基于PXIe總線技術(shù)的電場指紋檢測系統(tǒng)設(shè)計

李 焰, 吳承昊

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

1 技術(shù)背景

電場指紋法(field signature method,FSM)是20世紀(jì)90年代興起的無損檢測技術(shù),是根據(jù)被測對象表面微小的電壓變化,對金屬結(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。這種方法可用來進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測,檢測精度和準(zhǔn)確性都很高,并且可以辨別金屬腐蝕的類型[1-2]。

但是,由于被檢測區(qū)域的金屬等效電阻非常小,因此,無論是從國外引進(jìn)的設(shè)備,還是國內(nèi)研制的設(shè)備,都是通過大幅提高電流強(qiáng)度來提高數(shù)據(jù)采集設(shè)備對響應(yīng)電壓的采集精度,激勵電流一般為20～250 A[3]。然而激勵電流過大,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)償帶來一定困難,并且激勵電流的波動也會帶來不容忽略的影響。因此,電場指紋技術(shù)對于溫度補(bǔ)償及電流穩(wěn)定性都有很高的要求。此外,檢測設(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題也需高度重視[5]。

近年來,無損檢測設(shè)備向智能化、一體化方向發(fā)展[6]。為提高實(shí)驗室設(shè)備的智能化水平,筆者開發(fā)了基于PXIe總線技術(shù)的模塊化電場指紋檢測系統(tǒng),將電場指紋檢測所需的各種硬件和外圍設(shè)備都集成在一個可移動的機(jī)箱內(nèi),采用高精度數(shù)字萬用表,在保證數(shù)據(jù)采集精度的情況下減小了激勵電流,從而提高了電場指紋檢測效率和安全性。

2 檢測系統(tǒng)的工作原理

2.1 電場指紋法的基本原理

電場指紋法的基本原理可以用圖1所示的金屬管道缺陷檢測說明[7]。在待測管道的表面布置一個采集電極矩陣,當(dāng)向管道加載激勵電流后,在管道內(nèi)部及表面會建立起一個特定的直流電場。當(dāng)有腐蝕缺陷產(chǎn)生時,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)域附近的電信號會發(fā)生細(xì)微的變化。通過比較管道表面的這種局部電場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、取向等問題提供精確的數(shù)據(jù)支持[8]。

此外,通過獲取金屬表面各電極間的電位值隨時間的變化,可以進(jìn)一步判斷管道腐蝕區(qū)域的減薄量[9]。電場指紋無損檢測技術(shù)的獨(dú)特之處,是將檢測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)。可以把這種狀態(tài)看作是管道的“指紋”,電場指紋無損檢測技術(shù)的名字由此而來[10]。

圖1 FSM技術(shù)示意圖

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

(1)

(2)

可以看出,電壓信號ΔE只和厚度T有關(guān),這也表明:當(dāng)管道受到腐蝕時,即管道厚度發(fā)生變化時,可以測量出管道表面的電壓變化,通過與初始金屬結(jié)構(gòu)無腐蝕時電壓值比較,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)添加了集成的定時和同步功能、工業(yè)級的堅固設(shè)計,以及更多的通道數(shù)。在PXI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中，需要一個專用的定時和觸發(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平臺的最新版本,除了PXI現(xiàn)有的定時和同步功能,PXIe還提供了附加的定時和同步功能。其采用差分時鐘和同步,使PXIe系統(tǒng)中儀器時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)電場指紋技術(shù)原理設(shè)計腐蝕監(jiān)測系統(tǒng),保證數(shù)據(jù)采集的同步性和實(shí)時性,提高系統(tǒng)的安全性和測試速度。

3 模塊化電場指紋檢測系統(tǒng)的搭建3.1 硬件系統(tǒng)

本監(jiān)測系統(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

電場指紋檢測技術(shù)需要為采集電極矩陣提供恒定且高精度的電流激勵,以便采集到無誤差的電壓。本文選擇NI公司的PXIe-4112板卡作為檢測系統(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,實(shí)時顯示輸出電流的大小,以便確認(rèn)實(shí)際穩(wěn)定工作時提供的電流符合檢測要求。由于電源模塊集成在PXIe機(jī)箱內(nèi),無需外接電源對被測金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵,因而提高了檢測系統(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之間的電阻值只有幾十微歐,當(dāng)激勵電流流經(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的激勵電流)。在這種情況下,因為管道被腐蝕而引起的電位差處于微伏的數(shù)量級,這就對數(shù)據(jù)的采集精度、信號提取和噪聲過濾等方面有很高的要求。本文的數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)字萬用表模塊PXIe-4081及低噪聲程控矩陣開關(guān)模塊PXI-2535組成。

PXI-2535為低噪矩陣開關(guān)模塊,可實(shí)現(xiàn)采集電極矩陣中電極對之間的快速切換,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的高密度自動化測試系統(tǒng)。由于數(shù)字萬用表模塊的電位測量精度極高,無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)備的安全性和檢測效率。

3.1.3 溫度補(bǔ)償模塊

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

NI 9217采用3線測量,可提供每通道1 mA的電流激勵,其整個操作溫度范圍內(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

在檢測現(xiàn)場,通常會使用多種不同類型的傳感器來獲取對腐蝕過程有影響的環(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。通過同步采集這些模擬量信號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)境因素的變化對腐蝕過程的影響。

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)時測量腐蝕環(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,搭配不同傳感器來進(jìn)行連接設(shè)置,并與其他模塊集成在一個機(jī)箱內(nèi),保證采集數(shù)據(jù)的同步性。

3.2 軟件系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)的測控軟件采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編寫。LabVIEW使用圖形化編輯語言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),有一個完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具,如設(shè)置斷點(diǎn)、以動畫方式顯示數(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發(fā)完成,有很好的可擴(kuò)展性,并且操作簡單。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的數(shù)據(jù)流,其他為溫度等環(huán)境參數(shù)信號的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流間互不干擾,時間上同步采集并進(jìn)行存儲。為了能夠精確地定位局部腐蝕,根據(jù)電場指紋技術(shù)的檢測原理,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)計了友好的人機(jī)交互界面(見圖3),提高了無損檢測實(shí)驗教學(xué)的效率。

圖3 檢測系統(tǒng)軟件的人機(jī)交互界面

3.3 系統(tǒng)驗證

通過多物理場耦合數(shù)值仿真軟件及實(shí)驗驗證的方法驗證檢測系統(tǒng)的采集精度。檢測材料為常見的金屬材料Q235鋼。

3.3.1 模擬仿真

采用COMSOL multiphysics 5.2a仿真軟件對Q235鋼(700 mm×250 mm×12 mm)進(jìn)行數(shù)值仿真,對不同溫度下的電場指紋信號進(jìn)行模擬,用到AC/DC模塊和傳熱模塊,并將溫度場和電場兩個物理場耦合。

初始電流邊界條件方程為:

J=Qj

J=σE+Je

E=-V

電流場條件設(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)幾何模型的分層對幾何模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分,對兩端非有效檢測區(qū)進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分,中間有效檢測區(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)驗驗證

實(shí)驗驗證部分所用的設(shè)備包括基于PXIe的電場指紋檢測系統(tǒng)和恒溫恒濕箱。

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

實(shí)驗驗證時,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/饋出端連接到電場指紋檢測系統(tǒng)的電源控制模塊,將采集電極矩陣連接到電場指紋檢測系統(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)行儲存。采集到的數(shù)據(jù)與模擬所得數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 不同溫度下實(shí)測電壓、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,誤差的主要來源是:(1)測量的隨機(jī)誤差；(2)檢測時間較短,升溫時間不足,試樣受熱不均,溫度升高后會使電極對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)在低激勵電流下仍有很好的采集精度,不影響檢測系統(tǒng)對腐蝕的判斷和分析,證明了該基于PXIe的電場指紋檢測系統(tǒng)有著良好的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.4 模塊化電場指紋檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 低激勵、高精度、一體化。本系統(tǒng)成功運(yùn)用PXIe總線技術(shù),將電場指紋檢測系統(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)采集精度的同時能夠保證采集速率,提高了實(shí)驗效率。應(yīng)用低至1 A的激勵電流就可以準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù),提高了系統(tǒng)的安全性這對實(shí)驗教學(xué)非常重要。

(2) 可擴(kuò)展性好。用戶可根據(jù)實(shí)驗?zāi)康暮蜏y試需求,對本系統(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)件或材料的腐蝕過程和規(guī)律,引導(dǎo)學(xué)生探索環(huán)境參數(shù)變化對腐蝕速度的影響。

(3) 簡單、方便、精確。檢測過程的操作簡單,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、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)驗教學(xué)效率,使學(xué)生更多關(guān)注實(shí)驗內(nèi)容,而不是煩惱如何操作儀器。

4 結(jié)語

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