硬件模拟除法器在FSM管道腐蚀测量中的应用

FSM 是-种用于监测管道腐蚀和裂纹 的无损检测技术，最早由挪威科技工业研究院提出专利申请，最初用于监测沿海钢套焊接区域裂纹 ，时至今 日，FSM 已经具有直接监测局部典型范围内管道的腐蚀量、腐蚀速率、坑蚀、冲蚀的能力。与传统的监测方法相 比 ]，FSM 具有不必开挖掩埋层、在线、可靠性和精度高的优点 ，可以在高达 500C的温度下使用，其敏感性和灵活性要比大多数非破坏性试验好。

其原理是将测量电极按-定要求布在管道外壁上，并在被测管道上施加恒流源 ，根据测量电极间电位差变化来收稿日期：2013-05基金项目：国家自然科学基金(61271329)监测管道的壁厚变化。在实际应用时，为 了消除温度和电流变化的影响，需要增加-对参考电极 ，通常放置在-块紧贴管道并和管道绝缘的参考板上 。图 1所示 即为管道外图 1 测量 电极列阵及参考电极示意 图熊 函 等：硬件模拟除法器在 FSM 管道腐蚀测量 中的应用 第 7期侧测量电极和参考电极示意图。

由此，任-对测量电极所代表的局部腐蚀程度由指纹系数(FC值)判断 ]：r V ( ) ]l 1厂 ， 、 lFC -f -1 fx 1 00 (1) j式 中：v ( )、V ( )为被测电极对 i在t。和 t 时刻的电压；V ，(。)、V ( )为参考电极对在 t。和 t 时刻的电压。

由式(1)可知，初始测量时 ，FC-0。若管道有腐蚀存在，测量电极之间的电阻将增大，相应的电压增大使得 FC值大于零。因为腐蚀或冲蚀是-种不可逆的化学和物理现象 ，所以理论上 FC值是随时间而单调增大的。

2 方案分 析与仿真2.1 方案分析在 FSM 的实际测量中，信号采集 电路只有 1路，测量电极和参考电极的信号并不是同时采样得到的。由于测量电极矩阵的信号很多，采样过程会持续很长时问。但是 ，在不同的时刻，采样中的电流扰动和温度变化等干扰有可能不同。由于这些不同步因素的影响，测量结果可能因此变得不够稳定，从而使得得 到的 FC值不 够准确 。为了消除或减弱这些因素的影响，需实现被测信号和参考信号的同步测量，即实现双通道信号的并行采集。

在 目前的信号采集 电路中，多路信号的采集多采用并行结构 ，即多路采样电路共用 1路 ADC-DAC，虽然提高了采样 的速度，但这并未实现多通道信号的同步测量。

若每 1路采样电路都使用各 自单独 的 ADC-DAC，虽然实现了多路信号的同步采样，但由于在 FSM 测量中得到的 2路信号数据将做 比值运算，若采用 2个 ADC，那么由于 ADC的误差变换的不-致，2路信号经比值运算后误差可能反而变得更大。因此 ，考虑使用模拟除法 器来替代后续数据处理中的比值运算。除法器在模拟信号处理中应用广泛，它可以完成模拟信号的乘除运算，对信号进行调制解调 ，还广泛应用于锁相、混频等电路中 ]。

测量时，被测信号和参考信号分别通过 2路性能-致采样放大电路，再-起送入高精度除法器 ，直接得到二者的比值数据。这样 ，电路 只使 用 1路 ADC，并提 高 了采样速度。

式(1)中的 2个被测量变为 1个 ，并消除了时 间上不 同步的影响。由此式(1)化为 ：- 1]×1。-( 1)×1。。

V r(o)(2)式 中：B(t )为被测信号与参考信号在 t 时刻的比值，B(t。)为二者在 t。时刻的比值 。

2.2 仿 真为验证前文分析，使用 Proteus 7.5对采集电路进行 了仿真。Proteus软件具有 EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并配合显示和输出，能看到运行后输人输出的效果。

仿真时使用幅值 1 A 的直流恒流源通过串联的微小电阻(40 Q和 80 Q)，模拟实际测量中的测量电极和参考电极。为了模拟测量中电流扰动的影响，在电流输入端加入数个频率不同的干扰信号，并设干扰信号幅值为10 mA，即设电流变化 1 。

首先对分时采样进行仿 真，分为不加干扰和加干扰 2种情况。通过单片机控制模拟开关，采样放大 电路依次对被测信号和参考信号进行采集 ，并通过有源低通滤波 (中心频率为 1.6 Hz)，再 由 AD送入单片机并 由虚拟串 口实时输出显示。采样 500次后其结果 如图 2所示(虚线为不加干扰时结果 ，实线为干扰下结果)。

采样点图 3 除法器同步采样仿真结果第 36卷 电 子 测 量 技 术3 原理和结构系统通过 2路独立的采样通道同时采集测量信号和参考信号 ，再将其-起输入模拟除法器直接得到二者的比值，原理示意图如图 4。整个电路 主要 由前置微弱信号放大、滤波、除法器和 AD转换等组成。由于测量信号十分微弱，在送入除法器之前 ，2路测量信号都需要先经过放大电路放大到-定量级并进行滤波 ]，除法器输出 比值信号经A/D转换输入单片机并通过串口传输给 PC，在 PC中经过数据处理后得到最终的测量结果。

除 苴法 片器 I.. - 机图 4 系统原理示 意图4 具体电路设计4.1 前置放大电路信号通道有 2路，结构和器件性能要求-致，都 由低噪声前置放大器和滤波器组成。由于碳 钢管道本身 电阻很小 ，在激励电流作用下，测量电极间的电压信号也十分微弱(40 V左右)。需要合理安排放大器增益 ]，将测量信号放大到除法器线性工作范围内的量级，并且使用滤波器抑制和消除大部分噪声和干扰。

前置放大采用的是 3运放高共模抑制 比放大 电路” ，如图 5所示。此电路具有 良好 的共模抑制能力 ，不要求外部电阻匹配，且增益可调。输入信号进入电路后先经过差动放大 ，由于电极噪声的影响，第 1级放大倍数不宜很 大。

第 2级放大电路将前级输出的双端差动信号转换为单端输出信号 。最后通过有源低通滤波器滤除放大器产生的大部分噪声 。

图 5 前置放大 和滤波为保证电路的-致性和对称性，2级放大 电路采用 同- 种 放 大 器，在 此 选 择 高精 度 集 成 放 大 器 AD8630。

AD8630是 AD公司生产的-款最低噪声 自稳零放大器 ，内部集成 4个独立高精度放大器 ，具备高精度、高增益、高共模抑制比、低失调电压的特点，适合对微弱信号的放大。

同时，由于不同放大器芯片的失调变化可能不同，在电路中连接时，将 2路信号的第 1级放 大都放在同 1片AD8630芯片中，第二级放 大遗在同-块芯片中即第 2块芯片，并采用精密电阻保证电路对称，并将第 2块芯片剩下的 2个放大器分别作为 2路信号 的有源低通滤波器 。

这样 2路信号相当于同时进入放大电路 ，等同说芯片同时放大 2路信号，这样就减弱了因路径不 同而产生的干扰不同，减小随机误差。

· 1 22 ·4.2 除法器电路除法器电路用于消除信号在不 同时刻的不 同步变化对于输出结果的影响，是系统 中很重要的部分 ，它的好坏很大程度上影响了最终结果的精度和稳定性。

这里采用了 AD734实现 2路信号的除法运算。它是- 款高速精密四象限模拟乘法器，典型静态满量程误差仅为 0.1 ，输出信号 变形小 于-80 dBc，在大多数应用中几乎不用外接任何元件 。系统采用 AD734的标准除法器模式，如图6所示。使用时需注意其线性范围，输出结果为 ：w (3)熊 函 等 ：硬件模拟除法器在 FSM 管道腐蚀测量中的应用 第7期X INPUTO.1 VTolOVY。

OPTIoNALSUM MlNGINPUT4-10V FSAD734 l O 1Xl VPNC -J. X2 DDU0 W U1 Z1 zINPuT- 叵 U2 Z2.r Yl ER 习 NC 0IlFY2 VN图 6 AD734标准 除法 器连接W4.3 数据处理系统采用 24位高速差动 ADC芯片 LTC2440，-款可变速度和分辨率的低噪声 A/D，使用其前 16位。足以满足系统要求。由式 (3)，由于除法器将输出放大了 1O倍 ，故需先将信号进行分压 ，再通过 AD转换传输到单片机，并通过串 口传输到 PC上进行保存以及后续的数据处理 。

除法器电路对 于铁板 的电压变换的测量属于动态数据测量 ]，系统不 可避 免的会受 到-些噪 声和干扰 的影响，给测量结果带来 了系统漂移 和粗大误差，为了提高精度和稳定性 ，需要对输出的信号进行进-步的处理。由于动态测量的测得值就是-个动态量，因此 ，测得值 的误差- 般具有时变性。动态测量误 差中含有测量 系统的动态误差 ，其误差具有 自相关性 ，动态测量误差常是-个 随机过程 ，其处理的测量往往是针对单次连续测量 的样本。这里采取重复采样并去粗差再求平均 的方法，然后在此基础上通过去除零漂的方法来消除系统误差 。

5 实验结果根据对 FSM 的平 板模 型分 析 ，被 测信号 大概 在40 V左右 ，参考信号较大为 180 V左右 ，2路放大电路分别选用合适 的精密电阻设置放大倍数 ，以便信号经过放大后处于除法器最好的线性范围内。

在平板上进行 实验如 图 7所示 ，两端接上 电流源 ，同时采集被测电极和参考电极上的电压 ，得到的比值结果经处理后如图 8所示 。

图 7 实验布局口、鞠高；导 譬 盆譬誊兰蚕墨至兰曼至墨E銎量§蚤三蛩蜀采样点图 8(a) 电流恒定，输出结果变化- - - 参考- 被测- .输出采样时间图 8(b) 电流变化，2路信号放大输出和比值由图 8(a)，在电流源恒定时，重复采样 400次，去除其最大 20 和最小 2O 的数据 ，比值输出结果的跳动误差在0.1 以内，保持了很好的稳定性 ；由图 8(b)，当电流源变化时，被测 电极和参考 电极上的电压同时变化，其 比值输出结 果依 旧能 保持 -致 ，表 明消除 了电流 变化带 来 的影响。

由图 8(a)，在电流源恒定时，重复采样 400次 ，去除其最大 2O 和最小 20 的数据，比值输出结果的跳动误差在0.1 以内，保持 了很好的稳定性 ；由图 8(b)，当电流源变化时，被测 电极和参考 电极上 的电压同时变化，其 比值输出结 果依 旧 能保持 -致 ，表 明消除 了电 流变化带 来 的影 响 。

6 结 论在 FSM 的实际检测中，管道受油气冲刷影响 ，而参考板被隔离，二者在采样中的电流扰动和温度变化等干扰有可能在时间上是不同步的，这对于测量结果可能会产生较大的影响。为了解决这- 问题，将模拟除法器结合到采集电路中，实现测量电压和参考电压的同步测量，并保证 了- 定的精度和稳定性 。