基于STM32和FPGA的石油管道腐蚀测试仪

张 伟，周凤星

(武汉科技大学，冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北武汉 430081)



基于STM32和FPGA的石油管道腐蚀测试仪

张 伟，周凤星

(武汉科技大学，冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北武汉 430081)

采用线性极化、电化学阻抗谱和法拉第定律相结合的方法，利用FPGA、STM32、DDS信号发生器、恒电位仪、三电极系统，设计了一种包括双通道同步高速采集电路、电子标签和U盘的准确计算石油管道内壁腐蚀速度的仪器，系统采用数字相关积分算法来计算阻抗谱的幅值和相位，电路中双通道低通滤波器提高了系统的信噪比，实现了高精度阻抗测试。测试仪通过GPRS实现与远端监控系统实时数据传输。通过对比试验，该仪器与CHI660D的测量结果基本一致，腐蚀速度测量范围为1×10-4～50 mm/a。

管道腐蚀；电化学阻抗谱；数字相关算法；恒电位仪

0 引言

随着我国经济的快速发展，油气管道建设不断推进。石油输送主要采用钢制管道，而石油中常含有S、O2和H2O，这些物质构成了酸性环境，会与金属管道内壁发生电化学反应，对输油管道内壁造成腐蚀，因腐蚀造成的穿孔给石化行业的安全生产、储运带来了巨大的挑战[1]。因此，需要腐蚀监测技术来有效指导防腐工作。目前国内外用于石油管道腐蚀监测的技术主要有：挂片监测、电阻/电感监测、壁厚监测和电化学站等。以上监测技术存在的主要问题是：响应速度慢、设备体积大，精度低，重现性差，数据传输不便。而石油管道大多铺设在野外无人区，为了全面监测管道内壁腐蚀状况及评价防腐蚀措施的效果，急需野外监测设备，为此，针对这一事实结合电化学与电子技术，设计了一种便携式石油管道内壁腐蚀快速测试仪。

1 电化学腐蚀理论

电化学腐蚀理论中的线性极化和电化学阻抗谱技术可以快速准确地测定电极的腐蚀速率和腐蚀电流密度等信息。由线性极化技术可以计算出腐蚀电流密度和极化电阻的关系，再采用电化学阻抗谱技术计算出溶液的介质电阻，从稳态测量求出的极化电阻减去介质电阻获得腐蚀电极的实际极化电阻，再根据斯特恩公式估算出腐蚀电流密度。最后通过法拉第定律计算出腐蚀速度。

1.1 线性极化技术

线性极化测量技术的理论基础是斯特恩-盖里(Stern-Geary)关系式，采用此公式来估算腐蚀电流密度icorr，即：

icorr=B/RP

(1)

式中：B为Stern-Geary 系数，一般B取为26 mV，也可由用户自己设置；RP为极化电阻；icorr为腐蚀电流密度[2-3]。

1.2 电化学阻抗谱(EIS)技术

1.2.1 电化学阻抗谱测量原理

电化学阻抗谱是用小幅值正弦波电位信号叠加在直流极化电位上，通过恒电位仪施加于被测电极系统，同步测量极化电位以及响应电流，通过相关积分算法计算出被测电极的复数阻抗Z，进而绘制出被测电极系统的Nyquist 图[4]。在腐蚀过程中，电极系统等效电路图如图1 所示[2]。

图1 电极系统等效电路图

图1中，Rs为电极系统的溶液电阻，Rp为极化电阻，C为双电层电容。电路中AB两端的等效阻抗Z为

(2)

式中ω为正弦波扫描信号的角频率。

联立Z的实部Zre和虚部Zim消去ω得到一个圆的方程式：

(3)

根据式(3)绘制Nyquist 图如图2所示。

图2 阻抗的Nyquist图

由Nyquist 图可以得到溶液电阻RS，即OA的距离，同时由AB距离可以得到RP，而ωRPC= 1时，Zre=RS+RP/2，可以求得双电层电容C=1/(ωRP).

1.2.2 算法原理

采用数字相关积分方法进行电化学阻抗的测量[4-5]。

设电压信号为

E(t)=E0sin(ωt+φx)

(4)

电流信号为

I(t)=I0sin(ωt+φy)

(5)

式中：E0和I0分别为电位、电流信号的幅值；φx和φy为信号采样时刻的相位角；ω=2π/f；f为数字信号发生器产生的频率。将式(4)、式(5)展开：

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)。

将式(6)两边乘以同频率的参考信号cosωt后，进行积分得：

(8)

式中：t为任意值；T为周期信号

由三角函数定理知：

(9)

(10)

设N=T/ΔT，代入上式转换成离散函数得：

(11)

(12)

c和d的求法与上面相同。

1.3 金属腐蚀速度与腐蚀电流密度的关系

金属腐蚀速度与腐蚀电流密度的关系可通过法拉第定律进行换算[2]，即

(13)

式中：V深为腐蚀深度，mm/a；icorr为腐蚀电流密度，μA/cm2；M为金属的原子量，g；n为金属的原子价；ρ为金属密度，g/cm3。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构框图

系统硬件结构框图如图3所示，根据设计要求，扫频正弦信号频率范围要求是10 mHz～100 kHz，极化电位和极化电流的采集需要同步，以避免相位差太大。因此，设计采用具有高速、并行处理能力的FPGA(EP4CE15F17C8N)作为数据采集器，同时，采用ARM Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F103VET6作为TFT彩屏、PC机通讯、GSM/GPRS模块、时钟模块、键盘、电子标签、AT24C512、U盘文件管理控制芯片、电池电量检测模块和FPGA的控制器。LI-ION电池电量检测是利用LI-ION电池的电量和电压具有线性关系，通过采集电压换算成电量，AT24C512用于临时数据存储，测试仪与上位机通过PL2303串口转USB接口进行通信。

图3 系统硬件结构框图

2.2 信号采集电路

信号采集电路框图如图4所示。

图4 信号采集电路框图

由于放大器会引入相位差，为了保持电位、电流信号的完全同步，2路采集通道所用的器件型号、方式必须相同。由FPGA控制2路信号高速同步采集，从恒电位仪出来的电压信号和电流信号经过滤波器LTC1064-2、放大器LT1991、高速模数A/D转换器AD7623得到E(nΔT) 、I(nΔT)离散数据送给FPGA，由FPGA通过总线发送给STM32，STM32经相关运算后，可得到阻抗模|Z|和相位差Φ。

2.3 电极系统与恒电位仪电路

电极系统采用典型的三电极探针，WE代表工作电极，RE代表参比电极，CE代表对电极。三电极探针采用和被测管道同材质的金属，每个电极探针外露测量面积为4.75 cm2，电极以边长1 cm的等边三角形分布排列。

恒电位仪电路如图5所示，U1是超低输入偏置电流、低电流噪声、高输出驱动能力运算放大器AD825，U2、U3是一款精密的、低漂移、低噪声运算放大器OP1177。ADG1408是8路选择开关，其后接7路电流取样电阻RX，由STM32控制选取电阻值，以提供合适的电流量，取样电阻RX范围从10 Ω～10 MΩ.启动测量后，先测量稳定的开路电位Ecorr，极化开关AQY212S断开，得到Ecorr后，再进行高频测量，DDS产生正弦信号叠加在由STM32控制的16位数模转换器DAC714输出的Ecorr上，RE与WE电极的电位差通过阻抗变换器U2反馈到U1的反相输入端[6]，构成负反馈。在进行参数设置后，闭合AQY212S，对极化电流进行预采样，选择合适的电流量程，最后对体系的电压值、电流值进行同步采样。高频测量完成后再设置低频测量，过程与高频一样。

图5 恒电位仪电路

2.4 数字信号发生器DDS

激励正弦信号是由直接数字频率合成DDS芯片AD9854产生[7]。当系统时钟为300 MHz时，AD9854输出信号的频率分辨率1.07 μHz，最大不失真输出频率为120 MHz。

输出信号频率与频率控制字关系为

fDDS=(FTW/248)fs

式中：fDDS为AD9854输出信号频率；FTW为频率控制字；fs为系统时钟频率。

输出信号相位与相位控制字关系为

Δθ=2π(Δphase/214)

式中：Δθ为输出信号的相位；Δphase为相位控制字。

幅度控制字：

ΔA=(212×A)/Uom

式中：ΔA幅度控制字；A为输出信号幅度；Uom为信号产生器输出的最大幅度。

STM32通过并口发送频率控制字、相位控制字和幅度控制字到AD9854。AD9854根据控制字输出差分电流型正弦波信号，采用射频变压器T1.18-3-KK81将差分信号耦合成单端信号，并经过低噪声五阶低通椭圆滤波器LTC1560-1和功率放大器输出正弦信号。由于DDS芯片产生的低频(小于0.1 Hz)效果不佳，所以低频部分由FPGA查询DDSRAM波形表产生[8]。

2.5 GPRS模块

GPRS模块采用MG323，MG323与STM32之间采用AT指令通信，STM32通过串口将AT指令发给MG323，MG323将打包的数据通过Internet传到远端的上位机监控系统上。GPRS/GSM远程数据传输的实现原理如图6所示，同时，还利用GSM网络的SMS通信机制发送短信，实现了与手机的联动告警和监控。

图6 GPRS/GSM远程数据传输的实现原理

2.6 电子标签

由于测试点众多，为了规范巡检操作过程、提高效率和避免差错，采用了具有64位注册码的电子标签iButton DS1990R自动识别测试点。电子标签接口电路如图7所示。

图7 电子标签接口电路

2.7 U盘文件管理系统

现场采集的数据以Excel形式存储在U盘中，本设计采用U盘文件管理控制芯片Ch376，用于STM32读写U盘中的文件。Ch376的应用电路如图8所示。

图8 Ch376的应用电路

3 系统软件设计

主程序流程图如图9所示，系统上电后，主程序首先完成系统初始化，其中包括STM32和FPGA的初始化、TFT彩屏初始化、电量显示、时间显示和串口初始化。数据采集及处理包括：电子标签读取、直流极化电位、正弦波电位信号、数据同步采集、算法和显示等。参数设定包括时间设定、电流量程设定、通信设置、腐蚀率参数(如正弦信号频率、相位、幅度控制字、B、M、n、ρ)设定、串口通讯设定。传输方式选择包括U盘传输和GPRS/GSM传输。腐蚀曲线显示是测试点腐蚀速率与采集时间的曲线关系。

图9 主程序流程图

4 测试结果

测试所用的石油管道内的液体样本是武汉多利达仪器仪表有限公司提供的，这些液体样本的挂片腐蚀速度已知。在测试仪上设定幅值10 mV的正弦信号，扫频范围10 mHz～100 kHz ，电流量程自动，式(13)的参数设置为：M=55.845 g，n=2，ρ=7.85 g/cm3。

为了验证该测试仪测量电化学阻抗普的测量精度，选择CHI660D电化学测量分析仪测量的结果作为参考标准。两种仪器测量的Nyquist 谱如图10所示。

从图10可知，该测试仪测得的阻抗谱在整个测量频率范围没有明显的弥散效应，这与该设计采用的测量电极系统等效电路图基本吻合。阻抗谱在高频段符合单容抗弧特征，但在低频段(<1 Hz)出现了少量的离散点，这可能是因为浓差极化引起的Warburg阻抗或者测量控制回路耦合了外部低频干扰影响了研究电极的极化状态和参比电极的稳定性。两种仪器所得到的Nyquist 谱基本相同，在低频段，该测试仪的测量效果稍差。两种测试仪测得的阻抗参数如表1所示。

(a)该仪器

(b)CHI660D图10 两种仪器测量的Nyquist 谱

表1 两种测试仪测得的阻抗参数

从表1的数据结果来看，当幅值为10 mV、频率为10 mHz～100 kHz时，两种测试仪测得的阻抗参数值相同。

再根据Stern-Geary关系式和法拉第定律就可以计算出腐蚀速率了。远程监控系统是由SQL Server 2000数据库管理软件和Visual Basic编写，其界面如图11所示。

图11 监控系统界面

从监控系统的图形区可以看出角四转接站腐蚀速度平均为0.033 1 mm/a。这与武汉多利达仪器仪表有限公司提供的挂片腐蚀速率基本相同。根据历史数据还可以预测腐蚀趋势，为腐蚀防护措施提供依据。

5 结论

设计的测试仪结合电化学和电子测量技术快速准确地计算出石油管道内壁腐蚀速度。DDS产生的正弦信号，其频率精度高、稳定性好，双通道同步采集电路减少了工频干扰，监控系统对分布式采集点的腐蚀状况远程实时监控与分析，提高了石油储运的安全性。通过对比试验，两种测试仪的测量结果一致，而且该仪器成本更低，测量范围满足一般需求。该测试仪经过适当调整还可用于含油污水、土壤、大气以及钢筋混凝土等环境下的腐蚀监测和缓蚀剂缓蚀效率评价。与其他常规的测量方法相比，可得到更全面、迅捷的腐蚀与腐蚀控制信息，因此具有广泛的应用前景。

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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

国家自然科学基金资助项目(61174106)

2013-11-18 收修改稿日期：2014-11-20

TP216

A

1002-1841(2015)02-0039-04

张伟(1985—)，硕士在读，主要研究方向：控制科学与工程。E-mail：jingetiemazw@163．com 周凤星(1952—)，教授，主要研究方向：信号处理，故障诊断，计算机控制等。E-mail：blackghostpeter@163．com