FSY-3型腐蚀在线监测仪的开发

谈怡君 罗益民 蔡小亮

(南京工业大学电气工程与控制科学学院，南京 211800)

近年来，随着我国经济持续快速发展，生态环境不断恶化，淡水资源也日益紧张。为了实现可持续发展，节约用水成为石油、化工、电力、钢铁及冶金等企业日益关注的课题，由于循环水冷却系统在此方面比直流冷却水系统具有更多优势，因此得到了很多企业的青睐。但是考虑到水在循环冷却水系统循环的过程中，会产生金属腐蚀、微生物滋生及结垢等问题，对企业的安全和可持续生产造成影响[1]，因此必须对循环冷却水系统的腐蚀程度进行监测。目前很多企业中仍然采用换热器监测法或挂片失重法对循环冷却水系统进行腐蚀监测，此类方法虽然能够反映金属累积腐蚀程度，比较适合各种介质腐蚀速度较稳定的体系，但监测周期较长，无法及时获得循环水腐蚀状态波动[2]，不能实现循环冷却水系统的实时监测。为了解决这一问题，笔者开发出循环冷却水腐蚀在线监测仪FSY-3，实现了对循环冷却水中金属腐蚀程度的实时测量。

线性极化法又称为极化电阻法，是一种水体金属腐蚀程度常用监测方法[3]。该方法先将一个用被监测金属材料制成的金属电极，从其自腐蚀电位Ecorr开始极化，极化电位E的电位变化ΔE通常为5～10mV，然后测量流过该金属电极的极化电流密度Δi，再根据ΔE/Δi的比值计算极化电阻Rp：

Rp=(ΔE/Δi)ΔE→0

(1)

2 硬件系统设计

为降低FSY-3型腐蚀在线监测仪的生产成本，笔者以C8051F021微处理器作为中央处理器(CPU)，将12位模数转换芯片AD7091用于A/D转换，该芯片具有精度高及速度快等特点，为提高在线监测仪的抗干扰功能，选用了各种高性能的电子开关、通信芯片、存储芯片。为兼容200V，50Hz现场电源，FSY-3型腐蚀在线监测仪采用了变压器内置的设计方案。具体原理框图如图1所示。

在设定时间到达的情况下，FSY-3型腐蚀在线监测仪可以定时自动采集腐蚀信号，并经放大、A/D变换后送入C8051F021单片机，经C8051F021运算后进行存储和显示，并经串口输出到计算机。

3 系统软件

3.1 仪器软件组成

在仪器第一次上电时，监测仪软件首先对微处理器的串行端口、中断系统、各I/O口进行初始化，然后进入腐蚀测量流程：

a. 对TA(上电、重新开始稳定时间)、TB(测量间隔时间)、TC(9.5mV和-9.5mV极化的间隔时间)、TD(腐蚀率上限值)各参数进行设定；

b. 监测输入信号，如键盘(用户的键盘命令)、串口(微机通信)和模数转换器(极化电位给定)；

c. 进行极化电阻和各腐蚀参数的计算，并将计算结果保存到铁电RAM中，绘制出腐蚀率-时间曲线；

d. 将腐蚀参数通过RS485接口上传至计算机。腐蚀测量流程如图2所示。

图1 FSY-3型腐蚀在线监测仪原理框图

图2 腐蚀测量流程

3.2 模拟量采集和滤波算法

考虑到工业现场往往存在各种各样的电磁干扰，导致模拟量采集存在较大漂移，为了尽可能地减少漂移，FSY-3型腐蚀在线监测仪中在电压模拟量采集时利用滤波算法对所采集数据进行了处理。算法主要包括两步。

首先根据误差理论与数据处理理论，利用Grubbs准则[4]删除采集中出现的奇异值，设采样值xi服从正态分布，则采样值的数学期望μ和均方差σ为：

(2)

(3)

然后，在删除了奇异值的基础上，利用中值滤波算法对余下的采样值进行处理，即求取除最大值、最小值以外的其余数据的算术平均值。

3.3 通信设计

仪表提供一个标准RS485接口，利用目前在工业领域广泛使用的MODBUS协议，实现与计算机、PLC及DCS等系统相接。考虑到国产组态王软件在我国使用有一定的比例，仪表软件设计上也兼容了组态王软件，方便与其他系统通信。

3.4 自动控制缓蚀剂投加量

仪器有一路4～20mA电流输出，将其接到加药计量泵的控制输入端，当腐蚀率增大时，对应的4～20mA输出信号成正比的增大，导致计量泵的加药量增加，反之亦然。为了适应现场特殊要求，仪器设计了可供用户修改的比例控制输出(表1)，表中加药泵的输出可以由用户修改，以满足现场实际加药需要。

表1 加药比例控制输出

4 监测试验

4.1 试验一

图3为两台FSY-3型腐蚀在线监测仪对南京自来水样的监测结果，选用20#钢电极，每4min测量一次，共测400min，截取前100min的监测曲线。测量结果表明两台仪器所反映的水样的腐蚀趋势是一致的，证实测量结果比较准确。

图3 试验一监测曲线

4.2 试验二

在某石化公司，利用现场循环水为试验用水，进行挂片失重法和FSY-3腐蚀在线监测仪进行腐蚀测量对比实验。表2为2013年利用碳钢试片和不锈钢试片进行挂片腐蚀试验的数据。

表2 现场挂片试验腐蚀数据

(续表2)

在进行挂片腐蚀试验的同时，利用两台FSY-3腐蚀在线监测仪分别安装碳钢探头和不锈钢探头进行测量，图4为挂片腐蚀试验数据与腐蚀监测仪监测数据对比曲线。

a. 碳钢挂片

b. 不锈钢挂片

从试验结果看，FSY-3型腐蚀在线监测仪的测量结果与挂片失重法的结果基本吻合。而采用笔者所设计的在线监测仪可以得到很多传统监测方法得不到的数据，由所得数据不仅能够得到一段时间内的平均腐蚀率，也能够得到循环冷却水系统动态瞬时腐蚀速度以及其他参数变化的相关情况。

5 结束语

笔者针对传统腐蚀监测存在的测量周期长等问题，选择电化学方法，采用电路板四层制作工艺和高精度、高可靠性电子元器件，设计的FSY-3型腐蚀在线监测仪，可以实现腐蚀速度监测，具有监测速度快，灵敏度高及体积小等特点。目前已成功应用于许多工业循环水监测现场，运行情况良好，监测准确。并将4～20mA的腐蚀变送信号传输到控制系统，实现自动加药，达到对循环冷却水系统水质自动控制的目的。

[1] 周本省.工业水处理技术[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[2] 郑立群，左晋，荀伟，等.腐蚀监测技术在工业循环水中的应用[J].工业水处理，2000，20(4)：38～40.

[3] 周本省，杨文忠.冷却水系统中腐蚀和水质的现场监测[J].化学清洗，1997，13(2)：34～38.

[4] 费业泰.误差理论与数据处理[M].北京：机械工业出版社，1987.

[5] 杨书仪，陈立锋.基于PLC的模拟信号数字滤波方法的研究[J].机床与液压，2005，(8)：172～173.