油气管道内腐蚀外监测系统硬件电路设计

段汝娇何仁洋张中放孙 明祁永刚周卫军马孝亮钱昕磊张 瑶

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司 巴州 841000）

油气管道内腐蚀外监测系统硬件电路设计

段汝娇1何仁洋1张中放2孙 明1祁永刚1周卫军2马孝亮2钱昕磊2张 瑶2

（1.中国特种设备检测研究院 北京 100029）

（2.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司 巴州 841000）

目前，对于管道内部腐蚀的在线监测，最先进的商用系统是基于FSM（Field Signature Method）开发的，可以实现不需要在管道打洞，非破坏式的监测。但是现有设备通常采用直流电流源激励，存在信噪比低，易引起电火花，电缆较粗等诸多缺点。针对上述问题，本文采用交流激励电流源和锁相放大技术进行设计开发，对采集的微弱电压信号先进行前置放大，在达到足够的电平等级后，再推动锁相放大器进行锁相放大，去除所有不同频率的干扰。实验表明，本文所述的设计在信噪比、精度和稳定性上满足项目要求，可以很好地避免现有的基于直流激励技术的FSM设备所存在的问题。

FSM 锁相放大 腐蚀监测 微弱信号

管道运输作为油气输送的最主要方式，极大节省了输送成本、提高了输送效率和安全性[1-2]。然而，油气管道输送介质中的腐蚀物质会对管道内壁造成极大的腐蚀威胁，对管道内壁的腐蚀监测对保障管道的安全运营有重大意义[3]。

目前，市场上最先进的商用系统基于FSM技术，可实现管道的内部腐蚀外部监测。在这类系统中，信号的激励和接收电路是关键部分，决定着监测数据的准确性。目前所有系统的激励电源均采用直流电流源，需要提供数十安培至上百安培的激励电源，系统信号容易受到如1/f噪声、温度漂移、接触电阻等因素的影响，导致信噪比较低，且容易引起火花，造成电源线缆较粗，存在诸多隐患[4]。

针对上述缺点，本文采用交流激励和锁相放大技术对系统硬件电路进行重新设计，实验证明采用该方法可以克服上述问题，去除各种干扰的影响，提高信噪比。

1 内腐蚀外监测系统整体结构

FSM技术的原理如图1所示，在管段被监测区域安装螺柱探针矩阵，区域两侧加载恒定电流。当有腐蚀发生时，管壁电场分布会随之变化，通过分析管道外壁采集到探针矩阵的电压信号，来判断管道内壁腐蚀缺陷的类型及程度，以达到监测管道内腐蚀的目的。

图1 FSM原理示意图

由于腐蚀的发生是一个比较缓慢的过程，因此需要一个比较精细的数据处理方法，在工程上，一般用Fc值来判断管道腐蚀的程度。Fc值的定义：壁厚减薄量与当前壁厚的千分比， 其定义公式如下所示：

本文根据上述原理，设计了基于FSM技术的内腐蚀外监测系统，其整体结构主要分为如图2所示三个部分：电阻矩阵网络及信号预处理电路、现场数据采集箱以及安装于PC机上的数据处理与分析软件。

图2 内腐蚀外监测系统整体结构

螺柱探针矩阵安装于管道被监测部位，信号预处理盒就近放置于管道附近，应具有良好的密封性能。螺柱探针矩阵采集的电信号先经信号预处理盒进行前置放大。放大后的信号送往数据采集箱进行锁相放大，去除噪声并提取有用信号。FSM数据采集箱可以完成现场数据的采集、历史数据的存储、检测参数的设置等功能，它与上位机通过以太网接口进行通信。

安装于上位机的数据处理与分析软件既可以对实时采集的数据进行处理和分析，也能对历史数据进行回放和分析，以判断管道的腐蚀现状及趋势，作为决策依据。

2 系统电路设计

2.1 前置放大电路设计

前置放大电路位于信号预处理盒中，放置在管道附近的地下，前置放大电路在管道附近将微弱的电压信号进行前置放大，包括差分放大以及低噪声放大。信号在放大到足够的电平等级后输出至数据采集箱，以推动锁相放大器进行锁相放大。

前置放大电路如图3所示，其核心是一片差分放大芯片以及一片低噪声放大器。

图3 前置放大电路

差分放大器采用的是AD524，美国模拟器件公司的集成仪表放大器，针对要求在最差工作条件下提供高精度的数据采集应用而设计。它的主要特点是高线性度、高共模抑制比（CMRR）、低失调电压、低漂移及低噪声，适合于小信号测量的前置放大；它具有引脚可编程功能，可以通过引脚编程设定增益值，其范围为1~1000倍。

低噪放大器AD708是一款超低失调电压、双通道、单芯片运算放大器。每个放大器均独立提供出色的直流精度，并且最大失调电压和失调电压漂移在所有双通道双极性运算放大器中最佳。此外，其匹配特性也是所有双通道运算放大器中最佳。

2.2 锁相放大电路设计

●2.2.1 锁相放大原理

锁相放大电路是数据采集板的核心，其功能是实现对被测信号的锁相放大和解调。锁相放大器的输入有两部分：一部分是参考信号，来自于正弦信号发生电路，通过信号变压器隔离后输入到锁相放大器的参考输入端；另一部分来自被测信号，即螺柱探针矩阵的采样电压信号[5-6]。锁相放大的原理可以用图4来描述：

图4 锁相放大原理

由于锁相放大电路只放大与参考信号同频率的信号（在同相位时输出幅度最大），因此，所有与参考信号不同频的干扰及噪声都可以得到有效抑制，因此大大提高了信噪比。

●2.2.2 锁相放大电路设计

锁相放大电路核心芯片采用AD630，它利用电子开关的方式对被测信号和参考信号进行乘积，从而选择性地放大与参考信号同频率的信号，而去除不同频率的干扰，如图5所示。

图5 锁相放大电路设计

AD630中有两个相同增益的同向放大器和反向放大器，放大倍数为1或者2，可实现对信号的正向及反向放大，输出的信号可看作是输入的有用信号和载波进行乘积运算之后的波形。然后通过低通滤波器，从而实现了微弱信号从高幅值噪声中分离出来的功能，其中分离的条件是，信号必须是与参考信号同频率的信号。

调制后的信号只要使用一般的解调就可以恢复出信号，但是通过使用同频参考信号进行同步解调的方式能将噪声更彻底地抑制，从而将信号输出信噪比提高。调制技术通常情况下只能消除来自测量仪器内部的失调与部分干扰，这种方法对于外部干扰并不能很好地予以解决。只要待测信号源与参考信号源同频，就可以通过信号的锁相放大技术检测，即锁相放大器不但能很好的解决来自检测系统外部的干扰，也可同时消除来自仪器内部的噪声。如果采用不同于杂散电流频率的交流激励信号，然后采用锁相放大技术，可以去除所有不同频率的交流干扰和直流干扰，并可以去除温度漂移。

锁相放大器的输出是一个直流信号，因此可以直接对该直流信号进行AD采样，从而达到对被测矩阵电极之间电压监控的目的。

2.3 激励电流源电路设计

由于锁相放大电路中，参考信号的幅值和频率是固定的，因此锁相放大的输出信号只与被测信号的幅值以及被测信号与参考信号之间的相位差有关。而被测信号和参考信号之间的相位差可以通过移相电路调整到同相位，此时，锁相放大器的输出只与被测信号的幅值有关。

因此，对于锁相放大电路来说，幅值的稳定性要比频率的稳定性和波形的稳定性要更为重要，因此产生一个稳定的正弦电流源也显得相当关键。为得到一个稳定的正弦电流源，本项目中采用文氏桥电路产生正弦波信号，并通过RMS-DC转换芯片来监测输出波形的有效值，并反馈到波形发生电路中进行自动幅值控制。

图6 正弦波激励信号

本项目采用美国ADI公司的RMS-DC转换芯片AD637来进行输出波形的有效值监测，如图6所示。由于其元件的集成度比较高，所以可有效克服小信号带来的误差。其最小输入信号可以达到0.5mV，测量误差小，纹波系数可以小于±1% ，满足一般的高精度交直流转换。AD637是ADI公司RMS-DC产品中带宽最宽、精度最高的交直流转换电路，对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz，并可对输入信号的电平以dB的形式指示。数据表明，在电源为正负5V的供电情况下，当输入信号的频率不大于2MHz时，其输入信号的电压有效值在0.7V～4V范围内能保证测量精度 。

除上述电路之外，信号采集板上还设计了电压-电流（V-I）转换电路，将精确的正弦信号电压转换为正弦电流信号，以驱动整个电阻矩阵网络，如图7所示。AD746是一个双通道运算放大器，具有较好地直流特性、较好地建立时间、高压摆率及充裕的带宽。此外，AD746还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。

图7 电压-电流转换电路

AD746可实行内部补偿，可作为单位增益反相器，也可作为增益为2以上（包括2）的同相放大器稳定工作，其按性能分为四级。AD746的额定温度范围为0℃至+70℃的商用温度范围。

3 实验研究

3.1 电路分析实验研究

在系统电路中，交流激励电流在经过锁相放大后的输出为一个直流信号，此直流信号反映了加载于被测管段电极矩阵电压的峰峰值，应为一条直线，因此该信号在示波器上的输出显示可以反映出整个电路的精确程度。

将前置放大后的信号和锁相放大后的信号分别作为两个输入端，接入示波器的通道1和通道2，示波器上的显示应为一条平滑的正弦波曲线和一条直线。

实际实验结果如图8所示，从图8可以看出，输入的正弦波波形基本光滑，锁相放大后的信号波形也为一条直线，符合实验的预期。

图8 实验结果

3.2 缺陷板实验研究

●3.2.1 缺陷板设计

为验证本设备监测效果的有效性，设计了如图9所示的缺陷板，加工了六种不同尺寸深度的矩形缺陷，具体参数见表1。

图9 带矩形缺陷样板实物图

表1 六种不同尺寸的矩形缺陷参数

该组6个缺陷面积均为4.8cm2且均为矩形。选择2种不同的长宽比与3种不同缺陷深度对应，基本符合正交试验设计思想。

●3.2.2 实验验证

由于缺陷实验板加工的比较早，采用的是12×5的电极矩阵，而设计的设备为通用的8×8电极矩阵，因此只用到了缺陷板上的部分缺陷，但是可以达到同样验证效果。缺陷实验板的电路连接图如图10所示。

图10 矩形板的试验连接方法

将实验采集的数据导入对应开发的FSM数据处理与分析软件中，其Fc的三维图像如图11所示，可以直观的反映缺陷的情况。

图11 Fc值三维图像

右图11可得出以下结论：有缺陷的地方，Fc值明显高于其他地方，这说明缺陷越深，Fc值越大，且有缺陷的地方会影响其周边电极对的Fc值，离缺陷越近，Fc值越高。

4 结论

本文对基于FSM的管道内腐蚀外监测系统硬件电路进行了分析，针对现有系统直流输入存在的多种问题，设计了基于锁相放大技术的交流激励系统，避免了直流激励系统引起的大输入电流，易发热等缺点，同时，锁相放大电路不但消除了系统的外部干扰，也消除了内部噪声，提高了系统的抗干扰性能。最后，实验结果与理论相一致，证明了系统的可行性。

[1] 罗鹏，张一玲，蔡陪陪，等．长输天然气管道内腐蚀事故调查分析与对策[J]．全面腐蚀控制，2010，24(6)：16-21.

[2] 杨飞，周永峰，胡科峰，等．腐蚀防护监测检测技术研究的进展[J]．全面腐蚀控制，2009，23(11)：46-51.

[3] 段汝娇，何仁洋，杨永，等．管道非破坏腐蚀监测新技术研究进展[J]．管道技术与设备，2014(6)：18-20.

[4] Sposito G，Cawley P，Nagy P B．Potential drop mapping for the monitoring of corrosion or erosion[J]．Ndt & E International，2010，43(5)：394-402.

[5] 李方方．微弱信号检测与采集技术的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[6] 陈水平，郭静波，胡铁华．铁磁管道环境下极低频微弱磁场的分布及检测[J]．仪器仪表学报，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

段汝娇(1984～)，女,博士，工程师，主要从事管道内部腐蚀监测工作。

2016-05-09）