中受环境和地面温度变化的影响大，对防 爆安全性、野外环境和测试数据准确性等要求更高。美国专利 5， 446， 369(1995， Byrne ， et al.)和美国专利6， 556， 027 (2003， Banks) 都是关于电阻探针腐蚀检测仪器。但二者均没有指出温度对测量结果的影响，也没有采用自动温度补偿技术，根据上述技术形成几种商品 在线电阻腐蚀监测仪在气田腐蚀监测中应用结果表明其测量结果的 重现性和设备的稳定性均没有解决，其原因在于电阻探针内部的接触 电势带来的温差效应极大地干扰了腐蚀监测结果，完全依靠内置的参 考电阻进行温度效应的补偿，难以保证天然气高压管线和输油管道的 腐蚀监测准确性。同时国际上的磁阻腐蚀监测系统，也存在监测结果 受温度影响的不足。 实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种高压天然气管道电阻法在线腐 蚀监测仪，利用温度补偿的电阻法在线腐蚀监测仪的开发和消除电阻 探针线路中异种金属之间的接界电势、温差电势，以及焊接效应所导 致的测量误差，通过交变电流电路补偿解决由于环境温度变化所致的 测量电阻误差，提高腐蚀速率的测量精度。本实用新型采用的技术方案是高压天然气管道电阻法在线腐蚀 监测仪，主要包括电阻探头、交变恒流源、放大器、转换器、单片机、 实时时钟、数据存储器、锂电池、稳压器和接口。其特征在于在仪 器壳体内有单片机，单片机分别连接有实时时钟、数据存储器、接口 和稳压器，稳压器连接有锂电池。单片机分别连接两个转换器，两个 转换器分别连接有放大器。两个放大器有导线分别连接电阻探头。电 阻探头上连接有交变恒流源。采用高精度TPS71010芯片作为交变恒流源，3.6V锂电池为监测仪供电；采用两片PGA203可编程放大器对被测电阻Rxl5和参考电阻Rrl4 的端电压(〈10mV)进行前置放大；然后经AD7703 16bit 2-A A/D转换 器进行同时采样，其分辨率可达到lpV;采用高速低功耗MCU单片机进 行数据采集和计算，由Flash数据存储器储存数据，并通告隔离型RS485 接口将数据传送到上位机中；该腐蚀监测装置采用DS1305实时时钟，能自动定时(1 24小时)唤醒，并采用可控的稳压器来最大限度延长锂 电池使用寿命。所述的电阻探头主要由线缆插口、密封丝扣和探头壳体组成。在密 封丝扣的上部连接有线缆插口，密封丝扣下部连接有绝缘材料制成的探头壳体。在探头壳体内有6根导线和一个参考电阻Rr，参考电阻Rr 两端分别连接导线A和D，然后连接到交变恒流源。在探头壳体的下部 有被测电阻Rx，被测电阻Rx两端分别连接导线中的B和E、 C和F等 四根，然后连接到放大器。 交变电流温度补偿原理本实用新型提出了一种新的基于交变波形的测量方法，即采用交 流信号作外激励信号进行测量，通过测量电流在不同相位角的电阻探 针各节点的电势差的比值，来补偿节点温差电势的漂移，由于节点电 势与化学电源一样，其电势差是有方向的，因此通过改变激励恒流源 的电流方向，可以对节点电势〖进行完全补偿。当激励电流方向与净的节点电势方向相同时，则测量回路的总电势从而将节点电势f完全补偿掉。本实用新型的有益效果本实用新型高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪，将普通电阻/磁阻探头的测量精度提高5 8倍，提高了设备腐蚀速率的测量精度，采用高速低功耗单片机作为数据采集、计算和存储单元，达到快速、准确测量天然气管线腐蚀速率的目的。本专利与现有电阻法在线腐蚀监测装置相比，具有以下明显的优点和特 占.、、、 ■1、高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪采用高性能低功耗 80C51F系列单片机和精密交流恒流源进行激励，内置恒电流电路，能精密控制电流在0 1A范围内，恒流源产生的交变电流信号通过运算放大器使加到探头上，同时设备内部的两路16bit高精度A/D转换器 以及高增益仪表放大器完成电阻探针上的微弱电压信号的测量，通过 改变电流方向，进行温差电势的自动补偿，并根据测量电压信号的比 值，换算为敏感元件的腐蚀剩余量和腐蚀速率，电阻腐蚀监测仪芯片 定时唤醒、A/D数据采集与分析、大容量电池供电系统、通讯协议优化 及数据图形的算法优化均由软件予以优化，响应速度快、能连续测试、 灵敏度高。2、 电阻腐蚀监测设备采用交变恒流电源和AV电桥方式进行高精 度电阻测量，提出了影响腐蚀速率测量精度的主要原因不是来自仪器 内部的数据转换精度以及内部电路噪声，而是来自传感器中异种金属 接界电势差，该电势差为温度的线性函数。3、 提出了传感器测量误差存在的原因以及解决办法，测量了电阻 探针的温度系数，以及由于接界电势差所造成温漂问题，提出采用交 变恒流电源(换向电流法)进行接界电势差补偿方法，从硬件和软件两 方面提高了传统电阻探针腐蚀监测的测量精度。4、 本专利中的电阻腐蚀监测装置与失重挂片法相比，其响应快， 能连续测试。能有效监测腐蚀变化的细微趋势，可靠性高，数据重现 性好。


图l.是高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪的电路设计框图。 图2电阻探头结构示意图。图3在直流、交变测量中A,(/)随温度的变化曲线图中，1.电阻探头，2.交变恒流源，3.放大器，4.转换器，5.单 片机，6.实时时钟，7.数据存储器，8.锂电池，9.稳压器，IO.接口， ll.线缆插口， 12.密封丝扣，13.探头壳体，14.参考电阻Rr， 15.被测电阻Rx。
具体实施方式
实施例1:参阅图1。本实用新型高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪，主要包括电阻探头l、交变恒流源2、放大器3、转换器4、单片机5、实 时时钟6、数据存储器7、锂电池8、稳压器9和接口 10。在仪器壳体内有一个单片机5，单片机5采用告诉低功耗80C51F 型MCU单片机5。单片机5分别连接有一个实时时钟6、 一个数据存储 器7、 一个接口 10和一个稳压器9，稳压器9连接有锂电池8。实时时 钟6采用的是DS1305实时时钟6。数据存储器7采用的是Flash数据 存储器7。接口 10是通告隔离型RS485接口 10。锂电池8采用的是3.6V 锂电池。单片机5还分别连接有两个转换器4，两个转换器4分别连接有放 大器3。两个放大器3有导线分别连接电阻探头1。电阻探头l上连接 有交变恒流源2。交变恒流源2采用高精度TPS71010芯片。放大器3 釆用两片PGA203可编程放大器3。转换器4是两个AD7703的16bit 2-A A/D转换器4。参阅图2。电阻探头l主要由线缆插口 11、密封丝扣12和探头壳 体13组成。安装时密封丝扣12固定在高压天然气管线上。在密封丝 扣12的上部连接有线缆插口 11，密封丝扣12下部连接有绝缘材料树 脂制成的探头壳体13。在探头壳体13内有6根导线和一个参考电阻 Rrl4，参考电阻Rrl4两端分别连接导线A和D，然后连接到交变恒流 源2。在探头壳体13的下部有被测电阻Rxl5，被测电阻Rxl5两端分 别连接导线中的B和E、 C和F等四根，然后连接到放大器3。电阻探头1内的参考电阻Rrl4和被测电阻Rxl5的电阻值较小， 一般在10mQ以下，因此大电流交流恒流源2进行信号激励，同时采用双路高精度的前端差分(仪表)信号放大器和数据变送器，测量仪器使用大容量锂电池8和高精度交变恒压源2，高速MCU处理单元5则采用掉电模式代替睡眠模式，保证定时测量的进行。本设计中采用了实时时钟6，以记录准确的实时时间，并定时唤醒单片机5 (MCU)，恢复 测量工作。对于模数转换器4，选用双路16bit2-A转换器A/D转换器 3高采样精度，计算结果保存在非遗失性flash存储器7中。本设备具 有一个隔离的RS485串口接口 10，负责设备与远程计算机间的通讯。参阅图2。电阻探头1的关键部分实际上就是一根金属丝，金属丝 的一部分密封在树脂或玻璃陶瓷内，与外界环境隔离，作参考电阻 Rrl4，另外一部分作为腐蚀监测被测电阻Rxl5直接暴露在腐蚀环境中， 作为测量元件，二者处于同一温度环境中。电阻腐蚀检测仪与电阻探 头1之间通过六芯屏蔽电缆线连接，电阻探头1 一端由NPT密封丝扣 12与被测管线固定连接，保证测试状态的稳定和高压下的密封安全， 电阻探头1另一端是被测电阻Rxl5。被测电阻Rxl5直接与被测试的腐 蚀环境接触。图3中描述了温度变化对精密电阻测量结果的影响，可见采样传 统方法，温度的变化对电阻测量影响很大，曲线描述了正向Ubd(a-f) 和反向IL(f-a)随温度变化的线性拟合，以及正、反向电势之比值随温 度变化的线性拟合曲线。借助本专利中实现交变电流方法，通过电流 的换向测量来补偿节点温差电势的漂移。由于正、反向测量的电阻比 值A,W温度系数是相反的，因此正、反向测量结果的绝对值和理论上 不随温度而变化，从而达到了补偿节点电势的目的，实现对温差电势 的自动补偿。采用本专利方法后由温度引起的测量偏差仅为传统方法 的1/8，交变电流测量可以消除接界电势，降低由温度波动引起的接触 电势变化，提高了腐蚀速率测量精度。
权利要求1、一种高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪，主要包括电阻探头(1)、交变恒流源(2)、放大器(3)、转换器(4)、单片机(5)、实时时钟(6)、数据存储器(7)、锂电池(8)、稳压器(9)和接口(10)，其特征在于在仪器壳体内有单片机(5)，单片机(5)分别连接有实时时钟(6)、数据存储器(7)、接口(10)和稳压器(9)，稳压器(9)连接有锂电池(8)，单片机(5)分别连接两个转换器(4)，两个转换器(4)分别连接有放大器(3)，两个放大器(3)有导线分别连接电阻探头(1)，电阻探头(1)上连接有交变恒流源(2)。
2、 根据权利要求1所述的高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪， 其特征是所述的交变恒流源(2)采用高精度TPS71010芯片；锂电池 (8)为3.6V;所述的放大器(3)采用两片PGA203可编程放大器(3);所 述的转换器(4)是AD7703 16bitS-AA/D转换器(4);所述的单片机(5) 采用高速低功耗80C51F型MCU单片机(5);所述的数据存储器(7)是 Flash数据存储器(7);所述的接口 (10)是通告隔离型RS485接口 (10); 实时时钟(6)采用的是DS1305实时时钟(6)。
3、 根据权利要求1所述的高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪， 其特征是所述的电阻探头(l)主要由线缆插口(ll)、密封丝扣(12)和 探头壳体(13)组成，在密封丝扣(12)的上部连接有线缆插口(11)，密 封丝扣(12)下部连接有绝缘材料制成的探头壳体(13)，在探头壳体(13) 内有六根导线和一个参考电阻Rr(14)，参考电阻Rr(14)两端分别连接 导线A和导线D，然后连接到交变恒流源(2)，在探头壳体(13)的下部 有被测电阻Rx (15)，被测电阻Rx (15)两端分别连接六根导线中的导线 B和导线E、导线C和导线F，然后连接到放大器(3)。
专利摘要高压天然气管道电阻法在线腐蚀监测仪，应用于天然气管道温度补偿在线腐蚀监测。特征是在仪器壳体内有单片机，单片机分别连接有实时时钟、数据存储器、接口和稳压器，稳压器连接有锂电池。单片机分别连接两个转换器，两个转换器分别连接有放大器。两个放大器有导线分别连接电阻探头。电阻探头上连接有交变恒流源。效果是采用交流信号作为激励信号进行测量，通过测量电流在不同相位下探针各节点的电势差的比值，补偿节点温差电势的漂移。通过改变激励恒流源的电流方向，对节点电势进行完全补偿。在高压天然气管线的腐蚀监测中简化了测试过程，测量精度提高了5～8倍，现场条件下实用性和适应性较强。
文档编号G01N27/04GK201218804SQ20082010863
公开日2009年4月8日 申请日期2008年6月4日 优先权日2008年6月4日
发明者锐 刘, 李明星, 李琼玮, 杨全安, 程碧海, 董晓焕, 董泽华 申请人:中国石油天然气股份有限公司