CN103849880A - 一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法及其保护装置 - Google Patents

Abstract

一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法，一，采用脉冲宽度调制极化电源连接埋地管道设施；二，设定阴极保护电位到预定值；三，根据阴极保护电位值，产生脉冲宽度调制信号；四，脉冲宽度调制信号驱动脉冲宽度调制极化电源；五，测量脉冲宽度调制极化电源的输出电压，测量脉冲宽度调制极化电源的输出电流；六，测量埋地管道设施相对参比电极的阴极保护电位；装置为：脉冲宽度调制极化电源连输出电流测量器、输出电压测量器，脉冲宽度调制极化电源与埋地设施、辅助阳极、开关控制器相连，控制电路通过保护电位设置器与反馈信号控制器相连，阴极保护电位测量器通过硫酸铜参比电极阻抗变换器连接埋地参比电极；体积小，控制精度高。

Description

一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法及其保护装置

技术领域

本发明属于腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法及其保护装置。

背景技术

在石油、天然气储运中，所用的设备，如管道大多数埋设在地面以下，遭受土壤介质的腐蚀；储存石油储罐的罐底也和土壤介质接触,受土壤介质的腐蚀。钢质管道和储罐在土壤环境中的腐蚀非常严重，一旦因腐蚀产生穿孔，导致泄漏事故，会产生巨大的经济损失，需要停输对设备进行检修和维修，输送介质的泄露对环境也造成了严重地污染。为了防止输送或储存石油、天然气金属设备的腐蚀，并引起的泄漏事故，许多企业采取定期更换设备；不少单位开展了金属设备的腐蚀研究试验，采取了一定的防护措施。

目前，对管道、储罐这些埋地的金属设备采用高分子材料涂覆层和阴极保护的联合防护措施。涂覆层以隔断金属设备与土壤介质的接触，减少裸露金属表面的面积，降低阴极保护的总电流；阴极保护对这些埋地金属设备施加相对地（土壤介质）更负的电位，使金属设备处于不发生腐蚀的电位范围，阴极保护可保护涂覆层不可避免存在的针孔、长期使用老化引起的开裂、各种机械损伤产生的裸露金属表面。由于涂覆层与这些埋地设施的建设同步，以后的检测和维修困难,所以联合防护措施的关键是保证阴极保护的有效性。

在阴极保护系统中，对埋地管道等施行阴极保护的关键设备是恒电位仪，它能提供埋地设施所需要的阴极保护电流，并使得阴极保护的电位保持在预定的电位范围。随着国内各类油气管道和站场的建设，在外加电流阴极保护技术取得长足进步的同时，作为极化电源的恒电位仪也得到了快速的发展，逐渐向低压大电流、高动态性能、输出电压多元化、热切换、可靠性高、智能化、远程控制的方向发展。

常用的恒电位仪都是基于50Hz电网条件下运行的，统称为相控式恒电位仪。主要有：二极管整流器恒电位仪、晶体管恒电位仪、磁饱和式恒电位仪和可控硅式恒电位仪。可控硅式恒电位仪是目前应用最广泛的阴极保护电源，采用工频变压器，体积重量比晶体管和磁饱和恒电位仪小，自动调节性能也优于前者，可基本满足阴极保护的供电要求。但是，可控硅调节产生高纹波和严重的杂音干扰，对阴极保护效果产生一定的影响，加之可控硅整流器因固有的输入特性会对电网产生的谐波，导致电网“污染”，尤其是大容量整流器的使用。通常，可控硅式恒电位仪的功率因数较低，在0.7以下，所以在相同的有功功率时消耗大、用电量也高。近年来，随开关元件发展，各种可控整流器因此得到发展，其中脉冲宽度调制（PWM）整流器倍受关注。PWM整流器一般采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全控型器件作为开关器件，通过触发相应的器件关断和开通来实现交流到直流的转换，称为开关电源。高频开关电源采用功率开关器件构成逆变电路，其电能可实现双向传递，有效地消除了输入特性对电网产生的谐波，其功率因数在0.9以上。如果采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关、控制开关元件占空比来调整输出电压，并经过滤波，获得高精度的直流电，采用这种开关电源作为整流器来设计阴极保护恒电位仪，可得到所谓的脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪，比传统阴极保护恒电位仪具有体积小、电位控制精度高、功率因数高、电网污染少等特点。基于此思路，本发明涉及一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法及其保护装置，为石油天然气站场埋地管道或设施提供阴极保护。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法及其保护装置，为石油天然气输送站场埋地管道或设施提供阴极极化电流或保护电流，使得腐蚀环境如土壤中的管道等处于不发生腐蚀的电位范围，从而有效地抑制管道材料在土壤环境中的阳极氧化反应，防止或减缓埋地管道等的土壤腐蚀，防止腐蚀引发的泄露、安全等事故，也达到了延长管道等在腐蚀性环境中使用寿命的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法，包括以下步骤：

第一，采用脉冲宽度调制极化电源,连接到220 V工频电网，输出级的正极连接辅助阳极、输出级的负极连接到埋地管道设备，输出电压为0~24 V可调，输出的最大电流为40 A；

第二，设定阴极保护电位到预定值，所述的阴极保护电位为埋地管道设施相对饱和硫酸铜参比电极的电位，其按电化学规定在0 ~-2.0范围,即阴极保护电位值在0 ~2.0范围；

第三，根据设定的阴极保护电位值，产生脉冲宽度调制信号，增加阴极保护电位值，脉冲宽度增加，脉冲宽度调制极化电源的输出电压也增加；

第四，由产生的脉冲宽度调制信号对脉冲宽度调制极化电源进行驱动，并保持稳定的电压输出；

第五，测量输出的电压，并反馈到脉冲宽度调制信号，以保持电压输出的稳定，测量脉冲宽度调制极化电源的输出电流，采用数码管显示；

第六，测量埋地管道设施相对参比电极的阴极保护电位，采用阻抗变换解决参比电极高内阻的问题；测量的阴极保护电位反馈到保护电位设置器；当阴极保护系统因土壤理化性质发生变化时，可保持阴极保护电位稳定在预定值，反馈信号控制方式有二种：一是自动运行，采用反馈；二是手动调整，不进行反馈。

一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的恒电位仪，其特征在于，包括有脉冲宽度调制极化电源，脉冲宽度调制极化电源的输出端分别连有输出电流测量器、输出电压测量器，脉冲宽度调制极化电源的负极与埋地设施相连，正极与辅助阳极相连；脉冲宽度调制极化电源的控制端与开关控制器相连，开关控制器通过脉冲宽度调制信号产生的控制电路与保护电位设置器相连，保护电位设置器通过反馈信号控制器与阴极保护电位测量器相连，阴极保护电位测量器通过硫酸铜参比电极阻抗变换器连接埋地参比电极。

所述的脉冲宽度调制极化电源，其电路包括有电感L1，电感L1与电容C1组成输入滤波器，整流二极管D1-D4组成桥式整流器，滤波电路由桥式整流器与电容C2组成，全控型开关器件包括全控型开关器件M1、全控型开关器件M2，控制信号Q1、控制信号Q2，电压变换电路由变压器T1、电容C4、电阻R1组成，输出全桥整流器由整流二极管D5、D6组成，输出直流滤波电路由电感L2、电容C7、电容C8组成；电容C1的两端分别与220V工频连接，其中一端连接到电感L1的一端，电感L1另一端与整流二极管D1、D3的一端连接，电容C1的另一端与整流二极管D2、D4的一端连接；整流二极管D1和整流二极管D2另一端连接到电容C2的一端，整流二极管D3和整流二极管D4另一端连接到电容C2的另一端；电容C2的一端连接到全控型开关器件M1源级s、电容C5和C6的一端，电容C2的另一端连接到全控型开关器件M2漏级d、电容C3一端，全控型开关器件M1的漏极d与全控型开关器件M2源级s连接，并连接到电阻R1的一端和变压器T1初级线圈的一端，全控型开关器件M1和全控型开关器件M2的栅极g分别连接到脉冲控制信号Q1和Q2；电容C5的另一端连接到电容C3的另一端、电容C4的一端和变压器T1初级线圈的另一端；电容C4的另一端与电阻R1的另一端相连接；变压器T1的次级线圈的中心抽头连接到滤波电容C7、C8的一端和被保护的埋地设施；变压器T1的次级线圈的两端分别连接到整流二级管D5、D6的一端，整流二级管D5、D6的另一端连接到整流电容C7的另一端和电感L2的一端，电感L2的另一端连接到滤波电容C8的另一端，并与阴极保护的辅助阳极相连接，电容C6的另一端连接到V0的直流地G2和埋地设施。

所述的脉冲宽度调制极化电源的输出电压为辅助阳极相对埋地设施的电压V0，其可调范围在0~24V，最大输出电流为40A，阴极保护电位值在0~2V范围内。

所述的脉冲宽度调制信号产生的控制电路，包括有电阻R22，电阻R22的一端与+12V电源连接，另一端与可调电阻Rw的一端连接，可调电阻Rw的另一端连接到+12V电源地，可调电阻Rw的可调端连接到电阻R24的一端，电阻R24的另一端与集成电路U5的2脚连接；电阻R25的一端接电源地，另一端与集成电路U5的3脚连接；集成电路U5的7脚接+12V电源，U5的4脚接-12V电源，集成电路U5的6脚与电阻R13、电阻R16、电容C20的一端和集成电路U3的1脚连接；电阻R13的另一端与脉冲宽度调制极化电源的输出正极连接；电阻R16的另一端与电容C19的一端、电阻R17的一端和集成电路U3的3脚连接，电阻R17的另一端连接到集成电路U3的6脚，电容C19的另一端与集成电路U3的5脚、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端连接到集成电路U3的7脚；电容C20的另一端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端连接到集成电路U3的9脚和电容C22的一端，电容C22的另一端连接集成电路U3的12脚、电容C23的一端，并连接变压器T2次级线圈的中心抽头，即12V电源地；电容C23的另一端连接到关断信号和集成电路U3的10脚，电阻R14的两端分别连接到集成电路U3的2脚和16脚，电容C21的两端分别连接到集成电路U3的8脚和12V电源地，集成电路U3的15脚与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端连接到+12V电源，同时也连接到集成电路U3的13脚，集成电路U3的11脚与电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与三极管B4、三极管B6的基极连接，二极管D14的两端分别连接到三极管B4的集电极和发射极，三极管B4的集电极与二极管D12的一端、三极管B5的集电极连接，二极管D12的另一端连接到12V电源地，二极管D16的两端分别连接到三极管B6的发射极和集电极，三极管B6的发射极与三极管B4的发射极和变压器T3初级线圈的一端连接，三极管B6的集电极与电容C24的一端、二极管D13的一端和三极管B7的集电极连接，电容C24的另一端与二极管D12的一端连接，二极管D13的另一端与集成电路U2的1脚和电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端连接到集成电路U2的2脚，集成电路U3的14脚与电阻R27的一端连接，电阻R27的另一端与三极管B5的基极、B7的基极连接，二极管D15的两端分别连接到三极管B5的集电极和发射极，二极管D17的两端分别连接到三极管B7的集电极和发射极，三极管B5的发射极与三极管B7的发射极和变压器T3初级线圈的另一端连接，变压器T3的次级线圈之一的一端接地G1，另一端与电阻R28的一端连接，电阻R28的另一端输出脉冲宽度调制信号Q1，变压器T3的次级线圈之二的一端接地G1，另一端与电阻R29的一端连接，电阻R29的另一端输出脉冲宽度调制信号Q2；电阻R20的一端接参比电极，另一端连接到集成电路U4的3脚，集成电路U4的6脚与电阻R21的一端和电阻R23的一端连接，电阻R21的另一端连接到集成电路U4的2脚，电阻R23的另一端与电容C25一端和集成电路U5的2脚连接，电容C25另一端连接到集成电路U5的6脚，集成电路U4的7脚接+12V电源，U4的4脚接-12V电源；

所述的12V电源由电阻R2~R11、二极管D7~D11、电容C13-C18、集成电路U1、三极管B2、三极管B3、全控型开关器件M3和变压器T2的连接电路组成；电阻R2的一端、变压器T2初级线圈之一的一端和电容C13的一端连接，并连接到311V电源，电容C13的另一端与311V电源地连接，变压器T2初级线圈之一的另一端与全控型开关器件M3的漏极d和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端连接到311V电源地,电阻R2的另一端与电阻R7的一端、集成电路U1的7脚、电阻R3的一端连接，二极管D7与二极管D8串连，二极管D8的一端与电阻R3的一端连接，二极管D7的一端与电阻R3的另一端连接，电阻R3的另一端连接到三极管B1的集电极,集成电路U1的1脚与集成电路U2的4脚、电容C10的一端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与三极管B1的基极和电容C11的一端连接，电容C11的另一端与集成电路U1的2脚和电容C10的另一端连接,三极管B1的发射极与集成电路U1的4脚和电容C12的一端连接，电容C12的另一端与集成电路U1的5脚连接，并连接到311V电源地，集成电路U1的6脚与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端连接到三极管B2、三极管B3的基极，电容C15的两端分别连接到三极管B2、三极管B3的集电极，集成电路U1的3脚与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端连接到三极管B3的集电极，三极管B2、三极管B3的发射极相连，并连接到全控型开关器件M3的栅极g，全控型开关器件M3的源极s连接到电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接到311V电源地，三极管B2的集电极连接到二极管D9的一端，二极管D9的另一端连接到变压器T2初级线圈之二的一端，全控型开关器件M3的漏极d与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电容C16的一端连接，电容C16的另一端连接到变压器T2初级线圈之二的另一端、集成电路U2的3脚，并连接到311V电源地，变压器T2次级线圈的一端与二极管D10的一端，二极管D10的另一端与电容C17的一端连接，并输出+12V电压，变压器T2次级线圈的另一端与二极管D11的一端连接，二极管D11的另一端与电容C18的一端连接，并输出-12V电压，电容C17的另一端、电容C18的另一端连接到变压器T2次级线圈的中心抽头，中心抽头为12V电源地。

由于本发明采用脉冲宽度调制整流器作为阴极保护的极化电源，为埋地管进行阴极极化，达到了拟制管道在土壤环境中的腐蚀，获得良好的阴极保护效果，使得本发明具有以下优点: 

由于本发明采用脉冲宽度调制设计阴极保护的极化电源，具有电能双向流动，有效消除了谐波对电网的污染，保证输入电压与电流同相位，从而消除大部分的谐波，保证恒电位仪具有高的功率因数，比现有可控硅式恒电位仪节省电能10%以上；脉冲宽度调制极化电源的输出电压是由控制信号的占空比（脉冲宽度）来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压，并长期运行稳定性好。此外，脉冲宽度调制没有采用笨重的工频变压器，调整管上的耗散功率大幅度降低省去了较大的散热片,其体积很小，重量仅有3公斤，具有很好的便携性。

本发明具有通用性好，便于实现，效果显著，便于推广等特点，且适合于各种埋地金属设施的阴极保护。

脉冲宽度调制极化电源采用全控型器件作为开关器件，通过触发相应的器件关断和开通来实现交流到直流的转换，功率开关器件构成逆变电路，其电能可实现双向传递，有效地消除了输入特性对电网产生的谐波，其功率因数在0.9以上。如果采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关、控制开关元件占空比来调整输出电压，并经过滤波，获得高精度的直流电，采用这种开关电源作为极化电源来设计阴极保护恒电位仪，可得到所谓的脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪，比传统阴极保护恒电位仪具有体积小、电位控制精度高、功率因数高、电网污染少等特点。本申请涉及的基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法及保护装置，为石油天然气站场埋地管道或设施提供阴极保护。

本发明还具有体积小，节省电能，控制精度高，长期运行稳定等特点，适合石油天然气输送站场埋地管道、储罐等设施的阴极保护。

附图说明

图1为本发明的恒电位仪的系统框图。

图2为脉冲宽度调制信号产生的控制电路。

图3为本发明脉冲宽度调制极化电源主电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理、控制原理作进一步详细说明。

一种脉冲宽度调制型阴极保护方法，包括以下步骤：

第一，采用脉冲宽度调制极化电源,连接到220 V工频电网，输出级的正极连接辅助阳极、输出级的负极连接到埋地管道设备，输出电压为0~24V可调，输出的最大电流为40A；

第二，设定阴极保护电位到预定值，所述的阴极保护电位，为埋地管道设施相对饱和硫酸铜电极的电位，其按电化学规定在0 ~-2.0范围,即阴极保护电位值在0~2.0范围；

第三，根据设定的阴极保护电位值，产生脉冲宽度调制信号，增加阴极保护电位值，脉冲宽度增加，脉冲宽度调制极化电源的输出电压也增加；

第四，由产生的脉冲宽度调制信号对脉冲宽度调制极化电源进行驱动，并保持稳定的电压输出；

第五，测量输出的电压，并反馈到脉冲宽度调制信号，以保持电压输出的稳定，测量脉冲宽度调制极化电源的输出电流，采用数码管显示；

第六，测量埋地管道设施相对参比电极的阴极保护电位，采用阻抗变换解决参比电极高内阻的问题；测量的阴极保护电位反馈到保护电位设置器；当阴极保护系统因土壤理化性质发生变化时，可保持阴极保护电位稳定在预定值，反馈信号控制方式有二种：一是自动运行，自动运行采用反馈；二是手动调整，手动调整不进行反馈。

参见图1，一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的恒电位仪，包括有脉冲宽度调制极化电源，脉冲宽度调制极化电源的输出端分别连有输出电流测量器、输出电压测量器，脉冲宽度调制极化电源的负极与埋地设施相连，正极与辅助阳极相连；脉冲宽度调制极化电源的控制端与开关控制器相连，开关控制器通过脉冲宽度调制信号产生的控制电路与保护电位设置器相连，保护电位设置器通过反馈信号控制器与阴极保护电位测量器相连，阴极保护电位测量器通过硫酸铜参比电极阻抗变换器连接埋地参比电极。

将恒电位仪的输出端分别与被保护的埋地管道和辅助阳极连接，并连接埋地的参比电极（长效饱和硫酸铜参比电极），通过设定电位在管道和辅助阳极之间的土壤环境中形成防腐蚀电流，使得埋地管道的保护电位保持在预定的值，从而抑制了管道材料的腐蚀。

参见图3，所述的脉冲宽度调制极化电源由4个大功率整流二级管整流桥对公频电网进行整流，其型号为D25XB60，并经过电容C2进行滤波，得到电压为311V的直流电；脉冲宽度调制电路由2个开关器件M1和M2(型号2SK2373)对直流电进行调制得到高频脉冲输出电压，开关控制器的控制信号为Q1和Q2。电容C3和C5将高频脉冲输出电压和直流电进行隔离，高频脉冲输出电压经变压器T1降压，得到低压高频脉冲输出，经二极管D5和D6(型号FMX32S)整流、电容C7、C8和电感L2滤波得到满足阴极保护要求的高精度直流电；输出电压的高低通过调整信号Q1和信号Q2的占空比来实现；输出电压V0的范围为0~24V，输出的最大电流为40A，阴极保护电位Vp在金属管道的自腐蚀电位~-2.V(相对饱和硫酸铜电极)范围可调，即阴极保护电位值在0~2 V范围可调。

参见图3，所述的脉冲宽度调制极化电源，其主电路包括有电感L1，电感L1与电容C1组成输入滤波器，整流二极管D1-D4组成桥式整流器，滤波电路由桥式整流器与电容C2组成，全控型开关器件包括开关器件M1、开关器件M2，控制信号Q1、控制信号Q2，电压变换电路由变压器T1、电容C4、电阻R1组成，输出全桥整流器由整流二极管D5、D6组成，输出直流滤波电路由电感L2、电容C7、电容C8组成；电容C1的两端分别与220V工频连接，其中一端连接到电感L1的一端，电感L1另一端与整流二极管D1、整流二极管D3的一端连接，电容C1的另一端与整流二极管D2、整流二极管D4的一端连接；整流二极管D1和整流二极管D2另一端连接到电容C2的一端，整流二极管D3和整流二极管D4另一端连接到电容C2的另一端；电容C2的一端（311V直流地G1）连接到全控型开关器件M1源级s、电容C5和电容C6的一端，电容C2的另一端（311V电源）连接到全控型开关器件M2漏级d、电容C3一端，全控型开关器件M1的漏极d与全控型开关器件M2源级s连接，并连接到电阻R1的一端和变压器T1初级线圈的一端，全控型开关器件M1和M2的栅极g分别连接到脉冲控制信号Q1和Q2；电容C5的另一端连接到电容C3的另一端、电容C4的一端和变压器T1初级线圈的另一端；电容C4的另一端与电阻R1的另一端相连接；变压器T1的次级线圈的中心抽头连接到滤波电容C7、电容C8的一端和被保护的埋地设施（如管道）；变压器T1的次级线圈的两端分别连接到整流二级管D5、整流二级管D6的一端，整流二级管D5、整流二级管D6的另一端连接到整流电容C7的另一端和电感L2的一端，电感L2的另一端连接到滤波电容C8的另一端，并与阴极保护的辅助阳极相连接，电容C6的另一端连接到V0的直流地G2和埋地设施。

所述的脉冲宽度调制极化电源的输出电压为正极（连辅助阳极）相对负极（连埋地设施）的电压V0，其可调范围在0~24V，最大输出电流为40A，在阴极保护系统中，通常测量被保护埋地管道等设施相对参比电极的电位作为该设施的阴极保护电位Vp，当Vp达到-0.85V或低于此值，埋地管道可达到阴极保护，即抑制了钢管道在土壤中的腐蚀；

参见图2，所述的开关控制器的控制信号为Q1和Q2，由脉冲宽度调制信号的控制电路产生，其控制电路包括有电阻R22，电阻R22的一端与+12V电源连接，另一端与可调电阻Rw的一端连接，可调电阻Rw的另一端连接到+12V电源地，可调电阻Rw的可调端连接到电阻R24的一端，电阻R24的另一端与集成电路U5（运算放大器，型号OPA117）的2脚连接；电阻R25的一端接电源地，另一端与集成电路U5的3脚连接；集成电路U5的7脚接+12V电源，U5的4脚接-12V电源，集成电路U5的6脚与电阻R13、电阻R16、电容C20的一端和集成电路U3（脉冲宽度调整控制器,型号UC3525）的1脚连接；电阻R13的另一端与脉冲宽度调制极化电源的输出正极（图3）连接；电阻R16的另一端与电容C19的一端、电阻R17的一端和集成电路U3的3脚连接，电阻R17的另一端连接到集成电路U3的6脚，电容C19的另一端与集成电路U3的5脚、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端连接到集成电路U3的7脚；电容C20的另一端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端连接到集成电路U3的9脚和电容C22的一端，电容C22的另一端连接集成电路U3的12脚、电容C23的一端，并连接变压器T2次级线圈的中心抽头，即12V电源地；电容C23的另一端连接到关断信号和集成电路U3的10脚，电阻R14的两端分别连接到集成电路U3的2脚和16脚，电容C21的两端分别连接到集成电路U3的8脚和12V电源地，集成电路U3的15脚与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端连接到+12V电源，同时也连接到集成电路U3的13脚，集成电路U3的11脚与电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与三极管B4（型号9013）、三极管B6（型号9012）的基极连接，二极管D14的两端分别连接到三极管B4的集电极和发射极，三极管B4的集电极与二极管D12的一端、三极管B5（型号9013）的集电极连接，二极管D12的另一端连接到12V电源地，二极管D16的两端分别连接到三极管B6的发射极和集电极，三极管B6的发射极与三极管B4的发射极和变压器T3初级线圈的一端连接，三极管B6的集电极与电容C24的一端、二极管D13的一端和三极管B7（型号9012）的集电极连接，电容C24的另一端与二极管D12的一端连接，二极管D13的另一端与集成电路U2（线性光耦，型号PC817）的1脚、电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端连接到集成电路U2的2脚，集成电路U3的14脚与电阻R27的一端连接，电阻R27的另一端与三极管B5的基极、三极管B7的基极连接，二极管D15的两端分别连接到三极管B5的集电极和发射极，二极管D17的两端分别连接到三极管B7的集电极和发射极，三极管B5的发射极与三极管B7的发射极和变压器T3初级线圈的另一端连接，变压器T3的次级线圈之一的一端接地G1，另一端与电阻R28的一端连接，电阻R28的另一端输出脉冲宽度调制信号Q1，变压器T3的次级线圈之二的一端接地G1，另一端与电阻R29的一端连接，电阻R29的另一端输出脉冲宽度调制信号Q2；电阻R20的一端接参比电极，另一端连接到集成电路U4(运算放大器，型号OPA117)的3脚，集成电路U4的6脚与电阻R21的一端和电阻R23的一端连接，电阻R21的另一端连接到集成电路U4的2脚，电阻R23的另一端与电容C25一端和集成电路U5的2脚连接，电容C25另一端连接到集成电路U5的6脚，集成电路U4的7脚接+12V电源，U4的4脚接-12V电源；

所述的12V电源由电阻R2~R11、二极管D7~D11、电容C13-C18、集成电路U1、三极管B2、三极管B3、全控型开关器件M3和变压器T2的连接电路组成；电阻R2的一端、变压器T2初级线圈之一的一端和电容C13的一端连接，并连接到311V电源，电容C13的另一端与311V电源地连接，变压器T2初级线圈之一的另一端与全控型开关器件M3（型号2SK903）的漏极d和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端连接到311V电源地，电阻R2的另一端与电阻R7的一端、集成电路U1（脉冲宽度调整控制器，型号UC2842）的7脚、电阻R3的一端连接，二极管D7与二极管D8串连，二极管D8的一端与电阻R3的一端连接，二极管D7的一端与电阻R3的另一端连接，电阻R3的另一端连接到三极管B1（型号9013）的集电极,集成电路U1的1脚与集成电路U2的4脚、电容C10的一端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与三极管B1的基极和电容C11的一端连接，电容C11的另一端与集成电路U1的2脚和电容C10的另一端连接,三极管B1的发射极与集成电路U1的4脚和电容C12的一端连接，电容C12的另一端与集成电路U1的5脚连接，并连接到311V电源地。集成电路U1的6脚与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端连接到三极管B2（型号9013）、三极管B3（型号9012）的基极，电容C15的两端分别连接到三极管B2、B3的集电极，集成电路U1的3脚与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端连接到三极管B3的集电极，三极管B2、三极管B3的发射极相连，并连接到全控型开关器件M3的栅极g，全控型开关器件M3的源极s连接到电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接到311V电源地，三极管B2的集电极连接到二极管D9的一端，二极管D9的另一端连接到变压器T2初级线圈之二的一端。全控型开关器件M3的漏极d与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电容C16的一端连接，电容C16的另一端连接到变压器T2初级线圈之二的另一端、集成电路U2的3脚，并连接到311V电源地，变压器T2次级线圈的一端与二极管D10的一端，二极管D10的另一端与电容C17的一端连接，并输出+12V电压，变压器T2次级线圈的另一端与二极管D11的一端连接，二极管D11的另一端与电容C18的一端连接，并输出-12V电压，电容C17的另一端、电容C18的另一端连接到变压器T2次级线圈的中心抽头，中心抽头为12V电源地。

本发明的工作原理是：

将恒电位仪的输出端分别接到埋地设施（管道）、辅助阳极和参比电极，输入端接到工频电网，打开开关。调整可调电阻Rw，使得阴极保护电位Vp到达预定的值，在管道和辅助阳极之间的土壤等环境中形成防腐蚀电流，抑制了管道材料在土壤环境中的阳极反应，则防止了管道的腐蚀。

本发明的应用效果：

按照图1-3，制作了脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪样机，并在现场进行了应用，本发明的脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪采用交流220V供电，输出电压在0~24V范围可调，输出最大电流为40A，阴极保护电位值在0~2V范围可调。

在广西某海上油田终端处理厂，有一台输入为三相的磁饱和型恒电位仪对9个储罐（3个原油储罐，4个轻质油储罐和2个消防水储罐）进行阴极保护，系统输出电流为8A，输出电压V0为4V，控制的阴极保护电位Vp为-1.5V（相对硫酸铜饱和电极），监测的阴极保护电位波动在0.1V范围。本发明的一种脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪样机与磁饱和型恒电位仪的对比，由于脉冲宽度调制恒电位仪没有采用笨重的工频变压器，所以其体积很小。本发明的一种脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪在现场使用一年后，与原来的三相的磁饱和型恒电位仪相比，节省电能18%，长期运行稳定，监测的阴极保护电位波动在0.05V范围。

在新疆某原油输送站库，有一台输入为三相的可控硅式恒电位仪对1个储罐进行阴极保护，系统输出电流为10A，输出电压V0为12V，控制的阴极保护电位Vp为-1.4V（相对硫酸铜饱和电极），监测的阴极保护电位波动在0.12V范围。本发明的一种脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪在现场使用半年后，与原来的三相可控硅式恒电位仪相比，节省电能16%，监测的阴极保护电位波动在0.07V范围。

在陕京二线北京某天然气输送站场，有一台输入为二相的可控硅式恒电位仪对站场内埋地管线进行阴极保护，系统输出电流为16A，输出电压V0为18V，控制的阴极保护电位Vp为-1.2V（相对硫酸铜饱和电极），监测的阴极保护电位波动在0.13V范围。本发明的一种脉冲宽度调制型阴极保护恒电位仪在现场使用半年后，与原来的三相可控硅式恒电位仪相比，节省电能15%，监测的阴极保护电位波动在0.06V范围。

Claims (5)

1.一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一，采用脉冲宽度调制极化电源,连接到220 V工频电网，输出级的正极连接辅助阳极、输出级的负极连接到埋地管道设备，输出电压为0~24 V可调，输出的最大电流为40 A；

第二，设定阴极保护电位到预定值，所述的阴极保护电位，为埋地管道设施相对饱和硫酸铜参比电极的电位，其按电化学规定在0~-2.0范围,即阴极保护电位值在0~2.0范围；

第三，根据设定的阴极保护电位值，产生脉冲宽度调制信号，增加阴极保护电位值，脉冲宽度增加，脉冲宽度调制极化电源的输出电压也增加；

第四，由产生的脉冲宽度调制信号对脉冲宽度调制极化电源进行驱动，并保持稳定的电压输出；

第五，测量输出的电压，并反馈到脉冲宽度调制信号，以保持电压输出的稳定，测量脉冲宽度调制极化电源的输出电流，采用数码管显示；

第六，测量埋地管道设施相对参比电极的阴极保护电位，采用阻抗变换解决参比电极高内阻的问题；测量的阴极保护电位反馈到保护电位设置器；当阴极保护系统因土壤理化性质发生变化时，可保持阴极保护电位稳定在预定值，反馈信号控制方式有二种：一是自动运行，采用反馈；二是手动调整，不进行反馈。

2.一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的恒电位仪，其特征在于，包括有脉冲宽度调制极化电源，脉冲宽度调制极化电源的输出端分别连有输出电流测量器、输出电压测量器，脉冲宽度调制极化电源的负极与埋地设施相连，正极与辅助阳极相连；脉冲宽度调制极化电源的控制端与开关控制器相连，开关控制器通过脉冲宽度调制信号产生的控制电路与保护电位设置器相连，保护电位设置器通过反馈信号控制器与阴极保护电位测量器相连，阴极保护电位测量器通过硫酸铜参比电极阻抗变换器连接埋地参比电极。

3.根据权利要求2所述的一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的恒电位仪，其特征在于，所述的脉冲宽度调制极化电源，其电路包括有电感L1，电感L1与电容C1组成输入滤波器，整流二极管D1~D4组成桥式整流器，滤波电路由桥式整流器与电容C2组成，全控型开关器件包括全控型开关器件M1、全控型开关器件M2，控制信号Q1、控制信号Q2，电压变换电路由变压器T1、电容C4、电阻R1组成，输出全桥整流器由整流二极管D5、D6组成，输出直流滤波电路由电感L2、电容C7、电容C8组成；电容C1的两端分别与220V工频连接，其中一端连接到电感L1的一端，电感L1另一端与整流二极管D1、整流二极管D3的一端连接，电容C1的另一端与整流二极管D2、整流二极管D4的一端连接；整流二极管D1和整流二极管D2另一端连接到电容C2的一端，整流二极管D3和整流二极管D4另一端连接到电容C2的另一端；电容C2的一端连接到全控型开关器件M1源级s、电容C5和电容C6的一端，电容C2的另一端连接到全控型开关器件M2漏级d、电容C3一端，全控型开关器件M1的漏极d与全控型开关器件M2源级s连接，并连接到电阻R1的一端和变压器T1初级线圈的一端，全控型开关器件M1和全控型开关器件M2的栅极g分别连接到脉冲控制信号Q1和Q2；电容C5的另一端连接到电容C3的另一端、电容C4的一端和变压器T1初级线圈的另一端；电容C4的另一端与电阻R1的另一端相连接；变压器T1的次级线圈的中心抽头连接到滤波电容C7、电容C8的一端和被保护的埋地设施；变压器T1的次级线圈的两端分别连接到整流二级管D5、整流二级管D6的一端，整流二级管D5、整流二级管D6的另一端连接到整流电容C7的另一端和电感L2的一端，电感L2的另一端连接到滤波电容C8的另一端，并与阴极保护的辅助阳极相连接，电容C6的另一端连接到V0的直流地G2和埋地设施。

4.根据权利要求2所述的一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的恒电位仪，其特征在于，所述的脉冲宽度调制信号产生的控制电路，包括有电阻R22，电阻R22的一端与+12V电源连接，另一端与可调电阻Rw的一端连接，可调电阻Rw的另一端连接到+12V电源地，可调电阻Rw的可调端连接到电阻R24的一端，电阻R24的另一端与集成电路U5的2脚连接；电阻R25的一端接电源地，另一端与集成电路U5的3脚连接；集成电路U5的7脚接+12V电源，U5的4脚接-12V电源，集成电路U5的6脚与电阻R13、电阻R16、电容C20的一端和集成电路U3的1脚连接；电阻R13的另一端与脉冲宽度调制极化电源的输出正极连接；电阻R16的另一端与电容C19的一端、电阻R17的一端和集成电路U3的3脚连接，电阻R17的另一端连接到集成电路U3的6脚，电容C19的另一端与集成电路U3的5脚、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端连接到集成电路U3的7脚；电容C20的另一端与电阻R19的一端连接，电阻R19的另一端连接到集成电路U3的9脚和电容C22的一端，电容C22的另一端连接集成电路U3的12脚、电容C23的一端，并连接变压器T2次级线圈的中心抽头，即12V电源地；电容C23的另一端连接到关断信号和集成电路U3的10脚，电阻R14的两端分别连接到集成电路U3的2脚和16脚，电容C21的两端分别连接到集成电路U3的8脚和12V电源地，集成电路U3的15脚与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端连接到+12V电源，同时也连接到集成电路U3的13脚，集成电路U3的11脚与电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与三极管B4、三极管B6的基极连接，二极管D14的两端分别连接到三极管B4的集电极和发射极，三极管B4的集电极与二极管D12的一端、三极管B5的集电极连接，二极管D12的另一端连接到12V电源地，二极管D16的两端分别连接到三极管B6的发射极和集电极，三极管B6的发射极与三极管B4的发射极和变压器T3初级线圈的一端连接，三极管B6的集电极与电容C24的一端、二极管D13的一端和三极管B7的集电极连接，电容C24的另一端与二极管D12的一端连接，二极管D13的另一端与集成电路U2的1脚、电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端连接到集成电路U2的2脚，集成电路U3的14脚与电阻R27的一端连接，电阻R27的另一端与三极管B5的基极、三极管B7的基极连接，二极管D15的两端分别连接到三极管B5的集电极和发射极，二极管D17的两端分别连接到三极管B7的集电极和发射极，三极管B5的发射极与三极管B7的发射极和变压器T3初级线圈的另一端连接，变压器T3的次级线圈之一的一端接地G1，另一端与电阻R28的一端连接，电阻R28的另一端输出脉冲宽度调制信号Q1，变压器T3的次级线圈之二的一端接地G1，另一端与电阻R29的一端连接，电阻R29的另一端输出脉冲宽度调制信号Q2；电阻R20的一端接参比电极，另一端连接到集成电路U4的3脚，集成电路U4的6脚与电阻R21的一端和电阻R23的一端连接，电阻R21的另一端连接到集成电路U4的2脚，电阻R23的另一端与电容C25一端和集成电路U5的2脚连接，电容C25另一端连接到集成电路U5的6脚，集成电路U4的7脚接+12V电源，U4的4脚接-12V电源；

所述的12V电源由电阻R2~R11、二极管D7~D11、电容C13-C18、集成电路U1、三极管B2、三极管B3、全控型开关器件M3和变压器T2的连接电路组成；电阻R2的一端、变压器T2初级线圈之一的一端和电容C13的一端连接，并连接到311V电源，电容C13的另一端与311V电源地连接，变压器T2初级线圈之一的另一端与全控型开关器件M3的漏极d和电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与电容C14的一端连接，电容C14的另一端连接到311V电源地，电阻R2的另一端与电阻R7的一端、集成电路U1的7脚、电阻R3的一端连接，二极管D7与二极管D8串连，二极管D8的一端与电阻R3的一端连接，二极管D7的一端与电阻R3的另一端连接，电阻R3的另一端连接到三极管B1的集电极,集成电路U1的1脚与集成电路U2的4脚、电容C10的一端和电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与三极管B1的基极和电容C11的一端连接，电容C11的另一端与集成电路U1的2脚和电容C10的另一端连接,三极管B1的发射极与集成电路U1的4脚和电容C12的一端连接，电容C12的另一端与集成电路U1的5脚连接，并连接到311V电源地，集成电路U1的6脚与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端连接到三极管B2、三极管B3的基极，电容C15的两端分别连接到三极管B2、三极管B3的集电极，集成电路U1的3脚与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端连接到三极管B3的集电极，三极管B2、三极管B3的发射极相连，并连接到全控型开关器件M3的栅极g，全控型开关器件M3的源极s连接到电阻R11的一端，电阻R11的另一端连接到311V电源地，三极管B2的集电极连接到二极管D9的一端，二极管D9的另一端连接到变压器T2初级线圈之二的一端，全控型开关器件M3的漏极d与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电容C16的一端连接，电容C16的另一端连接到变压器T2初级线圈之二的另一端、集成电路U2的3脚，并连接到311V电源地，变压器T2次级线圈的一端与二极管D10的一端，二极管D10的另一端与电容C17的一端连接，并输出+12V电压，变压器T2次级线圈的另一端与二极管D11的一端连接，二极管D11的另一端与电容C18的一端连接，并输出-12V电压，电容C17的另一端、电容C18的另一端连接到变压器T2次级线圈的中心抽头，中心抽头为12V电源地。

5.根据权利要求2或3所述的一种基于脉冲宽度调制型阴极保护的恒电位仪，其特征在于，所述的脉冲宽度调制极化电源的输出电压为辅助阳极相对埋地设施的电压V0，其可调范围在0~24V，最大输出电流为40A，阴极保护电位值在0~2V范围内。

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