CN102345131A - 金属防腐恒电位仪及其组成的网络化恒电位给定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属防腐技术中的阴极保护技术，具体的说涉及用于金属防腐的恒电位仪及其构成的网络化恒电位系统。本发明针对现有技术的恒电位仪，电位控制精度低，各个参比电极采样同步性差的缺点，公开了一种金属防腐恒电位仪及其组成的网络化恒电位给定系统。本发明的技术方案，对恒电位仪控制系统和参比电极采样同步性等方面进行了改进，采样双闭环控制回路，对恒电位仪的输出电位进行智能控制，其控制策略采用模糊PID控制策略；其参比电极同步采集利用了GPS技术，同步性能大大提高，非常适合超长管线的阴极保护。

Description

金属防腐恒电位仪及其组成的网络化恒电位给定系统

技术领域

本发明涉及金属防腐技术，特别涉及金属防腐技术中的阴极保护技术，具体的说涉及用于金属防腐的恒电位仪及其构成的网络化恒电位系统。

背景技术

金属材料的腐蚀与防腐蚀问题与现代科学技术发展和人民生活息息相关，几乎所有金属材料都是在一定环境中使用，金属材料在使用过程中受环境的作用，往往随时间的延长而逐渐受到损毁或性能下降，通常称之为“腐蚀”。自然环境主要是指大气、海水、土壤等环境，它们对金属材料都会发生腐蚀作用。

金属材料使用量的90％以上是钢铁，全世界现存的钢铁及金属设备大约每年腐蚀率为8～10％，全世界每年因腐蚀损失约高于7000亿美元。一般，由于腐蚀所造成的经济损失约占国民经济总产值的2～4％，由此可见，金属材料的腐蚀问题十分严重和普通，市场机会多，社会及经济意义重大。

国内的大型钢铁桥梁、钢轨、车辆、贮罐、厂房等都是在易于生锈的大气中使用，据估计因大气腐蚀的金属约占总腐蚀损失量的一半以上，随着大型工程，核电站，石油与城市建设的发展，大量的油、气、水管道、电缆及其它金属构件大量埋入地下，由于土壤造成的腐蚀损失越来越重要也十分可观，而这些损失是往往在出现漏油、漏气、火灾、爆炸等事故时才被发现，因此，加强腐蚀防护是十分突出和重要的问题。

化学腐蚀指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏，分为下列两种：气体腐蚀、在非电解质溶液中的腐蚀。依靠腐蚀原电池的作用而进行的腐蚀过程叫做电化学腐蚀。

电化学反应特点是介质为离子导电的电解质。金属/电解质界面反应过程因电荷转移而引起的电化学过程，必然包括电子和离子在界面上的转移。界面上的电化学过程可以分为两个相互独立的氧化和还原过程，金属/电解质界面上伴随电荷转移发生的化学反应称为电极反应。电化学腐蚀过程伴随电子流动，即电流发生。如铁(Fe)的电极反应为：

阳极反应：Fe→Fe²⁺+2e

阴极反应：2H⁺+2e→H₂

总反应：Fe+2H⁺→Fe²⁺+H₂

电极电位：电子导体(金属)和离子导体(电解质)接触，并有电荷在两相之间迁移而发生氧化还原反应，称为电极。在电极和电解液界面上进行的电化学反应称为电极反应，电极反应导致电极与电解液界面上建立起离子双电层，双电层两侧的电位差，即金属与电解液之间的电位差称为电极电位。

平衡电位：金属以离子态形式溶于电解液中时，两者界面处离子浓度上升，留在金属表面的电子带负电，由于静电吸引，溶液中一部分金属离子会沉积到金属表面，溶解与沉积是一个动态平衡，再此平衡态时，电极电位是不变值，称为平衡电位。

非平衡电位：实际金属腐蚀时，电极上可能同时存在两个以上不同物质参与的电化学反应，电极上可能出现物质与电荷交换均达到平衡的情况。这种情况下的电极电位称非平衡电位。在实际的电极体系中，一般不可能实现物质平衡，但可能实现相对的电荷平衡，此时的电极电位为稳定的电极电位，可以用参比电极进行实测。

降低电极电位至非腐蚀区，即阴极保护；把Fe的电位升高至钝化区，即阳极保护，或在溶液中注入缓蚀剂，使金属表面形成纯化膜；调整溶液的PH值，例如在PH＝9.4～12.5范围内可使钢铁表面生成Fe(OH)₂或Fe(OH)₃钝化膜。

腐蚀原电池：裸露钢质管道与土壤或潮湿的大气接触，将形成腐蚀原电池，按电极的大小分为微电池和宏电池两种。

微电池：由金属表面许多微小电极组成的腐蚀电池称为微电池，其形成的原因有：金属化学成份不均匀；金属组织不均匀；金属物理状态不均匀；金属表面膜不完整；介质(土壤)微结构的差异。

宏电池：用肉眼或仪器能明显查找到的不同电极所组成的腐蚀原电池称为宏电池，常见的有下列情况：不同的金属与同一电解质接触；同一金属与不同的电解质接触；不同的金属与不同的电解质接触。

腐蚀原电池的形成条件和作用过程：对于埋地钢质管道，两种腐蚀原电池同时存在，不论哪一种腐蚀原电池，其形成条件都是：有电解质与金属接触；金属的不同部位或两种金属存在电极电位差异；电极之间电气连通。

阴极保护原理及主要方法

阴极保护原理

对被保护金属施加负电流，通过阴极极化使其电极电位负移至金属的平稳电位，从而抑阻金属腐蚀的保护方法称为阴极保护。阴极保护是一种控制金属电化学腐蚀的保护方法。在阴极保护系统构成的电池中，氧化反应集中发生在阳极上，从而抑阻了作为阴极的被保护金属上的腐蚀。阴极保护是一种基于电化学腐蚀原理而发展的一种电化学保护技术。可以从电极反应、极化曲线和极化图以及电位-pH图等诸方面理解阴极保护原理。

电极反应方面，任意两种金属/合金的组合，都可构成电化学电池；低电位者为电池的阳极，主要发生氧化反应；高电位者为阴极，主要发生还原反应。由于阳极和阴极之间存在着电位差，外部电连接的阳极和阴极之间将有电流流过电池，从而加速了阳极的腐蚀，同时抑阻阴极的腐蚀，使阴极金属获得阴极保护。

埋在土壤中的金属管道由于各种原因的影响，管道表面将出现阳极区和阴极区，并在阳极区发生局部腐蚀。阴极保护就是利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的。使用阴极保护时，被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层，以降低阴极保护的费用。

阴极保护技术根据保护电流的供给方式，可分为牺牲阳极法和强制电流法两种保护方法。采用牺牲阳极法的主要优点有：无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低、无需征地或占用其他建构筑物、保护电流利用率高等，因此特别适合于城市范围内的埋地钢管腐蚀。强制电流法则有：保护范围大、适合范围广输出电流高、综合费用低等优点，故适合用于长输管线或市郊管线的防腐。

目前，人们已认识到了管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防蚀措施。这是因为防腐层在生产、运输、与施工中无法保证不受到任何损坏。因此，不可能完全将管道与腐蚀环境、介质完全隔离。而且用于防腐绝缘层的各种材料，都不同程度的具备吸水和透气性。因此埋地后，在土壤溶液作用下会逐步吸水老化。要维持有效的防腐，就必需同时采取阴极保护，即联合保护。阴极保护对腐蚀反应进行积极的干预，它采用阴极极化的电化学手段，保证了被保护金属体的电化学均匀性，抑制了腐蚀电池的产生。阴极保护就是对被保护金属施加强制电流，通过阴极极化使其电极电位负移至金属的平稳电位，从而抑阻金属腐蚀。阴极保护不仅使用于新管的防护，也应用于旧管线的改造和延寿。

阴极保护的主要方法

埋在土壤中的金属管道由于各种原因的影响，管道表面将出现阳极区和阴极区，并在阳极区发生局部腐蚀。阴极保护就是利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的。使用阴极保护时，被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层，以降低阴极保护的费用。

阴极保护技术根据保护电流的供给方式，可分为牺牲阳极法和强制电流法两种保护方法。采用牺牲阳极法的主要优点有：无需外部电源、对外界干扰少、安装维护费用低、无需征地或占用其他建构筑物、保护电流利用率高等，因此特别适合于城市范围内的埋地钢管腐蚀。强制电流法则有：保护范围大、适合范围广输出电流高、综合费用低等优点，故适合用于长输管线或市郊管线的防腐。

金属防腐恒电位仪是指用于阴极保护的一种恒电位仪，本发明中有时也简称为恒电位仪。恒电位仪是阴极保护工程所用的一种主要设备，它为地下金属管线提供直流电流，使管线对地的电位为负，达到防止地下管线腐蚀的目的。本质上，恒电位仪是一台能根据现场参比电位自动调整其输出电压与电流的大小，使参比电位为恒定的直流电源。恒电位仪整体上是一个负反馈放大——输出系统，与被保护金属(如埋地管道)构成闭环调节，通过参比电极测量通电点电位，作为取样信号与控制信号进行比较，实现控制并调节极化电流输出，使通电点电位得以保持在设定的控制电位上。恒电位仪的接线不复杂，一般由4条电缆组成(不考虑误差、故障报警等附属电路可引出的信号接线)，分别接于：输出阴极、输出阳极、零位接阴、参比电极。输出阴极是恒电位仪输出的负端子，接至被保护金属的通电点，输出阳极是恒电位仪的正端子，接至辅助阳极(地床或深井阳极)；零位接阴是仪器电路的地端，接于被保护金属通电点附近，参比电极是取样信号输入端，接埋设在金属通电点附近的电极(参比电极)。输出阴极和输出阳极电缆要有足够的截面积，一般不应小于10mm²。零位接阴和参比电极对电缆截面无要求，只考虑足够强度即可。恒电位仪的接线都应该是铜线，远端并应焊接。

现有技术的恒电位仪的主要缺点是，恒电位仪的电位控制精度低，由于参比电极采样点分散，埋地管线情况复杂，参比电极多，各个参比电极采样同步性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的上述缺点，提供一种金属防腐恒电位仪及其组成的网络化恒电位给定系统。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，金属防腐恒电位仪，包括：

参比电极、输出电极、采样电路、控制系统、调压模块、功率模块；

所述参比电极，用于检测被防护金属周围参考点的电位，并将检测数据通过无线通信网络传输给控制系统；

所述输出电极，包括阴极和阳极，阴极用于连接被防护金属，使其产生设定电位；

所述采样电路，用于采集输出电极的电位和电流，并将采集数据传输到控制系统；

所述控制系统，根据参比电极检测的数据和采样电路采集的数据对功率模块进行控制，使输出电极的输出电位为设定值；

所述调压模块，根据控制系统输出的信号，调整功率模块的输出；

所述功率模块，用于输出设定电位和电流；

其特征在于：

所述控制系统具有第一控制环路和第二控制环路；所述第一控制环路根据采样电路采集的数据，控制功率模块的输出电流，其为恒流控制；所述第二控制环路根据参比电极采集的数据，控制功率模块的输出电位，其为恒压控制。

具体的，所述控制系统采用PID控制器，基于模糊控制理论进行控制。

进一步的，所有参比电极通过GPS系统进行定位和授时，根据控制系统的指令，同步采集各参考点电位。

进一步的，所述功率模块包括逆变器、变压器、整流器和滤波器；所述控制系统包括DSP模块、PWM模块及软件模块；所述逆变器用于对交流电进行变换，根据PWM模块输出的控制信号调整输出的电压参数；所述变压器用于将逆变器输出的电流耦合到整流器进行整流；所述整流器将变压器输出的电流变换为直流电，并通过滤波器滤波后通过输出电极输出；所述DSP模块，根据参比电极和采样电路采集的数据，进行运算处理后输出控制信号，通过PWM模块对逆变器进行控制，并通过调压模块对整流器进行控制。

进一步的，在所述功率模块的输入端和输出端连接有防雷电装置。

进一步的，还包括切换装置，用于调压模块的手动模式和自动模式的切换。

本发明网络化恒电位给定系统，包括N台恒电位仪，其特征在于，所述N台恒电位仪通过GPS系统进行参比电极的同步采集，N≥2。

本发明的有益效果是，控制系统采用双闭环控制回路，根据采样电路采集的数据，以恒流控制的方式控制功率模块的输出电流；根据参比电极采集的数据，以恒压控制的方式，控制功率模块的输出电位，具有控制精度高的特点。进一步的采用模糊智能算法控制策略，增加了恒电位仪的抗干扰性、可靠性以及稳定性。本发明还采用无线网络和GPS系统进行同步，各个参比电极同步精度大大提高，可以在同一时刻完成数据采集，极大的提高的数据采集的时效性，为控制系统提供准确的控制依据。

附图说明

图1是金属防腐恒电位仪结构示意图；

图2是控制系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的金属防腐恒电位仪是阴极保护工程所用的一种主要设备，它为地下金属管线提供直流电流，使管线对地的电位为负，达到防止地下管线腐蚀的目的。工程上，要求恒电位仪能根据现场参比电位，自动调整其输出电压与电流的大小，使参比电位为恒定的直流电源。

本发明金属防腐恒电位仪，包括：参比电极、输出电极、采样电路、控制系统、调压模块、功率模块。所述参比电极，用于检测被防护金属与参考点的电位，并通过通信网络传输给控制系统。所述输出电极，包括阴极和阳极，阴极用于连接被防护金属，使其产生相对于所述参考电极(阳极)的设定电位。所述采样电路，用于采集输出电极的电位和电流，并将采集数据传输到控制系统。所述控制系统，通过调压模块对功率模块进行控制，使输出电极的输出电位为设定值。所述调压模块，根据控制系统输出的信号，调整功率模块的输出。所述功率模块，用于输出设定电位和电流。所述控制系统具有第一控制环路和第二控制环路；所述第一控制环路根据采样电路采集的数据，控制功率模块的输出电流，其为恒流控制；所述第二控制环路根据参比电极采集的数据，控制功率模块的输出电位，其为恒压控制。

本发明的控制系统采用模糊智能算法，它把采集到的电位信号与给定电位进行比较，通过模糊PID(比例、积分、微分)算法实时的调整恒电位仪输出电流，使电位恒定在给定电位。该算法增加了恒电位仪抗干扰能力、可靠性以及稳定性。

由于每个参比电极的电位仅反映某一点的电位，本发明将若干参比电极通过GPS同步进行测量，实现多点同步测量，能够实时地反映现场电位分布情况。结合内环恒电流控制和外环为恒压电位控制，其控制精度大大提高，模糊智能算法的采用增加了恒电位仪抗干扰性。

本发明控制系统采用DSP控制系统，它把采集到的电位信号与给定电位进行比较，通过PID算法实时的调整调整恒电位仪输出电流，使电位恒定在给定电位。

本发明的功率模块采用可控硅输出，可以提供几千瓦的输出。调压模块是用来可靠触发和控制可控硅的。调压模块执行DSP控制系统发出的控制时序，从而实现输出电流的精密控制。

本发明根据恒电位仪输出功率的不同，一台恒电位仪可以满足几公里到数十公里的地下管线防腐。为了对长达几百上千公里的地下管线进行防腐，需要将多台恒电位仪联网使用，采用GPS系统进行每台恒电位仪参比电极的同步测量，为多个恒电位仪的统一无线控制，实现远距离、多点同步测量奠定了基础，大大改善了多个恒电位仪同时控制的实时性和可靠性。

实施例

如图1所示，本例金属防腐恒电位仪包括参比电极3、输出电极2、采样电路20、控制系统(由图1中的DSP模块、软件模块32和PWM模块31构成)、调压模块4、切换装置5、功率模块(由变频器10、变压器11、可控硅整流器12和滤波器13构成)。

逆变器10用于对交流电进行变换，根据PWM模块31输出的控制信号调整输出的电压参数，变压器11用于将逆变器10输出的电流耦合到可控硅整流器12进行整流，将变压器11输出的脉冲电流变换为直流电，并通过滤波器13滤波后通过输出电极2输出。DSP模块30根据参比电极和采样电路采集的数据，进行运算处理后输出控制信号，通过PWM模块31对逆变器10进行控制，并通过调压模4块对可控硅整流器12进行控制。

本例DSP模块是控制系统的核心，它把采集到的电位信号与给定电位进行比较，通过模糊PID算法实时的调整可控硅脉冲发生器的触发脉冲角度，调整恒电位仪输出电流，使电位恒定在给定电位。模糊PID控制是结合PID控制和模糊控制的一种新型控制方式，在现有技术中已经有成熟的理论和实际用于，如《现代机械》2004年第4期刊登的文章【模糊PID控制及其MATLAB仿真】就有详细的介绍，此处不再详述。本例控制系统具有第一控制环路和第二控制环路，第一控制环路根据采样电路采集的数据，控制功率模块的输出电流，为恒流控制。第二控制环路根据参比电极采集的数据，控制功率模块的输出电位，为恒压控制。本例的调压模块4用于可靠触发和控制可控硅整流器12，使其严格执行DSP模块30发出的控制时序，实现输出电流的精密控制。

本例的切换装置是用来实现手动控制与自动控制的切换。手动控制功能是当自动控制功能失灵时人工调节输出电流，以保证被保护金属仍得到一定保护。即本系统除自动控制恒电位功能外，还有手动稳压功能。手动稳压被选择时，可以手动调节可控硅整流器的触发脉冲角度，使电位恒定在给定电位。

本例所有参比电极3通过GPS系统(全球定位系统)进行定位和授时，根据控制系统的指令，同步采集各参考点电位。

GPS系统(包括参比电极端的GPS模块和控制系统中的GPS模块)用来实现多个恒电位仪的统一无线控制，克服了有线传输费用高、设计复杂等缺点，大大改善了多个恒电位仪同时控制的实时性和可靠性。

本例输出电极2，包括阴极和阳极，阴极用于连接被防护金属，使其产生设定电位；

本例在所述功率模块的输入端和输出端连接有防雷电装置。用于保护交流电(AC)输入端、输出电极。可以起到在恶劣工作环境下保护系统电路不被干扰和烧坏。具体的防雷电路可以采用压敏电阻等。

本发明的控制系统包含有友好的人机界面，可以实现“海量”数据存储，同时有数字电流电压显示功能，还拥有实时打印功能。

本例的采样电路由精密采样电路构成，根据参量的类型通过放大器将信号放大，经A/D转换器转换成数字量送入控制系统，对数字进行格式化处理后，按分类存入设定的数据区以供显示或发送时取用。

本例的控制流程如图2所示，恒电位仪采用双闭环控制，内环为恒电流控制，外环为来自参比电极的电位控制，这样的控制方式可以保证外加电流阴极保护系统在通电初期，被保护金属的电位未达到保护电位范围之前，设备以恒定电流输出使被保护金属较快地极化，达到保护电位。系统上电并自检完成后，根据经验值，初设导通角α＝α₀，而后由外环的参比电极电位信号来调节输出电流，使被保护金属的电位始终在保护电位范围内。需要检测的参量由精密采样电路采样，经A/D转换器转换成数字量送入控制系统，对数字进行格式化处理后，按分类存入设定的数据区以供显示或发送时取用。电位控制的取样信号来自参比电极，这里采用多点取样，均匀取值。即对多只参比电极同时取样，多点的值经过判断处理后来控制内环的电流给定，以达到控制输出电流。参比电极的电位信号输入后，进行故障判断和均值计算。一方面作为系统参数输出；另一方面作为反馈控制参数与电位设定值进行比较，计算出新的触发脉冲的产生时间，从而改变输出电压、电流的大小来达到恒电位的目的。

采样N台恒电位仪，通过GPS系统进行参比电极的同步采集和各个恒电位仪的同步协调控制，可以实现数百上千公里管线的防护，根据恒电位仪的输出功率和被保护管线长度，N≥2，甚至可以到达数十数百台恒电位仪的同步控制。

本发明的GPS同步测量技术，是采用天线和GPS模块接收到GPS卫星发射的含有时间信息的信号，输入到同步授时网络的本地时钟同步模块中的主模块，解析出时间信息，根据解析出的时间信息，对主模块中的本地实时时钟重新设定，从而完成作为同步授时网络化恒电位仪的本地时钟同步模块的授时。

Claims (7)

1.金属防腐恒电位仪，包括：

参比电极、输出电极、采样电路、控制系统、调压模块、功率模块；

所述参比电极，用于检测被防护金属周围参考点的电位，并将检测数据通过无线通信网络传输给控制系统；

所述输出电极，包括阴极和阳极，阴极用于连接被防护金属，使其产生设定电位；

所述采样电路，用于采集输出电极的电位和电流，并将采集数据传输到控制系统；

所述控制系统，根据参比电极检测的数据和采样电路采集的数据对功率模块进行控制，使输出电极的输出电位为设定值；

所述调压模块，根据控制系统输出的信号，调整功率模块的输出；

所述功率模块，用于输出设定电位和电流；

其特征在于：

所述控制系统具有第一控制环路和第二控制环路；所述第一控制环路根据采样电路采集的数据，控制功率模块的输出电流，其为恒流控制；所述第二控制环路根据参比电极采集的数据，控制功率模块的输出电位，其为恒压控制。

2.根据权利要求1所述的金属防腐恒电位仪，其特征在于，所述控制系统采用PID控制器，基于模糊控制理论进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的金属防腐恒电位仪，其特征在于，所有参比电极通过GPS系统进行定位和授时，根据控制系统的指令，同步采集各参考点电位。

4.根据权利要求1、2或3所述的金属防腐恒电位仪，其特征在于，所述功率模块包括逆变器、变压器、整流器和滤波器；所述控制系统包括DSP模块、PWM模块及软件模块；所述逆变器用于对交流电进行变换，根据PWM模块输出的控制信号调整输出的电压参数；所述变压器用于将逆变器输出的电流耦合到整流器进行整流；所述整流器将变压器输出的电流变换为直流电，并通过滤波器滤波后通过输出电极输出；所述DSP模块，根据参比电极和采样电路采集的数据，进行运算处理后输出控制信号，通过PWM模块对逆变器进行控制，并通过调压模块对整流器进行控制。

5.根据权利要求4所述的金属防腐恒电位仪，其特征在于，在所述功率模块的输入端和输出端连接有防雷电装置。

6.根据权利要求4所述的金属防腐恒电位仪，其特征在于，还包括切换装置，用于调压模块的手动模式和自动模式的切换。

7.网络化恒电位给定系统，包括N台恒电位仪，其特征在于，所述N台恒电位仪通过GPS系统进行参比电极的同步采集，N≥2。

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