CN105040001A - 一种埋地管道阴极保护数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种埋地管道阴极保护数据采集装置，包括：控制单元、电压检测单元、电流检测单元和极化探头；所述电压检测单元、所述电流检测单元分别与所述控制单元通信连接；所述电压检测单元、所述电流检测单元分别与所述极化探头连接；所述电流检测单元还与埋地管道连接；所述电压检测单元检测到的电压信息传输至所述控制单元，所述电流检测单元检测到的直流和/或交流电流信息传输至所述控制单元，所述控制单元对接收到的电压信息、直流和/或交流电流信息计算和处理后储存和/或传输至上位机。本发明通过采用测试探头和数据采集记录仪采集参数保证了管道杂散电流和阴极保护测试数据的及时性、可靠性和真实性。

Description

一种埋地管道阴极保护数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种埋地管道阴极保护数据采集装置，属于埋地管道保护技术领域。

背景技术

埋地管道包括各种输油、输气以及输水管道，绝大多数埋地管道为金属管道。为了提高金属管道的抗腐蚀能力，延长使用寿命，金属管道外层一般都有防腐层。为了进一步提高防腐能力，还采用了阴极保护措施，一般是给金属管道施加一个电压，使金属管道对地呈现负电位。随着经济的发展，地面电磁环境越来越复杂，埋地管道附近直流输电系统，交流高压输电线路等建设也在飞速发展，交直流电气化铁路及其整流站变电所、大型工厂、交流接地体、直流接地体等可能的杂散电流干扰源，都会干扰金属管道的阴极保护系统的工作，加快金属管道的腐蚀速度。因此有必要实时发现埋地管道是否遭受杂散电流干扰，了解杂散电流干扰的类型、大小、具体位置等详细情况，进而及时采取相应防护措施以避免恶化形成更严重的管道事故。

目前应用较多的杂散电流判断方法是利用人工采集埋地管线测试桩处管道阴极保护电位，如果管地电位异常，则表明管道上有可能存在杂散电流干扰。阴极保护电位定期人工测量，存在测试周期长、数据量少且准确性差、不能连续采集、取点资料具有偶然性等弊端。而杂散电流干扰的程度和出现时间是不确定的，导致决策和管理失误而造成管道安全运行不良隐患甚至事故和损失。另外，测量数据的显示主要是字符显示或指针读数，缺乏直观性，不能进行图形化显示，给现场应用带来不方便。

现有技术中较为先进的埋地油气管道阴极保护自动监测系统，可实现对温度及管地交、直流电位的采集和存储，但该系统无法实现对管道自腐蚀电位及管地瞬间断电电位的测量，同时只能测量杂散电流交、直流电位而无法实现对交、直流电流相关参数的测量，使得其无法判断杂散电流干扰程度从而采取防护措施。另外，该监测系统需要开发专用数据表来实现现场数据采集器的参数设置和数据传输，增加了系统的复杂性和成本。同时，该系统依靠人工分析处理数据，过于简单化。现有的埋地管道腐蚀检测评价系统，可实现对管道和土壤腐蚀在线检测，但该系统仍然存在上述无法实现对交、直流电流相关参数的测量，使得其无法判断杂散电流干扰程度而大大影响了该监控系统的可靠性和实用性，同时也极大干扰了阴极保护有效性判断的准确度。另外该系统采用GPRS无线传输技术进行传输，存在一定的技术缺陷，如在GPRS信号无法覆盖的地方，数据传输则无法实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决现有技术中不能全面检测埋地管道杂散电流相关参数的问题。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种埋地管道阴极保护数据采集装置，包括：

控制单元、电压检测单元、电流检测单元和极化探头；

所述电压检测单元、所述电流检测单元分别与所述控制单元通信连接；所述电压检测单元、所述电流检测单元分别与所述极化探头连接；所述电流检测单元还与埋地管道连接；

所述电压检测单元检测到的电压信息传输至所述控制单元，所述电流检测单元检测到的直流和/或交流电流信息传输至所述控制单元，所述控制单元对接收到的电压信息、直流和/或交流电流信息计算和处理后储存和/或传输至上位机。

其中较优地，所述电流检测单元包括直流电流采集单元和交流电流采集单元；所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元分别与所述控制单元通信连接；

所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元分别与所述极化探头连接；

所述直流电流采集单元通过电感与所述埋地管道连接检测埋地管道的直流电流值；所述交流电流采集单元通过电容与所述埋地管道连接检测埋地管道的交流电流值；

所述直流电流采集单元检测埋地管道的直流电流值并计算直流电流密度后一起传输至控制单元；所述交流电流采集单元检测埋地管道的交流电流值并计算交流电流密度后一起传输至控制单元。

其中较优地，所述直流电流采集单元通过与埋地管道之间连接的电感检测埋地管道的直流电流值；所述交流电流采集单元通过与埋地管道之间连接的电容检测埋地管道的交流电流值。

其中较优地，所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元通过嵌入式程序编程区分检测埋地管道的直流电流值、交流电流值。

其中较优地，所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元是包括电流通路电路和稳定斩波型低偏置霍尔电路的采集装置；

所述稳定斩波型低偏置霍尔电路感测所述电流通路电路产生的磁场信息并转换成相应的电压信息输出。

其中较优地，所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元包括ASC712芯片。

其中较优地，所述埋地管道与所述极化探头之间还设置有继电器，所述电压采集单元通过所述继电器的通断采集埋地管道的交流电压、管道通电电位、瞬间断电电位、自腐电位传输至控制单元。

其中较优地，所述控制单元与所述电压检测单元集成。

其中较优地，所述控制单元与所述电压检测单元包括STM32F103VET6芯片。

其中较优地，还包括通讯单元、全球定位单元和防水外壳；

所述控制单元、所述电压检测单元、所述电流检测单元、所述通讯单元、所述全球定位单元置于所述外壳内；

所述通信单元包括有线通讯模块和/或无线通讯模块，所述通信单元与所述控制单元连接；

所述全球定位单元与所述控制单元连接；

所述控制单元处理后的数据通过所述通讯单元传输至上位机。

本发明提供的埋地管道阴极保护数据采集装置，通过采用测试探头和数据采集记录仪采集参数并回传的方式实现管道杂散电流数据及阴极保护数据的采集、记录和监测，保证了管道杂散电流和阴极保护测试数据的及时性、可靠性和真实性，满足了用户操作简便性和易用性，进一步保证了系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明埋地管道阴极保护数据采集装置系统结构图；

图2是本发明电流检测单元一种实施方案系统结构示意图；

图3是本发明ACS712芯片功能原理示意图；

图4是本发明电流检测单元另一种实施方案系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供一种埋地管道阴极保护数据采集装置，包括：控制单元、电压检测单元、电流检测单元和极化探头；电压检测单元、电流检测单元分别与控制单元通信连接；电压检测单元、电流检测单元分别与极化探头连接；电流检测单元还与埋地管道连接；电压检测单元检测到的电压信息传输至控制单元，电流检测单元检测到的直流和/或交流电流信息传输至控制单元，控制单元对接收到的电压信息、直流和/或交流电流信息计算和处理后储存和/或传输至上位机。下面对本发明提供的埋地管道阴极保护数据采集装置展开详细的说明。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，电流检测单元包括直流电流采集单元和交流电流采集单元；直流电流采集单元和交流电流采集单元分别与控制单元通信连接；直流电流采集单元和交流电流采集单元分别与极化探头连接；直流电流采集单元通过电感与埋地管道连接检测埋地管道的直流电流值；交流电流采集单元通过电容与埋地管道连接检测埋地管道的交流电流值；直流电流采集单元检测埋地管道的直流电流值并计算直流电流密度后一起传输至控制单元；交流电流采集单元检测埋地管道的交流电流值并计算交流电流密度并一起传输至控制单元。

在实际情况下，管道中既有交流干扰电流，也由直流干扰电流。因此，在测量埋地管道的电流时电流检测单元引出两个支路，分别连接电容器件电路和电感线圈器件。在一种实施方案中，直流电流采集单元与埋地管道之间连接电感，通过电感可以滤除线路中的交流电流，直流电流采集单元通过与埋地管道之间连接的电感检测埋地管道的直流电流值。如图3所示，直流电流采集单元优选采用ACS712芯片系列的ACS172ELC-05B芯片。ACS712芯片系列包括电流通路电路和稳定斩波型低偏置霍尔电路。直流电流采集单元采集埋地管道的电流时，电感一端连接ACS172ELC-05B芯片的引脚1、2。ACS172ELC-05B芯片的引脚3、4连接计划探头的极化试片。埋地管道的电流流经ACS172ELC-05B芯片时，引脚1、2和3、4之间的通路电流所产生的磁场，被ACS172ELC-05B芯片内的霍尔集成电路感应到，并将感应的电磁信号转化为成比例的电压输出。交流电流采集单元与埋地管道之间连接有电容，通过电容可以滤除线路中的直流电流，交流电流采集单元通过与埋地管道之间连接的电容检测埋地管道的交流电流值。同理，如图3所示，交流电流采集单元也采用ACS712芯片系列的ACS172ELC-05B芯片。具体的电流采集方式与直流电流采集方式基本相同，在此就不再一一赘述了。电流密度可以通过嵌入式程序编程计算得到，电流密度值等于电流值除以试片裸漏面积得到。在本方案中，直流电流密度等于直流电流值除以试片电极的裸漏面积得到，交流电流密度等于交流电流值除以试片电极的裸漏面积得到。

针对上述的电流采集方案，发明人经过反复测试和研究发现这种实施方案往往存在一些细小的问题，例如精度不够高，可靠性差等问题，两个ACS172ELC-05B芯片同时工作成本较高，功耗也相应较大。为避免这种问题，发明人提供另外一种方案，如图4所示，直流电流采集单元和交流电流采集单元通过嵌入式程序编程区分检测埋地管道的直流电流值、交流电流值并计算直流电流密度、交流电流密度。电流检测单元直接采用一个ACS172ELC-05B芯片，通过对ACS172ELC-05B芯片的嵌入式程序编程实现对交流电流信息和直流电流信息的检测。电流检测单元采集埋地管道的电流时，埋地管道连接ACS172ELC-05B芯片的引脚1、2；ACS172ELC-05B芯片的引脚3、4连接计划探头的极化试片。具体的电流采集方式与两个ACS172ELC-05B芯片的电流采集方式基本相同，直流电流密度和交流电流密度与两个ACS172ELC-05B芯片的方案基本相同，在此就不再一一赘述了。这种方案省去了分成两条支路单独接电感或电容。不仅降低了成本还提高了检测精度和可靠度。

ACS712芯片主要由靠近芯片表面的铜制的电流通路和精确的低偏置线性霍尔传感器电路等组成，如图3所示。被测电流流经的通路(引脚l和2，3和4之间的电路)的内电阻通常是1.2毫欧，具有较低的功耗。被测电流通路与传感器引脚(引脚5～8)压>2.1kVRMS，几乎是绝缘的。埋地管道的流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC感应并将其转化为成比例的电压。ACS712芯片通过将磁性信号尽量靠近霍尔传感器来实现器件精确度的最优化。精确的成比例的输出电压由稳定斩波型低偏置BiCMOS霍尔集成电路提供，该集成电路在出厂时已进行了精确的编程。稳定斩波型低偏置BiCMOS霍尔集成电路给片内的霍尔元器件和放大器提供最小的偏置电压，该技术几乎可以消除芯片由于温度所产生的输出。

在本发明的另一个实施例中，埋地管道与极化探头之间还设置有继电器，电压采集单元通过继电器的通断采集埋地管道的交流电压、管道通电电位、瞬间断电电位、自腐蚀电位传输至控制单元。在本实施例中，控制单元和电压采集单元集成，优选采用ARM处理器，包括STM32F103VET6芯片。该ARM处理器内部内置有测量电压功能，通过DMA控制器直接读取电压(DMA作为一种独立于CPU的后台批量数据传输技术，以其快速、高效的特点在数据采集领域得到广泛应用)，利用内置的AD转换模块可以对采集到的信号进行数字/模拟转换。在测量电压值时，将STM32F103VET6芯片的GND引脚与极化探头的参比电极相连，从而使最低电位一致。在测量电压时，通过处理器芯片上的AD(模拟/数字)转换模块监测电压值。在测量断电电位时，将STM32F103VET6芯片的AD引脚连接继电器，继电器另一端连接极化探头的极化试片，瞬间通过拉高继电器相应的控制位，则此时与管道断开，从而测出试片断电电位。在测量自腐蚀电位时，将STM32F103VET6芯片的AD引脚连接极化探头的自腐蚀试片，测出来的值即为自腐蚀电位。将STM32F103VET6芯片的AD引脚与极化探头的极化试片相连，继电器测出来的值即为通电电位。在测试管道通电电位、瞬间断电电位、自腐电位时，检测过程需要测量三个电压值，所以使用三路AD轮询的方式，然后通过DMA直接读取数据。

处理器是采集记录仪核心单元，协调和驱动其他各个单元的工作。本发明采用基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器。STM32F103VET6芯片具有最高72MHz的主频以及512K的Flash闪存。stm32f103系列微控制器具有平台成本低、系统功耗低，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应等优点。STM32F103xx增强型支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多种唤醒事件之间达到最佳的平衡。在睡眠模式，只有CPU停止，所有外设处于工作状态并可在发生中断/事件时唤醒CPU。在保持SRAM和寄存器内容不丢失的情况下，停机模式可以达到最低的电能消耗。在停机模式下，停止所有内部1.8V部分的供电，PLL、HSI和HSE的RC振荡器被关闭，调压器可以被置于普通模式或低功耗模式。可以通过任一配置成EXTI的信号把微控制器从停机模式中唤醒，EXTI信号可以是16个外部I/O口之一、PVD的输出、RTC闹钟或USB的唤醒信号。在待机模式下可以达到最低的电能消耗。内部的电压调压器被关闭，因此所有内部1.8V部分的供电被切断；PLL、HSI和HSE的RC振荡器也被关闭；进入待机模式后，SRAM和寄存器的内容将消失，但后备寄存器的内容仍然保留，待机电路仍工作。

本发明提供的埋地管道阴极保护数据采集装置在大部分时间是处于待机模式，从而可以达到最低的电能消耗，待机模式下大约2uA。只有当采集的数据超过预定的阈值时系统才会立即通过中断立即进入正常模式发送紧急数据，之后依然处于低功耗状态。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，埋地管道阴极保护数据采集装置还包括GPS(GlobalPositioningSystem，全球卫星定位)单元，GPS单元与控制器通信连接。由于埋地管道大多是在室外环境下，因此需要优先选择使用是ATK-NEO-6MGPS定位模块进行定位。使用GPS定位的难点在于把接收到的来自卫星的信号解析成需要的位置信息。项目使用的模块遵循标准的NMEA-0183协议(美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式)，采用ASCII码来传递GPS定位信息。需要的定位信息主要是经度、纬度、时间，只要解析$GPRMC即推荐使用定位信息语句即可，它包括了经纬度以及时间。ATK-NEO-6M-V12GPS模块，该模块采用U-BLOXNEO-6M芯片。模块通过串口与外部系统连接，串口波特率默认是38400。在本发明提供的埋地管道阴极保护数据采集装置需要采集经度和纬度信息，因此只要对$GPRMC(推荐定位信息，RecommendedMinimumSpecificGPS/TransitData)命令进行解析即可(该语句包括经纬度信息)。

$GPRMC语句的基本格式如下

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

<1>UTC时间，hhmmss(时分秒)格式

<2>定位状态，A＝有效定位，V＝无效定位

<3>纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)

<4>纬度半球N(北半球)或S(南半球)

<5>经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)

<6>经度半球E(东经)或W(西经)

<7>地面速率(000.0～999.9节，前面的0也将被传输)

<8>地面航向(000.0～359.9度，以正北为参考基准，前面的0也将被传输)

<9>UTC日期，ddmmyy(日月年)格式

<10>磁偏角(000.0～180.0度，前面的0也将被传输)

<11>磁偏角方向，E(东)或W(西)

<12>模式指示(仅NMEA01833.00版本输出，A＝自主定位，D＝差分，E＝估算，N＝数据无效)

举例如下：

$GPRMC,023543.00,A,2308.28715,N,11322.09875,E,0.195,,240213,,,A*78

如图1所示，在本发明的一个实施例中，埋地管道阴极保护数据采集装置还包括通信单元，通信单元与控制单元通信连接，控制单元处理后的埋地管道阴极保护数据通过通信单元传输至上位机。由于埋地管道阴极保护数据采集装置大多设置在野外，该通信单元优选是无线通信模块，无线通信模块包括天线、通讯单元组成。通讯单元可以采用TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA、WiMAX、CDMA或GPRS其中的任意一种方式，优选GPRS方式传输。有线数据传输方式采用现场使用便携式PC利用数据采集监测软件手动采集的方式；其中数据采集监测软件安装在便携式PC上，便携式PC由管道巡线人员携带，按预定周期到管道测试桩读取数据记录仪中储存的现场数据，数据记录仪通过USB数据接口与便携式PC进行连接。

为了避免遇水或其他渗水对各数据采集和通讯单元的影响，需要将埋地管道阴极保护数据采集装置做一定的保护，同时具备雷击和浪涌保护功能。埋地管道阴极保护数据采集装置还包括防水外壳，控制单元、电压检测单元、电流检测单元容置与外壳中，将埋地管道阴极保护数据采集装置的外壳安装于管道沿线测试桩内，将天线固定在测试桩外，并且天线的电缆与无线数据通讯单元相连，并做好防水处理。数据采集记录仪按照设定模式(每秒、每分钟、每小时或者每天进行数据采集)定时采集并存储管道现场参数，测量数据包括温度、地理坐标、管道通电电位、瞬间断电电位、自腐蚀电位、交流电压、交流电流密度和直流电流密度。

综上，本发明提供的埋地管道阴极保护数据采集装置，通过采用测试探头和数据采集记录仪采集参数并回传的方式实现管道杂散电流数据及阴极保护数据的采集、记录和监测，保证了管道杂散电流和阴极保护测试数据的及时性、可靠性和真实性，同时节省相应的人力资源而有效提高管道杂散电流防护和阴极保护运行管理水平。充分考虑现场使用条件，系统设计路线合理，性能可靠、功能齐备，便于安装操作和管理；软件设计在保证稳定性、可靠性的前提下，满足了用户操作简便性和易用性，进一步保证了系统的稳定性和可靠性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，包括：

控制单元、电压检测单元、电流检测单元和极化探头；

所述电压检测单元、所述电流检测单元分别与所述控制单元通信连接；所述电压检测单元、所述电流检测单元分别与所述极化探头连接；所述电流检测单元还与埋地管道连接；

所述电压检测单元检测到的电压信息传输至所述控制单元，所述电流检测单元检测到的直流和/或交流电流信息传输至所述控制单元，所述控制单元对接收到的电压信息、直流和/或交流电流信息计算和处理后储存和/或传输至上位机。

2.如权利要求1所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述电流检测单元包括直流电流采集单元和交流电流采集单元；所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元分别与所述控制单元通信连接；

所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元分别与所述极化探头连接；

所述直流电流采集单元通过电感与所述埋地管道连接检测埋地管道的直流电流值；所述交流电流采集单元通过电容与所述埋地管道连接检测埋地管道的交流电流值；

所述直流电流采集单元检测埋地管道的直流电流值并计算直流电流密度后一起传输至控制单元；所述交流电流采集单元检测埋地管道的交流电流值并计算交流电流密度传输后一起至控制单元。

3.如权利要求2所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述直流电流采集单元通过与埋地管道之间连接的电感检测埋地管道的直流电流值；所述交流电流采集单元通过与埋地管道之间连接的电容检测埋地管道的交流电流值。

4.如权利要求2所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元通过嵌入式程序编程区分检测埋地管道的直流电流值、直流电流密度、交流电流值、交流电流密度。

5.如权利要求3或4所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元是包括电流通路电路和稳定斩波型低偏置霍尔电路的采集装置；

所述稳定斩波型低偏置霍尔电路感测所述电流通路电路产生的磁场信息并转换成相应的电压信息输出。

6.如权利要求5所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述直流电流采集单元和所述交流电流采集单元包括ASC712芯片。

7.如权利要求1所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述埋地管道与所述极化探头之间还设置有继电器，所述电压采集单元通过所述继电器的通断采集埋地管道的交流电压、管道通电电位、瞬间断电电位、自腐蚀电位传输至控制单元。

8.如权利要求1所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述控制单元与所述电压检测单元集成。

9.如权利要求8所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，所述控制单元与所述电压检测单元包括STM32F103VET6芯片。

10.如权利要求1所述的埋地管道阴极保护数据采集装置，其特征在于，还包括通讯单元、全球定位单元和防水外壳；

所述控制单元、所述电压检测单元、所述电流检测单元、所述通讯单元、所述全球定位单元置于所述外壳内；

所述通信单元包括有线通讯模块和/或无线通讯模块，所述通信单元与所述控制单元连接；

所述全球定位单元与所述控制单元连接；

所述控制单元处理后的数据通过所述通讯单元传输至上位机。