一种微欧级电阻的阻值测量方法及系统

技术领域

本发明涉及埋地钢质管道外腐蚀监测技术领域，具体涉及一种微欧级电阻的阻值测量方法及系统。

背景技术

管道外壁腐蚀是管道常见主导风险因素之一，长期以来，管道阴极保护系统是避免管道发生外腐蚀失效的重要手段，开展管道阴极保护系统有效性测试、及时监控管道是否处于有效保护状态是管道腐蚀防护工作的重要内容。近年来，随着地铁、高铁、特高压直流输电系统等大功率杂散电流干扰源在国内的逐渐普及化，杂散电流对埋地钢质管道外腐蚀的影响程度不断严重化。因此，必须采用有效手段，定期对管道的外腐蚀状况进行检测。

长期以来，管道外腐蚀程度的探测主要管道内检测(漏磁检测)和外检测，即通过防腐层破损点的查找，然后针对存燕严重防腐层破损的管道位置进行抽样开挖，最后通过宏观检查和管道壁厚检测来判断管道外腐蚀状况，但这些方法都存在各自的局限性，无法广泛的运用到所有外腐蚀高风险管段中去。

因此，近年来，在外腐蚀高风险管道，越来越多的开始安装ER腐蚀探针，ER腐蚀探针是一种针对受杂散电流严重影响管道外腐蚀程度监测而设计的专用装置，在近年来越来越受到重视。ER腐蚀探针的外部有一个一定面积的，暴露的试片，试片有一定的原始厚度。在正常工作状态下，电流流经试片截面，显而易见，当试片减薄时，截面积变小，试片的电阻值增加。因此，通过读取试片电阻的变化，可以反算出试片厚度的变化。由于厚度变化导致的试片电阻变化极小，实际为微欧级，因此，对于ER腐蚀探针的使用而言，高精度测量试片电阻值是其关键技术之一，以为ER腐蚀探针数据采集器的国产化研发发挥重要作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：对于ER腐蚀探针中的试片，如何准确的测试其截面电阻的变化，使电阻测试结果达到微欧级的精度；本发明目的在于提供一种微欧级电阻的阻值测量方法及系统，通过电压测量模型测量目标电阻和参考电阻的交流电压信号，并对交流电压信号进行相关性计算得到目标电阻的组织，解决了上述技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本方案提供一种微欧级电阻的阻值测量方法，包括步骤：

步骤一：构建目标电阻和参考电阻的电压测量模型；

步骤二：对电压测量模型施加低频交流恒流信号得到目标交流电压信号和参考交流电压信号；

步骤三：对目标交流电压信号和参考交流电压信号先进行相关性计算，再结合欧姆定律得到目标电阻的阻值。

本方案工作原理：ER腐蚀探针相对成本低廉，有效性好，安装方便，可实现数据的短时间密间隔采集，对于外腐蚀高风险管道的大面积实时监测具有不可替代的作用。在实际使用中，通过导线将ER腐蚀探针的试片与管道连接，使试片与管道处于同样的腐蚀环境中，在此情况下，ER腐蚀探针通过定期的检测或监测，可在不对管道开挖的条件下，有效获取管道受腐蚀的程度；通过读取试片电阻的变化，可以反算出试片厚度的变化。由于厚度变化导致的试片电阻变化极小，实际为微欧级，因此，对于ER腐蚀探针的使用而言，高精度测量试片电阻值是其关键技术之一，以为ER腐蚀探针数据采集器的国产化研发发挥重要作用，本发明提供的一种微欧级电阻的阻值测量方法及系统，通过电压测量模型测量目标电阻和参考电阻的交流电压信号，并对交流电压信号进行相关性计算得到目标电阻的组织，对微欧级别的超小电阻进行高精度测量，对于完成ER腐蚀探针的数据读取奠定了坚实基础。

众所周知，对电阻大小的测试从基本原理上讲，只有一种方法：测试目标电阻上的电压和电流，然后计算出电阻值，但由于该目标电阻值达到了微欧级别，为了达到这个目标，必须解决电压、电流以及其信号处理方法这三个关键技术难题。

进一步优化方案，根据微欧级电阻测试的特点，选择最优化的线路连接方法，包括电流供应电路和电阻测试电路；所述电压测量模型为：目标电阻R

由于腐蚀片电阻非常小，本方案采用四线接线法实现测量，其中Ix为给电阻提供的恒流源，电阻R

目标电阻和参考电阻串联连接，电源持续供给电流，目标电阻和参考电阻具有相同的电流值。同时，由于电压表具有远远大于目标电阻的阻值，若电源为恒流源，电路中的电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6不会对电阻R

进一步优化方案为，相关性计算方法包括步骤：

T1：分别对目标交流电压信号和参考交流电压信号进行预处理；

T2：输入一个恒定幅度的，且与低频交流恒流信号同频率的参考电压信号r(t)，对T1 得到的信号和参考电压信号r(t)进行互相关计算得到目标输出电压和参考输出电压；

T3：基于目标输出电压和参考输出电压根据欧姆定律计算待测电阻的阻值。

进一步优化方案为，预处理方法包括：对参考交流电压信号和目标交流电压信号分别放大K

进一步优化方案为，低频交流恒流信号为标准正弦波恒流源信号，参考电压信号r(t) 与低频交流恒流信号之间相位差为h。

对测量电阻施加一个低频的恒定的交流恒流源信号，电阻在电流源的作用下会得到一个交流的电压信号；采用放大器，对交流电压信号进行放大；输入一个恒定幅度的，且与电源电流同频率的参考电压信号r(t)，与目标电阻和参考电阻所获取的电压进行正相关计算，由于硬件电路中的噪声是随机的与低频率恒流信号不相关，而有用信号和恒流源的信号是同频率信号是相关的，所以经过互相关算法处理后得到的信号完全是有用信号，噪声被去除，最后就可以求得目标电阻。

由于电阻值的变化极其细微，必须进行放大处理，但同时，在放大后环境产生的各种干扰信号也同步放大，很容易将我们需要采集的信号淹没，因此，上述方案对干扰信号进行屏蔽，提升信噪比。

i(t)为标准正弦波恒流源信号，U

x

x

r(t)＝U

根据上式，则输出有：

式中的U

所述参考输出电压表示为：

目标输出电压表示为：

试中T为标准正弦波恒流源信号的周期，k

进一步优化方案为，步骤三包括以下子步骤：

基于参考输出电压和目标输出电压根据欧姆定律得到：

联立得到

目标电阻的阻值

本方案还提供一种微欧级电阻的阻值测量方法，包括步骤：

步骤一：构建目标电阻和参考电阻的电压测量模型；所述电压测量模型为：目标电阻 R

步骤二：对电压测量模型施加低频交流恒流信号得到目标交流电压信号和参考交流电压信号；

步骤三：对目标交流电压信号和参考交流电压信号进行相关性预处理得到目标输出电压 U

进一步优化方案为，相关性预处理包括：

a.对目标交流电压信号和参考交流电压信号先分别放大K

b.输入一个恒定幅度的，且与低频交流恒流信号同频率的参考电压信号r(t)，对参考电压信号r(t)和步骤a得到的信号进行互相关计算得到目标输出电压U

本方案还提供一种微欧级电阻的阻值测量系统，应用于上述第一个方案所述的微欧级电阻的阻值测量方法，包括：模型构建模块、预处理模块和计算模块；

模型构建模块，用于构建目标电阻和参考电阻的电压测量模型；

预处理模块，用于对电压测量模型施加低频交流恒流信号得到目标交流电压信号和参考交流电压信号；

计算模块，用于对目标交流电压信号和参考交流电压信号先进行相关性计算，再结合欧姆定律得到目标电阻的阻值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种微欧级电阻的阻值测量系统，对于ER腐蚀探针的使用而言，高精度测量试片电阻值是其关键技术之一，以为ER腐蚀探针数据采集器的国产化研发发挥重要作用，本发明通过电压测量模型测量目标电阻和参考电阻的交流电压信号，并对交流电压信号进行相关性计算得到目标电阻的组织，对微欧级别的超小电阻进行高精度测量，对于完成ER 腐蚀探针的数据读取奠定了坚实基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为微欧级电阻的阻值测量方法流程示意图；

图2为电压测量模型原理示意图；

图3为相关性计算原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

长期以来，管道外腐蚀程度的探测主要管道内检测(漏磁检测)和外检测，即通过防腐层破损点的查找，然后针对存在严重防腐层破损的管道位置进行抽样开挖，最后通过宏观检查和管道壁厚检测来判断管道外腐蚀状况。这些方法的局限性主要有两点：

(1)成本较高，对于外检测而言，每次必须通过防腐层破损点检测和开挖检测，才能确定管道外腐蚀情况，人员、设备成本较高；对于内检测，单条管道的检测成本更是可高达数十万元；(2)周期较长，无论是内检测还是外检测，所涉及的步骤较多，成本较高，因此不可能在短时间内多次开展，两次检测的间隔时间可能长达数年，针对特高压直流输电系统等可能在短时间内造成严重外腐蚀的强干扰源可能无法满足技术要求。

鉴于此，本发明提供以下实施例对某管道全线开展外腐蚀监测，将腐蚀片通过测试桩连接线与管道相连，同时用数据记录仪测试试片电阻阻值。解决上述问题：

实施例1

本实施例提供一种微欧级电阻的阻值测量方法，如图1所示，包括步骤：

步骤一：构建目标电阻和参考电阻的电压测量模型；

步骤二：对电压测量模型施加低频交流恒流信号得到目标交流电压信号和参考交流电压信号；

步骤三：对目标交流电压信号和参考交流电压信号先进行相关性计算，再结合欧姆定律得到目标电阻的阻值。

如图2所示，所述电压测量模型为：目标电阻R

如图3所示，所述相关性计算方法包括步骤：

T1：分别对目标交流电压信号和参考交流电压信号进行预处理；

T2：输入一个恒定幅度的，且与低频交流恒流信号同频率的参考电压信号r(t)，对T1 得到的信号和参考电压信号r(t)进行互相关计算得到目标输出电压和参考输出电压；

T3：基于目标输出电压和参考输出电压根据欧姆定律计算待测电阻的阻值。

所述预处理方法包括：对参考交流电压信号和目标交流电压信号分别放大K

所述低频交流恒流信号为标准正弦波恒流源信号，参考电压信号r(t)与低频交流恒流信号之间相位差为h。

对测量电阻施加一个低频的恒定的交流恒流源信号，电阻在电流源的作用下会得到一个交流的电压信号；采用放大器，对交流电压信号进行放大；输入一个恒定幅度的，且与电源电流同频率的参考电压信号r(t)，与目标电阻和参考电阻所获取的电压进行正相关计算，由于硬件电路中的噪声是随机的与低频率恒流信号不相关，而有用信号和恒流源的信号是同频率信号是相关的，所以经过互相关算法处理后得到的信号完全是有用信号，噪声被去除，最后就可以求得目标电阻。

由于电阻值的变化极其细微，必须进行放大处理，但同时，在放大后环境产生的各种干扰信号也同步放大，很容易将我们需要采集的信号淹没，因此，上述方案对干扰信号进行屏蔽，提升信噪比。

i(t)为标准正弦波恒流源信号，U

x

x

r(t)＝U

根据上式，则输出有：

式中的U

所述参考输出电压表示为：

目标输出电压表示为：

试中T为标准正弦波恒流源信号的周期，k

步骤三包括以下子步骤：

基于参考输出电压和目标输出电压根据欧姆定律得到：

联立得到

目标电阻的阻值

实施例2

本实施例提供一种微欧级电阻的阻值测量方法，包括步骤：

步骤一：构建目标电阻和参考电阻的电压测量模型；所述电压测量模型为：目标电阻 R

步骤二：对电压测量模型施加低频交流恒流信号得到目标交流电压信号和参考交流电压信号；

步骤三：对目标交流电压信号和参考交流电压信号进行相关性预处理得到目标输出电压 U

所述相关性预处理包括：

a.对目标交流电压信号和参考交流电压信号先分别放大K

b.输入一个恒定幅度的，且与低频交流恒流信号同频率的参考电压信号r(t)，对参考电压信号r(t)和步骤a得到的信号进行互相关计算得到目标输出电压U

直接通过模型也可以计算出目标电阻的阻值R

实施例3

本实施例提供一种微欧级电阻的阻值测量系统，应用实施例1所述的测量方法，其特征在于，包括：模型构建模块、预处理模块和计算模块；

模型构建模块，用于构建目标电阻和参考电阻的电压测量模型；

预处理模块，用于对电压测量模型施加低频交流恒流信号得到目标交流电压信号和参考交流电压信号；

计算模块，用于对目标交流电压信号和参考交流电压信号先进行相关性计算，再结合欧姆定律得到目标电阻的阻值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。