段汝嬌何仁洋張中放孫 明祁永剛周衛(wèi)軍馬孝亮錢昕磊張 瑤

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 巴州 841000）

油氣管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

段汝嬌1何仁洋1張中放2孫 明1祁永剛1周衛(wèi)軍2馬孝亮2錢昕磊2張 瑤2

（1.中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

（2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司 巴州 841000）

目前，對于管道內(nèi)部腐蝕的在線監(jiān)測，最先進的商用系統(tǒng)是基于FSM（Field Signature Method）開發(fā)的，可以實現(xiàn)不需要在管道打洞，非破壞式的監(jiān)測。但是現(xiàn)有設(shè)備通常采用直流電流源激勵，存在信噪比低，易引起電火花，電纜較粗等諸多缺點。針對上述問題，本文采用交流激勵電流源和鎖相放大技術(shù)進行設(shè)計開發(fā)，對采集的微弱電壓信號先進行前置放大，在達到足夠的電平等級后，再推動鎖相放大器進行鎖相放大，去除所有不同頻率的干擾。實驗表明，本文所述的設(shè)計在信噪比、精度和穩(wěn)定性上滿足項目要求，可以很好地避免現(xiàn)有的基于直流激勵技術(shù)的FSM設(shè)備所存在的問題。

FSM 鎖相放大 腐蝕監(jiān)測 微弱信號

管道運輸作為油氣輸送的最主要方式，極大節(jié)省了輸送成本、提高了輸送效率和安全性[1-2]。然而，油氣管道輸送介質(zhì)中的腐蝕物質(zhì)會對管道內(nèi)壁造成極大的腐蝕威脅，對管道內(nèi)壁的腐蝕監(jiān)測對保障管道的安全運營有重大意義[3]。

目前，市場上最先進的商用系統(tǒng)基于FSM技術(shù)，可實現(xiàn)管道的內(nèi)部腐蝕外部監(jiān)測。在這類系統(tǒng)中，信號的激勵和接收電路是關(guān)鍵部分，決定著監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。目前所有系統(tǒng)的激勵電源均采用直流電流源，需要提供數(shù)十安培至上百安培的激勵電源，系統(tǒng)信號容易受到如1/f噪聲、溫度漂移、接觸電阻等因素的影響，導致信噪比較低，且容易引起火花，造成電源線纜較粗，存在諸多隱患[4]。

針對上述缺點，本文采用交流激勵和鎖相放大技術(shù)對系統(tǒng)硬件電路進行重新設(shè)計，實驗證明采用該方法可以克服上述問題，去除各種干擾的影響，提高信噪比。

1 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

FSM技術(shù)的原理如圖1所示，在管段被監(jiān)測區(qū)域安裝螺柱探針矩陣，區(qū)域兩側(cè)加載恒定電流。當有腐蝕發(fā)生時，管壁電場分布會隨之變化，通過分析管道外壁采集到探針矩陣的電壓信號，來判斷管道內(nèi)壁腐蝕缺陷的類型及程度，以達到監(jiān)測管道內(nèi)腐蝕的目的。

圖1 FSM原理示意圖

由于腐蝕的發(fā)生是一個比較緩慢的過程，因此需要一個比較精細的數(shù)據(jù)處理方法，在工程上，一般用Fc值來判斷管道腐蝕的程度。Fc值的定義：壁厚減薄量與當前壁厚的千分比， 其定義公式如下所示：

本文根據(jù)上述原理，設(shè)計了基于FSM技術(shù)的內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)主要分為如圖2所示三個部分：電阻矩陣網(wǎng)絡(luò)及信號預處理電路、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集箱以及安裝于PC機上的數(shù)據(jù)處理與分析軟件。

圖2 內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

螺柱探針矩陣安裝于管道被監(jiān)測部位，信號預處理盒就近放置于管道附近，應具有良好的密封性能。螺柱探針矩陣采集的電信號先經(jīng)信號預處理盒進行前置放大。放大后的信號送往數(shù)據(jù)采集箱進行鎖相放大，去除噪聲并提取有用信號。FSM數(shù)據(jù)采集箱可以完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢測參數(shù)的設(shè)置等功能，它與上位機通過以太網(wǎng)接口進行通信。

安裝于上位機的數(shù)據(jù)處理與分析軟件既可以對實時采集的數(shù)據(jù)進行處理和分析，也能對歷史數(shù)據(jù)進行回放和分析，以判斷管道的腐蝕現(xiàn)狀及趨勢，作為決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 前置放大電路設(shè)計

前置放大電路位于信號預處理盒中，放置在管道附近的地下，前置放大電路在管道附近將微弱的電壓信號進行前置放大，包括差分放大以及低噪聲放大。信號在放大到足夠的電平等級后輸出至數(shù)據(jù)采集箱，以推動鎖相放大器進行鎖相放大。

前置放大電路如圖3所示，其核心是一片差分放大芯片以及一片低噪聲放大器。

圖3 前置放大電路

差分放大器采用的是AD524，美國模擬器件公司的集成儀表放大器，針對要求在最差工作條件下提供高精度的數(shù)據(jù)采集應用而設(shè)計。它的主要特點是高線性度、高共模抑制比（CMRR）、低失調(diào)電壓、低漂移及低噪聲，適合于小信號測量的前置放大；它具有引腳可編程功能，可以通過引腳編程設(shè)定增益值，其范圍為1~1000倍。

低噪放大器AD708是一款超低失調(diào)電壓、雙通道、單芯片運算放大器。每個放大器均獨立提供出色的直流精度，并且最大失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移在所有雙通道雙極性運算放大器中最佳。此外，其匹配特性也是所有雙通道運算放大器中最佳。

2.2 鎖相放大電路設(shè)計

●2.2.1 鎖相放大原理

鎖相放大電路是數(shù)據(jù)采集板的核心，其功能是實現(xiàn)對被測信號的鎖相放大和解調(diào)。鎖相放大器的輸入有兩部分：一部分是參考信號，來自于正弦信號發(fā)生電路，通過信號變壓器隔離后輸入到鎖相放大器的參考輸入端；另一部分來自被測信號，即螺柱探針矩陣的采樣電壓信號[5-6]。鎖相放大的原理可以用圖4來描述：

圖4 鎖相放大原理

由于鎖相放大電路只放大與參考信號同頻率的信號（在同相位時輸出幅度最大），因此，所有與參考信號不同頻的干擾及噪聲都可以得到有效抑制，因此大大提高了信噪比。

●2.2.2 鎖相放大電路設(shè)計

鎖相放大電路核心芯片采用AD630，它利用電子開關(guān)的方式對被測信號和參考信號進行乘積，從而選擇性地放大與參考信號同頻率的信號，而去除不同頻率的干擾，如圖5所示。

圖5 鎖相放大電路設(shè)計

AD630中有兩個相同增益的同向放大器和反向放大器，放大倍數(shù)為1或者2，可實現(xiàn)對信號的正向及反向放大，輸出的信號可看作是輸入的有用信號和載波進行乘積運算之后的波形。然后通過低通濾波器，從而實現(xiàn)了微弱信號從高幅值噪聲中分離出來的功能，其中分離的條件是，信號必須是與參考信號同頻率的信號。

調(diào)制后的信號只要使用一般的解調(diào)就可以恢復出信號，但是通過使用同頻參考信號進行同步解調(diào)的方式能將噪聲更徹底地抑制，從而將信號輸出信噪比提高。調(diào)制技術(shù)通常情況下只能消除來自測量儀器內(nèi)部的失調(diào)與部分干擾，這種方法對于外部干擾并不能很好地予以解決。只要待測信號源與參考信號源同頻，就可以通過信號的鎖相放大技術(shù)檢測，即鎖相放大器不但能很好的解決來自檢測系統(tǒng)外部的干擾，也可同時消除來自儀器內(nèi)部的噪聲。如果采用不同于雜散電流頻率的交流激勵信號，然后采用鎖相放大技術(shù)，可以去除所有不同頻率的交流干擾和直流干擾，并可以去除溫度漂移。

鎖相放大器的輸出是一個直流信號，因此可以直接對該直流信號進行AD采樣，從而達到對被測矩陣電極之間電壓監(jiān)控的目的。

2.3 激勵電流源電路設(shè)計

由于鎖相放大電路中，參考信號的幅值和頻率是固定的，因此鎖相放大的輸出信號只與被測信號的幅值以及被測信號與參考信號之間的相位差有關(guān)。而被測信號和參考信號之間的相位差可以通過移相電路調(diào)整到同相位，此時，鎖相放大器的輸出只與被測信號的幅值有關(guān)。

因此，對于鎖相放大電路來說，幅值的穩(wěn)定性要比頻率的穩(wěn)定性和波形的穩(wěn)定性要更為重要，因此產(chǎn)生一個穩(wěn)定的正弦電流源也顯得相當關(guān)鍵。為得到一個穩(wěn)定的正弦電流源，本項目中采用文氏橋電路產(chǎn)生正弦波信號，并通過RMS-DC轉(zhuǎn)換芯片來監(jiān)測輸出波形的有效值，并反饋到波形發(fā)生電路中進行自動幅值控制。

圖6 正弦波激勵信號

本項目采用美國ADI公司的RMS-DC轉(zhuǎn)換芯片AD637來進行輸出波形的有效值監(jiān)測，如圖6所示。由于其元件的集成度比較高，所以可有效克服小信號帶來的誤差。其最小輸入信號可以達到0.5mV，測量誤差小，紋波系數(shù)可以小于±1% ，滿足一般的高精度交直流轉(zhuǎn)換。AD637是ADI公司RMS-DC產(chǎn)品中帶寬最寬、精度最高的交直流轉(zhuǎn)換電路，對于1VRMS的信號，它的3dB帶寬為8MHz，并可對輸入信號的電平以dB的形式指示。數(shù)據(jù)表明，在電源為正負5V的供電情況下，當輸入信號的頻率不大于2MHz時，其輸入信號的電壓有效值在0.7V～4V范圍內(nèi)能保證測量精度 。

除上述電路之外，信號采集板上還設(shè)計了電壓-電流（V-I）轉(zhuǎn)換電路，將精確的正弦信號電壓轉(zhuǎn)換為正弦電流信號，以驅(qū)動整個電阻矩陣網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。AD746是一個雙通道運算放大器，具有較好地直流特性、較好地建立時間、高壓擺率及充裕的帶寬。此外，AD746還提供了共用同一芯片的放大器本身所具有的高度匹配交流和直流特性。

圖7 電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

AD746可實行內(nèi)部補償，可作為單位增益反相器，也可作為增益為2以上（包括2）的同相放大器穩(wěn)定工作，其按性能分為四級。AD746的額定溫度范圍為0℃至+70℃的商用溫度范圍。

3 實驗研究

3.1 電路分析實驗研究

在系統(tǒng)電路中，交流激勵電流在經(jīng)過鎖相放大后的輸出為一個直流信號，此直流信號反映了加載于被測管段電極矩陣電壓的峰峰值，應為一條直線，因此該信號在示波器上的輸出顯示可以反映出整個電路的精確程度。

將前置放大后的信號和鎖相放大后的信號分別作為兩個輸入端，接入示波器的通道1和通道2，示波器上的顯示應為一條平滑的正弦波曲線和一條直線。

實際實驗結(jié)果如圖8所示，從圖8可以看出，輸入的正弦波波形基本光滑，鎖相放大后的信號波形也為一條直線，符合實驗的預期。

圖8 實驗結(jié)果

3.2 缺陷板實驗研究

●3.2.1 缺陷板設(shè)計

為驗證本設(shè)備監(jiān)測效果的有效性，設(shè)計了如圖9所示的缺陷板，加工了六種不同尺寸深度的矩形缺陷，具體參數(shù)見表1。

圖9 帶矩形缺陷樣板實物圖

表1 六種不同尺寸的矩形缺陷參數(shù)

該組6個缺陷面積均為4.8cm2且均為矩形。選擇2種不同的長寬比與3種不同缺陷深度對應，基本符合正交試驗設(shè)計思想。

●3.2.2 實驗驗證

由于缺陷實驗板加工的比較早，采用的是12×5的電極矩陣，而設(shè)計的設(shè)備為通用的8×8電極矩陣，因此只用到了缺陷板上的部分缺陷，但是可以達到同樣驗證效果。缺陷實驗板的電路連接圖如圖10所示。

圖10 矩形板的試驗連接方法

將實驗采集的數(shù)據(jù)導入對應開發(fā)的FSM數(shù)據(jù)處理與分析軟件中，其Fc的三維圖像如圖11所示，可以直觀的反映缺陷的情況。

圖11 Fc值三維圖像

右圖11可得出以下結(jié)論：有缺陷的地方，F(xiàn)c值明顯高于其他地方，這說明缺陷越深，F(xiàn)c值越大，且有缺陷的地方會影響其周邊電極對的Fc值，離缺陷越近，F(xiàn)c值越高。

4 結(jié)論

本文對基于FSM的管道內(nèi)腐蝕外監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路進行了分析，針對現(xiàn)有系統(tǒng)直流輸入存在的多種問題，設(shè)計了基于鎖相放大技術(shù)的交流激勵系統(tǒng)，避免了直流激勵系統(tǒng)引起的大輸入電流，易發(fā)熱等缺點，同時，鎖相放大電路不但消除了系統(tǒng)的外部干擾，也消除了內(nèi)部噪聲，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。最后，實驗結(jié)果與理論相一致，證明了系統(tǒng)的可行性。

[1] 羅鵬，張一玲，蔡陪陪，等．長輸天然氣管道內(nèi)腐蝕事故調(diào)查分析與對策[J]．全面腐蝕控制，2010，24(6)：16-21.

[2] 楊飛，周永峰，胡科峰，等．腐蝕防護監(jiān)測檢測技術(shù)研究的進展[J]．全面腐蝕控制，2009，23(11)：46-51.

[3] 段汝嬌，何仁洋，楊永，等．管道非破壞腐蝕監(jiān)測新技術(shù)研究進展[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2014(6)：18-20.

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[5] 李方方．微弱信號檢測與采集技術(shù)的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[6] 陳水平，郭靜波，胡鐵華．鐵磁管道環(huán)境下極低頻微弱磁場的分布及檢測[J]．儀器儀表學報，2011，32(10)：2348-2356.

Hardware Circuit Design of External Monitor System of the Inner Corrosion for Oil and Gas Pipeline

Duan Rujiao1He Renyang1Zhang Zhongfang2Sun Ming1Qi Yonggang1Zhou Weijun2Ma Xiaoliang2Qian Xinlei2Zhang Yao2
（1.China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）
（2.China National Petroleum Corporation Tarim Oil Field Company Bazhou 841000）

Presently, for the pipeline internal corrosion monitoring, the most advanced commercial systems was developed based on field signature method(FSM), can achieve nondestructive monitoring without punch holes in pipeline. However, the existing equipment usually use direct current stimulus, have many disadvantages, such as low signal-to-noise ratio, easy cause spark and cable coarser. Aiming at these problems, in this paper, ac excitation and lock-in amplifier were adopts to design the system circuit, firstly, preamplifier the weak voltage signal to achieve the electrical level grades of phase-locked loop, then using lock-in amplifier to remove all the other interference with different frequency. Experiments show that the design in this paper meet the project requirements on the accuracy and stability, and avoid the existing problems.

FSM Lock-in amplifier Corrosion monitoring Weak signal

X933.4

B

1673-257X(2016)11-0018-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.11.005

段汝嬌(1984～)，女,博士，工程師，主要從事管道內(nèi)部腐蝕監(jiān)測工作。

2016-05-09）