李 焰, 吳承昊

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

1 技術(shù)背景

電場(chǎng)指紋法(field signature method,FSM)是20世紀(jì)90年代興起的無(wú)損檢測(cè)技術(shù),是根據(jù)被測(cè)對(duì)象表面微小的電壓變化,對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的缺陷、裂紋、腐蝕以及它們的擴(kuò)展情況進(jìn)行高精度檢測(cè)。這種方法可用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),檢測(cè)精度和準(zhǔn)確性都很高,并且可以辨別金屬腐蝕的類型[1-2]。

但是,由于被檢測(cè)區(qū)域的金屬等效電阻非常小,因此,無(wú)論是從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備,還是國(guó)內(nèi)研制的設(shè)備,都是通過(guò)大幅提高電流強(qiáng)度來(lái)提高數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)響應(yīng)電壓的采集精度,激勵(lì)電流一般為20～250 A[3]。然而激勵(lì)電流過(guò)大,容易產(chǎn)生金屬材料的焦耳熱效應(yīng),給采集數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償帶來(lái)一定困難,并且激勵(lì)電流的波動(dòng)也會(huì)帶來(lái)不容忽略的影響。因此,電場(chǎng)指紋技術(shù)對(duì)于溫度補(bǔ)償及電流穩(wěn)定性都有很高的要求。此外,檢測(cè)設(shè)備通常需要單獨(dú)配置高輸出電流電源,設(shè)備的集成度不高,操作不便[4],而操作人員的人身安全問(wèn)題也需高度重視[5]。

近年來(lái),無(wú)損檢測(cè)設(shè)備向智能化、一體化方向發(fā)展[6]。為提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的智能化水平,筆者開(kāi)發(fā)了基于PXIe總線技術(shù)的模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng),將電場(chǎng)指紋檢測(cè)所需的各種硬件和外圍設(shè)備都集成在一個(gè)可移動(dòng)的機(jī)箱內(nèi),采用高精度數(shù)字萬(wàn)用表,在保證數(shù)據(jù)采集精度的情況下減小了激勵(lì)電流,從而提高了電場(chǎng)指紋檢測(cè)效率和安全性。

2 檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

2.1 電場(chǎng)指紋法的基本原理

電場(chǎng)指紋法的基本原理可以用圖1所示的金屬管道缺陷檢測(cè)說(shuō)明[7]。在待測(cè)管道的表面布置一個(gè)采集電極矩陣,當(dāng)向管道加載激勵(lì)電流后,在管道內(nèi)部及表面會(huì)建立起一個(gè)特定的直流電場(chǎng)。當(dāng)有腐蝕缺陷產(chǎn)生時(shí),電力線在一定程度上受到干擾而發(fā)生變形,在腐蝕缺陷區(qū)域附近的電信號(hào)會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化。通過(guò)比較管道表面的這種局部電場(chǎng)特征曲線的微小變化,可以分析缺陷狀況,為判斷缺陷的深度、取向等問(wèn)題提供精確的數(shù)據(jù)支持[8]。

此外,通過(guò)獲取金屬表面各電極間的電位值隨時(shí)間的變化,可以進(jìn)一步判斷管道腐蝕區(qū)域的減薄量[9]。電場(chǎng)指紋無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的獨(dú)特之處,是將檢測(cè)電位變化與管道初始狀態(tài)的電位值進(jìn)行比較。在初始狀態(tài),管道的幾何形狀未發(fā)生任何變化,也沒(méi)有任何腐蝕情況的發(fā)生,可認(rèn)為是非腐蝕狀態(tài)的參考狀態(tài)?？梢园堰@種狀態(tài)看作是管道的“指紋”,電場(chǎng)指紋無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的名字由此而來(lái)[10]。

圖1 FSM技術(shù)示意圖

在圖1中,檢測(cè)區(qū)域位于兩加載電極之間,兩電極通過(guò)輸送激發(fā)電流建立電場(chǎng),選擇任意兩采集電極進(jìn)行檢測(cè)[11]。根據(jù)歐姆定律,電極對(duì)的值有如下關(guān)系:

(1)

(2)

可以看出,電壓信號(hào)ΔE只和厚度T有關(guān),這也表明:當(dāng)管道受到腐蝕時(shí),即管道厚度發(fā)生變化時(shí),可以測(cè)量出管道表面的電壓變化,通過(guò)與初始金屬結(jié)構(gòu)無(wú)腐蝕時(shí)電壓值比較,可以進(jìn)一步研究電壓值變化量與管道壁減薄量之間的關(guān)系[12]。

2.2 PXIe總線技術(shù)

PXI(PCI eXtensions for instrumentation)是一個(gè)基于PC技術(shù)的模塊化I/O的標(biāo)準(zhǔn),為基于PC的架構(gòu)添加了集成的定時(shí)和同步功能、工業(yè)級(jí)的堅(jiān)固設(shè)計(jì),以及更多的通道數(shù)。在PXI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，需要一個(gè)專用的定時(shí)和觸發(fā)總線,以進(jìn)行不同模塊之間的同步。而PXIe(PXI Express)技術(shù)是PXI平臺(tái)的最新版本,除了PXI現(xiàn)有的定時(shí)和同步功能,PXIe還提供了附加的定時(shí)和同步功能。其采用差分時(shí)鐘和同步,使PXIe系統(tǒng)中儀器時(shí)鐘的抗噪聲性能得以提高,并以更高的速率傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了更高精度的測(cè)量。

基于以上優(yōu)點(diǎn),我們利用PXIe總線模塊化、集成性好、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn),根據(jù)電場(chǎng)指紋技術(shù)原理設(shè)計(jì)腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),保證數(shù)據(jù)采集的同步性和實(shí)時(shí)性,提高系統(tǒng)的安全性和測(cè)試速度。

3 模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的搭建3.1 硬件系統(tǒng)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分遵循通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)原則搭建,包括電源控制、數(shù)據(jù)采集和溫度補(bǔ)償?shù)饶K。

3.1.1 電源控制模塊

電場(chǎng)指紋檢測(cè)技術(shù)需要為采集電極矩陣提供恒定且高精度的電流激勵(lì),以便采集到無(wú)誤差的電壓。本文選擇NI公司的PXIe-4112板卡作為檢測(cè)系統(tǒng)的電源模塊。PXIe-4112是具有隔離輸出的可編程直流電源,該電源控制模塊在產(chǎn)生所設(shè)置的恒定直流電的同時(shí),實(shí)時(shí)顯示輸出電流的大小,以便確認(rèn)實(shí)際穩(wěn)定工作時(shí)提供的電流符合檢測(cè)要求。由于電源模塊集成在PXIe機(jī)箱內(nèi),無(wú)需外接電源對(duì)被測(cè)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì),因而提高了檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性和穩(wěn)定性。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

由于金屬的電阻值通常很小,一般情況下采集電極矩陣中電極對(duì)之間的電阻值只有幾十微歐,當(dāng)激勵(lì)電流流經(jīng)金屬管道之后,采集到的響應(yīng)電壓一般只有幾十微伏(1 A的激勵(lì)電流)。在這種情況下,因?yàn)楣艿辣桓g而引起的電位差處于微伏的數(shù)量級(jí),這就對(duì)數(shù)據(jù)的采集精度、信號(hào)提取和噪聲過(guò)濾等方面有很高的要求。本文的數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)字萬(wàn)用表模塊PXIe-4081及低噪聲程控矩陣開(kāi)關(guān)模塊PXI-2535組成。

PXI-2535為低噪矩陣開(kāi)關(guān)模塊,可實(shí)現(xiàn)采集電極矩陣中電極對(duì)之間的快速切換,切換模式可根據(jù)需求自主編程設(shè)定。

本文將PXIe-4112、PXI-2535和PXIe-4081搭配使用,以創(chuàng)建±12 VDC的高密度自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。由于數(shù)字萬(wàn)用表模塊的電位測(cè)量精度極高,無(wú)需供給大電流就可以準(zhǔn)確地采集到所需電位信息,提高了設(shè)備的安全性和檢測(cè)效率。

3.1.3 溫度補(bǔ)償模塊

電場(chǎng)指紋技術(shù)采集的是金屬管道本身電阻與激勵(lì)電流乘積而得到的電壓信號(hào),而金屬材料的電阻率會(huì)隨溫度而變化。因此,恰當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償對(duì)保證測(cè)量精度非常重要。本文選擇NI公司的9217板卡進(jìn)行溫度測(cè)量,并通過(guò)軟件編程進(jìn)行溫度補(bǔ)償[13]。

NI 9217采用3線測(cè)量,可提供每通道1 mA的電流激勵(lì),其整個(gè)操作溫度范圍內(nèi)的精度小于1 ℃。NI 9217包含可溯源至NIST的校準(zhǔn),并具有通道-地面接地雙重隔離屏障,實(shí)現(xiàn)了安全性、抗干擾性和高共模電壓范圍。

3.1.4 模擬電壓采集模塊和模擬電流采集模塊

在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng),通常會(huì)使用多種不同類型的傳感器來(lái)獲取對(duì)腐蝕過(guò)程有影響的環(huán)境參數(shù)及其變化,如溶解氧濃度、氧化還原電位、pH值等,并將其轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)。通過(guò)同步采集這些模擬量信號(hào)并建立其與腐蝕速度的關(guān)聯(lián),可以準(zhǔn)確地判斷和分析不同環(huán)境因素的變化對(duì)腐蝕過(guò)程的影響。

本文采用PXIe-4309模擬電壓采集模塊和PXIe-4303模擬電流采集模塊實(shí)時(shí)測(cè)量腐蝕環(huán)境參數(shù)。PXIe-4309和PXIe-4303都是多通道、高精度、高采樣率輸入模塊,可根據(jù)不同環(huán)境因素,搭配不同傳感器來(lái)進(jìn)行連接設(shè)置,并與其他模塊集成在一個(gè)機(jī)箱內(nèi),保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

3.2 軟件系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控軟件采用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編寫。LabVIEW使用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖的形式。與C和BASIC一樣,LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng),有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具,如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序(子VI)的結(jié)果、單步執(zhí)行等,便于程序的調(diào)試。

本系統(tǒng)軟件部分由作者自主開(kāi)發(fā)完成,有很好的可擴(kuò)展性,并且操作簡(jiǎn)單。它包含了多條數(shù)據(jù)流,主數(shù)據(jù)流為采集矩陣電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)流,其他為溫度等環(huán)境參數(shù)信號(hào)的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流間互不干擾,時(shí)間上同步采集并進(jìn)行存儲(chǔ)。為了能夠精確地定位局部腐蝕,根據(jù)電場(chǎng)指紋技術(shù)的檢測(cè)原理,在軟件中設(shè)置了初次掃描和重復(fù)掃描相結(jié)合的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集流程圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖

除了精確的采集流程外,還設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面(見(jiàn)圖3),提高了無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件的人機(jī)交互界面

3.3 系統(tǒng)驗(yàn)證

通過(guò)多物理場(chǎng)耦合數(shù)值仿真軟件及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的采集精度。檢測(cè)材料為常見(jiàn)的金屬材料Q235鋼。

3.3.1 模擬仿真

采用COMSOL multiphysics 5.2a仿真軟件對(duì)Q235鋼(700 mm×250 mm×12 mm)進(jìn)行數(shù)值仿真,對(duì)不同溫度下的電場(chǎng)指紋信號(hào)進(jìn)行模擬,用到AC/DC模塊和傳熱模塊,并將溫度場(chǎng)和電場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng)耦合。

初始電流邊界條件方程為:

J=Qj

J=σE+Je

E=-V

電流場(chǎng)條件設(shè)定:所建模型表面設(shè)置為電絕緣,左端電極柱設(shè)置為通1 A的電流,右端的電極柱設(shè)置為接地。

初始溫度邊界條件如下:

ρCpu×T+×q=Q+Qted

q=-kT

溫度場(chǎng)條件設(shè)定:圖4所示模型四周和電極柱設(shè)置為熱絕緣,上下表面溫度設(shè)置為T1。

根據(jù)幾何模型的分層對(duì)幾何模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分,對(duì)兩端非有效檢測(cè)區(qū)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分,中間有效檢測(cè)區(qū)部分采取掃略的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最終所建模型如圖4所示:

圖4 網(wǎng)格模型圖

圖4中,中間部分為有效檢測(cè)區(qū),其網(wǎng)格是均勻劃分的,有助于提取平板模型上準(zhǔn)確的電壓值。最終提取數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 不同溫度下電壓數(shù)值表

3.3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分所用的設(shè)備包括基于PXIe的電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)和恒溫恒濕箱。

恒溫恒濕箱采用青島精科檢測(cè)設(shè)備有限公司的JK-150L,其溫度范圍為-40～150℃,溫度波動(dòng)≤±0.5 ℃,分辨率為0.01℃。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí),首先在Q235平板試樣上焊接采集電極矩陣及電流饋入/饋出端,然后將電流饋入/饋出端連接到電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的電源控制模塊,將采集電極矩陣連接到電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊,將溫度傳感器貼在試樣上,最后將試樣放入恒溫恒濕箱中。分別將溫度設(shè)置為20、30、40、50、60、70℃,并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。采集到的數(shù)據(jù)與模擬所得數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

表2 不同溫度下實(shí)測(cè)電壓、補(bǔ)償電壓及誤差

從表2可以看出系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與模擬所得數(shù)據(jù)存在誤差,誤差的主要來(lái)源是:(1)測(cè)量的隨機(jī)誤差；(2)檢測(cè)時(shí)間較短,升溫時(shí)間不足,試樣受熱不均,溫度升高后會(huì)使電極對(duì)間的溫度有微小差異引起的誤差；(3)采集矩陣是手工焊接,難以保證電極對(duì)之間的距離完全相等；(4)模擬假設(shè)理想情況,而在實(shí)際采集中有許多環(huán)境或人為的小幅干擾造成誤差。

即使存在上述不可控因素的影響,本系統(tǒng)在低激勵(lì)電流下仍有很好的采集精度,不影響檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)腐蝕的判斷和分析,證明了該基于PXIe的電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)有著良好的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.4 模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 低激勵(lì)、高精度、一體化。本系統(tǒng)成功運(yùn)用PXIe總線技術(shù),將電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步性、設(shè)備集成性大大提高,在提高數(shù)據(jù)采集精度的同時(shí)能夠保證采集速率,提高了實(shí)驗(yàn)效率。應(yīng)用低至1 A的激勵(lì)電流就可以準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的安全性這對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要。

(2) 可擴(kuò)展性好。用戶可根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蜏y(cè)試需求,對(duì)本系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行修改和擴(kuò)展,并配置不同的環(huán)境參數(shù)傳感器,以對(duì)比各種自然環(huán)境和工藝環(huán)境條件下金屬設(shè)備、構(gòu)件或材料的腐蝕過(guò)程和規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)生探索環(huán)境參數(shù)變化對(duì)腐蝕速度的影響。

(3) 簡(jiǎn)單、方便、精確。檢測(cè)過(guò)程的操作簡(jiǎn)單,軟件易于使用,初掃和復(fù)掃相結(jié)合的掃描方式能夠及時(shí)、精確地判讀局部腐蝕的位置及其特征參數(shù),有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,使學(xué)生更多關(guān)注實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,而不是煩惱如何操作儀器。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制的模塊化電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)將電場(chǎng)指紋技術(shù)與PXIe總線技術(shù)相結(jié)合,提高了電場(chǎng)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的集成性、精確性和安全性,符合無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),能有效配合無(wú)損檢測(cè)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué),顯著提高實(shí)驗(yàn)效率,有益于推廣電場(chǎng)指紋技術(shù)和豐富無(wú)損檢測(cè)教學(xué)手段。