談怡君 羅益民 蔡小亮

(南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211800)

近年來，隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，淡水資源也日益緊張。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約用水成為石油、化工、電力、鋼鐵及冶金等企業(yè)日益關(guān)注的課題，由于循環(huán)水冷卻系統(tǒng)在此方面比直流冷卻水系統(tǒng)具有更多優(yōu)勢，因此得到了很多企業(yè)的青睞。但是考慮到水在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)循環(huán)的過程中，會產(chǎn)生金屬腐蝕、微生物滋生及結(jié)垢等問題，對企業(yè)的安全和可持續(xù)生產(chǎn)造成影響[1]，因此必須對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的腐蝕程度進行監(jiān)測。目前很多企業(yè)中仍然采用換熱器監(jiān)測法或掛片失重法對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行腐蝕監(jiān)測，此類方法雖然能夠反映金屬累積腐蝕程度，比較適合各種介質(zhì)腐蝕速度較穩(wěn)定的體系，但監(jiān)測周期較長，無法及時獲得循環(huán)水腐蝕狀態(tài)波動[2]，不能實現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的實時監(jiān)測。為了解決這一問題，筆者開發(fā)出循環(huán)冷卻水腐蝕在線監(jiān)測儀FSY-3，實現(xiàn)了對循環(huán)冷卻水中金屬腐蝕程度的實時測量。

線性極化法又稱為極化電阻法，是一種水體金屬腐蝕程度常用監(jiān)測方法[3]。該方法先將一個用被監(jiān)測金屬材料制成的金屬電極，從其自腐蝕電位Ecorr開始極化，極化電位E的電位變化ΔE通常為5～10mV，然后測量流過該金屬電極的極化電流密度Δi，再根據(jù)ΔE/Δi的比值計算極化電阻Rp：

Rp=(ΔE/Δi)ΔE→0

(1)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

為降低FSY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀的生產(chǎn)成本，筆者以C8051F021微處理器作為中央處理器(CPU)，將12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7091用于A/D轉(zhuǎn)換，該芯片具有精度高及速度快等特點，為提高在線監(jiān)測儀的抗干擾功能，選用了各種高性能的電子開關(guān)、通信芯片、存儲芯片。為兼容200V，50Hz現(xiàn)場電源，F(xiàn)SY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀采用了變壓器內(nèi)置的設(shè)計方案。具體原理框圖如圖1所示。

在設(shè)定時間到達的情況下，F(xiàn)SY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀可以定時自動采集腐蝕信號，并經(jīng)放大、A/D變換后送入C8051F021單片機，經(jīng)C8051F021運算后進行存儲和顯示，并經(jīng)串口輸出到計算機。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 儀器軟件組成

在儀器第一次上電時，監(jiān)測儀軟件首先對微處理器的串行端口、中斷系統(tǒng)、各I/O口進行初始化，然后進入腐蝕測量流程：

a. 對TA(上電、重新開始穩(wěn)定時間)、TB(測量間隔時間)、TC(9.5mV和-9.5mV極化的間隔時間)、TD(腐蝕率上限值)各參數(shù)進行設(shè)定；

b. 監(jiān)測輸入信號，如鍵盤(用戶的鍵盤命令)、串口(微機通信)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(極化電位給定)；

c. 進行極化電阻和各腐蝕參數(shù)的計算，并將計算結(jié)果保存到鐵電RAM中，繪制出腐蝕率-時間曲線；

d. 將腐蝕參數(shù)通過RS485接口上傳至計算機。腐蝕測量流程如圖2所示。

圖1 FSY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀原理框圖

圖2 腐蝕測量流程

3.2 模擬量采集和濾波算法

考慮到工業(yè)現(xiàn)場往往存在各種各樣的電磁干擾，導(dǎo)致模擬量采集存在較大漂移，為了盡可能地減少漂移，F(xiàn)SY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀中在電壓模擬量采集時利用濾波算法對所采集數(shù)據(jù)進行了處理。算法主要包括兩步。

首先根據(jù)誤差理論與數(shù)據(jù)處理理論，利用Grubbs準則[4]刪除采集中出現(xiàn)的奇異值，設(shè)采樣值xi服從正態(tài)分布，則采樣值的數(shù)學(xué)期望μ和均方差σ為：

(2)

(3)

然后，在刪除了奇異值的基礎(chǔ)上，利用中值濾波算法對余下的采樣值進行處理，即求取除最大值、最小值以外的其余數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

3.3 通信設(shè)計

儀表提供一個標(biāo)準RS485接口，利用目前在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的MODBUS協(xié)議，實現(xiàn)與計算機、PLC及DCS等系統(tǒng)相接。考慮到國產(chǎn)組態(tài)王軟件在我國使用有一定的比例，儀表軟件設(shè)計上也兼容了組態(tài)王軟件，方便與其他系統(tǒng)通信。

3.4 自動控制緩蝕劑投加量

儀器有一路4～20mA電流輸出，將其接到加藥計量泵的控制輸入端，當(dāng)腐蝕率增大時，對應(yīng)的4～20mA輸出信號成正比的增大，導(dǎo)致計量泵的加藥量增加，反之亦然。為了適應(yīng)現(xiàn)場特殊要求，儀器設(shè)計了可供用戶修改的比例控制輸出(表1)，表中加藥泵的輸出可以由用戶修改，以滿足現(xiàn)場實際加藥需要。

表1 加藥比例控制輸出

4 監(jiān)測試驗

4.1 試驗一

圖3為兩臺FSY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀對南京自來水樣的監(jiān)測結(jié)果，選用20#鋼電極，每4min測量一次，共測400min，截取前100min的監(jiān)測曲線。測量結(jié)果表明兩臺儀器所反映的水樣的腐蝕趨勢是一致的，證實測量結(jié)果比較準確。

圖3 試驗一監(jiān)測曲線

4.2 試驗二

在某石化公司，利用現(xiàn)場循環(huán)水為試驗用水，進行掛片失重法和FSY-3腐蝕在線監(jiān)測儀進行腐蝕測量對比實驗。表2為2013年利用碳鋼試片和不銹鋼試片進行掛片腐蝕試驗的數(shù)據(jù)。

表2 現(xiàn)場掛片試驗腐蝕數(shù)據(jù)

(續(xù)表2)

在進行掛片腐蝕試驗的同時，利用兩臺FSY-3腐蝕在線監(jiān)測儀分別安裝碳鋼探頭和不銹鋼探頭進行測量，圖4為掛片腐蝕試驗數(shù)據(jù)與腐蝕監(jiān)測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)對比曲線。

a. 碳鋼掛片

b. 不銹鋼掛片

從試驗結(jié)果看，F(xiàn)SY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀的測量結(jié)果與掛片失重法的結(jié)果基本吻合。而采用筆者所設(shè)計的在線監(jiān)測儀可以得到很多傳統(tǒng)監(jiān)測方法得不到的數(shù)據(jù)，由所得數(shù)據(jù)不僅能夠得到一段時間內(nèi)的平均腐蝕率，也能夠得到循環(huán)冷卻水系統(tǒng)動態(tài)瞬時腐蝕速度以及其他參數(shù)變化的相關(guān)情況。

5 結(jié)束語

筆者針對傳統(tǒng)腐蝕監(jiān)測存在的測量周期長等問題，選擇電化學(xué)方法，采用電路板四層制作工藝和高精度、高可靠性電子元器件，設(shè)計的FSY-3型腐蝕在線監(jiān)測儀，可以實現(xiàn)腐蝕速度監(jiān)測，具有監(jiān)測速度快，靈敏度高及體積小等特點。目前已成功應(yīng)用于許多工業(yè)循環(huán)水監(jiān)測現(xiàn)場，運行情況良好，監(jiān)測準確。并將4～20mA的腐蝕變送信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，實現(xiàn)自動加藥，達到對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水質(zhì)自動控制的目的。

[1] 周本省.工業(yè)水處理技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 鄭立群，左晉，荀偉，等.腐蝕監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)循環(huán)水中的應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2000，20(4)：38～40.

[3] 周本省，楊文忠.冷卻水系統(tǒng)中腐蝕和水質(zhì)的現(xiàn)場監(jiān)測[J].化學(xué)清洗，1997，13(2)：34～38.

[4] 費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[5] 楊書儀，陳立鋒.基于PLC的模擬信號數(shù)字濾波方法的研究[J].機床與液壓，2005，(8)：172～173.