FSY-3型腐蝕在線監測儀的開發

談怡君 羅益民 蔡小亮

(南京工業大學電氣工程與控制科學學院，南京 211800)

近年來，隨著我國經濟持續快速發展，生態環境不斷惡化，淡水資源也日益緊張。為了實現可持續發展，節約用水成為石油、化工、電力、鋼鐵及冶金等企業日益關注的課題，由于循環水冷卻系統在此方面比直流冷卻水系統具有更多優勢，因此得到了很多企業的青睞。但是考慮到水在循環冷卻水系統循環的過程中，會產生金屬腐蝕、微生物滋生及結垢等問題，對企業的安全和可持續生產造成影響[1]，因此必須對循環冷卻水系統的腐蝕程度進行監測。目前很多企業中仍然采用換熱器監測法或掛片失重法對循環冷卻水系統進行腐蝕監測，此類方法雖然能夠反映金屬累積腐蝕程度，比較適合各種介質腐蝕速度較穩定的體系，但監測周期較長，無法及時獲得循環水腐蝕狀態波動[2]，不能實現循環冷卻水系統的實時監測。為了解決這一問題，筆者開發出循環冷卻水腐蝕在線監測儀FSY-3，實現了對循環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測方法[3]。該方法先將一個用被監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ΔE/Δi的比值計算極化電阻Rp：

Rp=(ΔE/Δi)ΔE→0

(1)

2 硬件系統設計

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

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

3 系統軟件

3.1 儀器軟件組成

在儀器第一次上電時，監測儀軟件首先對微處理器的串行端口、中斷系統、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)各參數進行設定；

b. 監測輸入信號，如鍵盤(用戶的鍵盤命令)、串口(微機通信)和模數轉換器(極化電位給定)；

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

d. 將腐蝕參數通過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

考慮到工業現場往往存在各種各樣的電磁干擾，導致模擬量采集存在較大漂移，為了盡可能地減少漂移，FSY-3型腐蝕在線監測儀中在電壓模擬量采集時利用濾波算法對所采集數據進行了處理。算法主要包括兩步。

首先根據誤差理論與數據處理理論，利用Grubbs準則[4]刪除采集中出現的奇異值，設采樣值xi服從正態分布，則采樣值的數學期望μ和均方差σ為：

(2)

(3)

然后，在刪除了奇異值的基礎上，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據的算術平均值。

3.3 通信設計

儀表提供一個標準RS485接口，利用目前在工業領域廣泛使用的MODBUS協議，實現與計算機、PLC及DCS等系統相接。考慮到國產組態王軟件在我國使用有一定的比例，儀表軟件設計上也兼容了組態王軟件，方便與其他系統通信。

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，當腐蝕率增大時，對應的4～20mA輸出信號成正比的增大，導致計量泵的加藥量增加，反之亦然。為了適應現場特殊要求，儀器設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，以滿足現場實際加藥需要。

表1 加藥比例控制輸出

4 監測試驗

4.1 試驗一

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

圖3 試驗一監測曲線

4.2 試驗二

在某石化公司，利用現場循環水為試驗用水，進行掛片失重法和FSY-3腐蝕在線監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據。

表2 現場掛片試驗腐蝕數據

(續表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為掛片腐蝕試驗數據與腐蝕監測儀監測數據對比曲線。

a. 碳鋼掛片

b. 不銹鋼掛片

從試驗結果看，FSY-3型腐蝕在線監測儀的測量結果與掛片失重法的結果基本吻合。而采用筆者所設計的在線監測儀可以得到很多傳統監測方法得不到的數據，由所得數據不僅能夠得到一段時間內的平均腐蝕率，也能夠得到循環冷卻水系統動態瞬時腐蝕速度以及其他參數變化的相關情況。

5 結束語

筆者針對傳統腐蝕監測存在的測量周期長等問題，選擇電化學方法，采用電路板四層制作工藝和高精度、高可靠性電子元器件，設計的FSY-3型腐蝕在線監測儀，可以實現腐蝕速度監測，具有監測速度快，靈敏度高及體積小等特點。目前已成功應用于許多工業循環水監測現場，運行情況良好，監測準確。并將4～20mA的腐蝕變送信號傳輸到控制系統，實現自動加藥，達到對循環冷卻水系統水質自動控制的目的。

[1] 周本省.工業水處理技術[M]. 北京：化學工業出版社，2002.

[2] 鄭立群，左晉，荀偉，等.腐蝕監測技術在工業循環水中的應用[J].工業水處理，2000，20(4)：38～40.

[3] 周本省，楊文忠.冷卻水系統中腐蝕和水質的現場監測[J].化學清洗，1997，13(2)：34～38.

[4] 費業泰.誤差理論與數據處理[M].北京：機械工業出版社，1987.

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