CN107313052A - 一种管道阴极电位同步检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管道阴极电位同步检测系统及检测方法，包括断流装置，检测装置和服务器，该系统能够通过GPS模块的PPM脉冲实现了各断流装置的同步通断，通过驱动固态继电器实现了对阴保电源输出端的电位通断控制。检测装置设置有高精度的AD模块，使得测量电路的精度达到了毫伏级。该系统克服了检测时时间同步困难的问题，避免了因为无线网络通信延时，造成的服务器发送的指令不能同时被各台设备接收到所引起的断流装置无法同步通断，检测装置无法准确采集通断电位数据而需要连续采集产生大量冗余数据的问题。这样，不仅提高了测量效率，而且可以灵活在线更换测量模式，保证了测量数据的准确性和高效性，对管道阴极电位检测具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于管道阴极电位检测技术领域，具体涉及一种管道阴极电位同步检测系统及检测方法。
背景技术
管道运输是油气运输中最可靠，快捷，经济的主要方式。油气的管道运输从原油，天然气的生产，精炼，储存到用户的使用全过程起了非常重要的作用。
阴极保护就是通过某种方式在被保护金属构筑物上施以足够的阴极电流，通过阴极极化使金属电位负移，从而使金属腐蚀的阳极溶液速度大幅度减小，甚至完全停止，这种保护金属构筑物免遭腐蚀破坏的方法称为阴极保护。管道的阴极保护就是要消除钢质管道在电解质中腐蚀原电池的阳极区，利用外加电流对管道进行阴极极化，使管道成为腐蚀原电池的阴极区，从而使管道受到保护。
专利号为2014102387108的专利申请，公开了一种用于埋地金属管道的阴极保护电位监测系统，包括若干个用于对管道上不同位置的电位进行测量的数据采集终端以及用于接收各个数据采集终端反馈的检测数据的监控中心，所述数据采集终端包括极化探头、测试桩和电池组，所述测试桩的底部设置有数据采集器，所述数据采集器包括空心壳体以及封装在空心壳体内的数据采集电路，所述电池组用于为数据采集电路供电；所述数据采集电路包括电位采集电路、信号调理电路、单片机、RS-232
接口芯片、GPRS 模块和光耦继电器，所述电位采集电路的输入端有两个接线柱，所述极化探头内的极化试片和参比电极通过导线分别与两个接线柱连接，并且与极化试片对应的接线柱通过导线连接在管道的被测位置上，电位采集电路用于采集管道上被测位置的电位，并将采集得到电位值传送到信号调理电路；所述信号调理电路包括一级反向比例器和二级正向比例器，电位采集电路将采集的电位值经过一级反向比例器由负信号转换成正信号，再经过二级正向比例器放大调整后传送到单片机集成的A/D转换器进行A/D转换；单片机将经过运算处理后的电位值传送到RS-232接口芯片，RS-232接口芯片内置有监控中心的IP 地址和监测点的编号，RS-232接口芯片将收到的电位值、监控中心的IP 地址和监测点的编号打包后传送到GPRS 模块，单片机通过光耦继电器控制GPRS模块的定时通断电，GPRS模块根据监控中心的IP地址定时将对应监测点的电位值传回监控中心，监控中心对接收到的数据按照内部设定程序进行分析、处理。
该金属管道的阴极保护电位监测系统，虽然实现了对管道上不同位置的电位进行远程监测，并定期将检测数据传回监控中心，由监控中心将数据存入数据库，可以对实时数据进行显示和历史数据的回调，有利于数据分析，实现了信号的预测报警和管道的异常点定位的功能。
但是，该金属管道的阴极保护电位监测系统，在实际应用中存在校准困难的问题，由于存在无线网络通信延时，监控中心发送的指令并不能同时被各台设备接收到，因此无法做到同步多个数据采集终端，而且控制采集通断时刻的电位，需要一直连续采集管道上的电位值，不仅增添了很多的冗余数据，测量效率低下，更重要的是无法更换测量模式，这导致采集数据的模式单一，重新设置采集模式困难的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的管道阴极保护电位监测系统同步断流困难，测量精度低的问题。
为此，本发明提供了一种管道阴极电位同步检测系统，包括断流装置，检测装置和服务器， 所述断流装置包括外壳，散热片，安装于外壳上的接线柱，以及位于壳内的主控芯片、固态继电器和保护电路；
所述散热片与固态继电器固定连接，用于增强固态继电器通断电流产生的热量的散热效率；
所述主控芯片还连接有无线通讯模块，GPS模块和电源模块，所述通讯模块通过UART串口和主控芯片通信，用于接收GPS信息和服务器指令，然后传送到主控芯片；
所述主控芯片通过对GPS信息和服务器指令进行接收，处理、判断，进而控制固态继电器的通断，用以实现对阴保电源输出的控制；
所述电源模块用于提供主控芯片工作所需的电能；
所述检测装置包括壳体以及安装于壳体内的印刷电路板，所述印刷电路板包括电压测量电路，第二主控芯片，第二通讯模块，第二GPS模块和第二电源模块构成；
所述电压测量电路，用于检测管道阴极电压信号，并进行调理、滤波、放大，然后输出到与第二主控芯片电连接的AD模块，经过AD转换后，传送到第二主控芯片；
所述服务器包括测试模块、数据接收模块、异常处理模块，所述测试模块用于发送测试指令到断流装置或者检测装置，使得断流装置或者检测装置进入工作状态；
所述数据接收模块，用于接收断流装置或者检测装置上传的数据，并进行判断、存储；
所述异常处理模块，用于发送异常报告。
所述断流装置的主控芯片的型号是STM32F103VCT6。
所述线通讯模块、GPS模块的型号是SIM928A。
所述固态继电器的型号为SDM40100D。
所述断流装置的同步采用GPS模块的PPM脉冲。
一种检测管道阴极电位的方法，包括如下步骤：
（1）在所需检测的管道沿线安装检测装置；
（2）在管道的阴极保护电源输出端接入断流装置；
（3）使用无线通讯网络和GPS的标准分脉冲同步断流装置；
（4）同步检测装置，设置测量时刻；
（5）检测管道阴极电位；
（6）通过移动通信网络将数据返回服务器进行存储。
本发明的有益效果：本发明提供的这种管道阴极电位同步检测系统，能够通过GPS模块的PPM脉冲实现了断流装置的同步通断，通过驱动固态继电器实现了对阴保电源输出端的电位通断控制。检测装置设置有高精度的AD模块，使得测量电路的精度达到了毫伏级。该系统克服了检测时时间同步困难的问题，避免了因为无线网络通信延时，造成的服务器发送的指令不能同时被各台设备接收到所引起的断流装置无法同步通断，检测装置无法准确采集通断电位数据而需要连续采集产生大量冗余数据的问题，这样，不仅提高了测量效率，而且可以灵活在线更换测量模式，保证了测量数据的准确性和高效性，对管道阴极电位检测具有重要的意义。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是断流模块示意图。
图2是检测模块示意图。
图3是测量电路示意图。
图4是SIM928A电路示意图。
图5是主控芯片示意图。
图6是通断峰值效应图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1：
为了解决现有技术中的管道阴极保护电位监测系统同步断流困难，测量精度低的问题，本发明提供了一种如图1、图2、图3所示的管道阴极电位同步检测系统，包括断流装置，检测装置和服务器，所述断流装置包括外壳，散热片，安装于外壳上的接线柱，以及位于壳内的主控芯片、固态继电器和保护电路；
所述散热片与固态继电器固定连接，用于增强固态继电器通断电流产生的热量的散热效率；
断流装置的主控芯片的型号是STM32F103VCT6，所述主控芯片还连接有无线通讯模块，GPS模块和电源模块，所述无线通讯模块、GPS模块的型号是SIM928A，如图4所示。所述无线通讯模块通过UART串口和主控芯片通信，用于接收GPS信息和服务器指令，然后传送到主控芯片通过对这些信息的处理来控制固态继电器的通断；主控芯片通过一个IO口和驱动电路来控制固态继电器开关的通断，实现对阴保电源输出的控制。
所述主控芯片通过对GPS信息和服务器指令的接收和处理，然后根据GPS信息或者服务器指令做出判断，执行相应的操作，以便控制固态继电器的通断，用以实现对阴保电源输出的控制。
电源模块用于提供主控芯片工作所需的电能。
所述固态继电器的型号为SDM40100D，该固态继电器是由微电子电路，电力电子功率器件组成的无触点开关，它的切换速度是微秒级的，相比于传统断流装置使用的电磁继电器，机械继电器切换更灵敏，消除了通断过程产生的延迟，使管道上的电位呈周期性的变化，采集到的Von和Voff电位更精确。
断流装置的通断时间间隔在不同的测量模式下是不同的，相比于传统断流装置，本设计中通断的时间间隔可以在服务器在线调整，通过服务器设置向下发送指令实时更改测量模式，方便于不同模式数据的采集，提高了测量的效率。
所述检测装置包括壳体以及安装于壳体内的印刷电路板，所述印刷电路板包括电压测量电路，第二通讯模块，第二GPS模块和第二电源模块构成；检测装置采用的第二主控芯片的信号为STM32F103VET6，如图2、图5所示，第二通讯模块第二GPS模块采用SIM928A，通过UART串口与第二主控芯片通信，如图4所示。
如图3所示，所述电压测量电路，用于检测管道阴极电压信号，并进行调理、滤波、放大，然后输出到与第二主控芯片电连接的AD模块，经过AD转换后，传送到第二主控芯片；该电压检测电路经过一级反向比例放大器，将采集到的电位信号由负信号转换为正信号，经过滤波后，再经过一级正向比例放大器，进行调调理后，传输到AD模块，经过AD转换后，将模拟信号转换为数字信号，上述电压测量电路所采用的放大器的工作电压均是+7.5V和-7.5V,该放大器是一款低成本、高精度的放大器，需要一个外部电阻来设置增益，它具有低噪声、第输入偏置电流和低功耗的特性。
上述AD模块的型号是AD7606，其为16为高精度ADC芯片，经过信号调理和高精度的AD采样，测量电路的精度在毫伏级，可以准确的采集到管道的电位，为数据的分析处理和管道的防护情况提供了依据，如图2所示。
所述服务器基于LAMP架构，包括测试模块、数据接收模块、异常处理模块，测试模块用于发送测试指令到断流装置或者检测装置，使得断流装置或者检测装置进入工作状态；数据接收模块，用于接收断流装置或者检测装置上传的数据，并进行判断、存储；异常处理模块，用于发送异常报告，使得负责人能够第一时间接收到异常报告。
服务器端通过socket实现与下位机的通信，为保证高并发、高性能、高可用，通信功能基于workman框架实现，单机可支持百万的并发连接，长连接吞吐量高达36W/S，可显著提高管线集中测试的数据收发效率。
实施例2：
在对某一段管道的阴极保护电位进行检测时，假如该段管道由2台或更多的阴极保护电源进行保护，必须让多台阴极保护电源同步的给管道施加通断信号，这样才能采集到准确的Von和Voff电位，避免多个阴保电源通断产生的尖峰效应相互干扰；所以断流装置必须进行精确的时间同步，这样采集到的电位信息才有参考价值。
本实施例中各个断流装置的同步采用GPS模块的PPM脉冲，PPM信号的上升沿用来标示UTC时间的整分时刻，精度很高并且没有累积误差，可以用于高精度的时间同步系统中。
本发明中，各断流装置，测量装置可以通过GPS模块获取UTC时间，在理想情况下通过服务器向下发送指令即可开始同步测试；但在实际中，由于无线通讯网络存在收发延迟的原因，服务器发送的指令并不能同时被各台设备接收到并开始执行通断动作；为了避免通过无线网络通信引起的延迟，我们采用PPM标准分脉冲来同步设备的动作。
在不同的模式下通断周期不同，这里举例在4秒通1秒断，周期为5秒的测量模式下进行测量；首先通过服务器向下发送4秒通1秒断的指令，各断流装置进入工作模式，在各设备接受到指令后先根据自己内部的时钟来执行通断，此时各设备的通断脉冲是不同步的。我们通过PPM脉冲对其进行校准。当各个设备检测到其GPS模块的PPM脉冲信号上升沿时，主控芯片将此时的UTC时间通过串口读入系统校准其时钟并且通过IO口输出驱动信号开始通断，因为通断的周期为5秒，一分钟内刚好有整数个周期数，用标准分脉冲来同步更方便。这样在服务器发送过指令经过一个PPM脉冲之后，设备就按同步的时序开始工作了。
而对测量装置也进行同步的原因是，当测量装置知道断流装置的通断时刻后就可以不用连续的采集所有的时刻的电位，而只需在通和断的周期内采集一点的电位信息即可，这样做可以降低对存储设备的需求，减少冗余数据，提高数据的有效性。
如上面的例子，断流装置在每个整数分钟同步一次时间，知道了通断的周期和触发的时刻，我们可以通过服务器设置测量装置的采集时刻，在断流装置的通断脉冲信号之后至少推迟200MS进行数据的采集，避开通断的尖峰效应；每次数据采集完成后，通过无线通讯网络发送回服务器，存入数据库，提高了检测的及时性。
实施例3：
利用上述管道阴极保护电位监测系统，本实施例提供了一种检测管道阴极电位的方法，主要包括如下步骤：
（1）在所需检测的管道沿线安装检测装置，以便测量管道对地的电位；
（2）在管道的阴极保护电源输出端接入断流装置，用于通断管道的阴保电位。
（3）使用GPS的标准分脉冲同步断流装置。
设备打开后，首先服务器向断流装置发送开始通断的指令；在接受到通断指令后，各台断流装置进入通断工作模式。
此时由于无线网络存在延迟的原因，所以各台断流装置的通断不是完全同步的，通过GPS模块和软件程序对通断信号进行同步；这里我们使用GPS的标准分脉冲（PPM，pluse per minute）作为同步信号；每分钟GPS模块会输出一个分脉冲信号，以此标准分脉冲信号做基准，在每个标准分脉冲的上升沿控制下触发断流装置的通断，并且将GPS时间同步到断流装置的时钟，在没有标准分脉冲到来时，以系统自己的时钟来计数，控制断流装置的通断。在通过一个标准分脉冲之后，各台断流装置接受来自服务器通断指令的延迟被消除掉，达到了同步工作的状态；测量设备也以PPM脉冲为基准，每分钟同步一次时间。测量和断流装置内部采用了高精度的晶振，并且每分钟都进行一次同步，这样就大大消除了各台设备在时间上的误差。
（4）同步检测装置，设置测量时刻。
（5）检测管道阴极电位。
当施加于同一管线的多台阴保电源在同步通断的状态下工作时，这时候通断产生的峰值效应不会分散在整个断电周期，此时可以进行管道的通断电位的测量。根据通断的周期，我们可以通过服务器设定在每一个周期的触发脉冲后经过T1秒进行通电电位，经过T2秒进行断电电位的测量；使得T1,T2的时刻刚好对应在通电周期和断电周期内并且避开通断的峰值效应，如图6所示，该图为通断峰值效应图，断电电位的测量应该避开感应时间段产生的峰值效应，在去极化时间段内测量。
（6）通过移动通信网络将数据返回服务器进行存储。
一次数据采集完成后，通过移动通信网络将数据返回给服务器存储，避免了在外放置数据存储设备带来的不便；同时可以及时分析出管道的缺陷。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种管道阴极电位同步检测系统，包括断流装置，检测装置和服务器，其特征在于：所述断流装置包括外壳，散热片，安装于外壳上的接线柱，以及位于壳内的主控芯片、固态继电器和保护电路；
所述散热片与固态继电器固定连接，用于增强固态继电器通断电流产生的热量的散热效率；
所述主控芯片还连接有无线通讯模块，GPS模块和电源模块，所述通讯模块通过UART串口和主控芯片通信，用于接收GPS信息和服务器指令，然后传送到主控芯片；
所述主控芯片通过对GPS信息和服务器指令进行处理、判断，进而控制固态继电器的通断，用以实现对阴保电源输出的控制；
所述电源模块用于提供主控芯片工作所需的电能；
所述检测装置包括壳体以及安装于壳体内的印刷电路板，所述印刷电路板包括电压测量电路，第二主控芯片，第二通讯模块，第二GPS模块和第二电源模块构成；
所述电压测量电路，用于检测管道阴极电压信号，并进行调理、滤波、放大，然后输出到与第二主控芯片电连接的AD模块，经过AD转换后，传送到第二主控芯片。
2.如权利要求1所述的管道阴极电位同步检测系统，其特征在于：所述服务器包括测试模块、数据接收模块、异常处理模块，所述测试模块用于发送测试指令到断流装置或者检测装置，使得断流装置或者检测装置进入工作状态；
所述数据接收模块，用于接收断流装置或者检测装置上传的数据，并进行判断、存储；
所述异常处理模块，用于发送异常报告。
3.如权利要求1所述的管道阴极电位同步检测系统，其特征在于：所述断流装置的主控芯片的型号是STM32F103VCT6。
4.如权利要求1所述的管道阴极电位同步检测系统，其特征在于：所述线通讯模块、GPS模块的型号是SIM928A。
5.如权利要求1所述的管道阴极电位同步检测系统，其特征在于：所述固态继电器的型号为SDM40100D。
6.如权利要求1所述的管道阴极电位同步检测系统，其特征在于：所述断流装置的同步采用GPS模块的PPM脉冲。
7.一种利用权利要求1所述检测系统检测管道阴极电位的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在所需检测的管道沿线安装检测装置；
（2）在管道的阴极保护电源输出端接入断流装置；
（3）同步断流装置，设置断流时刻；
（4）同步检测装置，设置测量时刻；
（5）检测管道阴极电位；
（6）进行数据存储。
8.如权利要求7所述的利用权利要求1所述检测系统检测管道阴极电位的方法，其特征在于：所述步骤（3）、（4）中是通过无线通讯网络和GPS的标准脉进行断流装置或者检测装置的时间同步。
9.如权利要求7所述的利用权利要求1所述检测系统检测管道阴极电位的方法，其特征在于：所述数据存储是通过移动通信网络将数据返回服务器进行存储。
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