CN107656125B - 一种海水杂散电流原位监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种海水杂散电流原位监测装置，属于杂散电流监测技术领域，包括：密封体，其内布置有单片机微控制器、存储器、以及与单片机微控制器分别相连的电源模块、定时时钟、电路调理模块；用于获取杂散电流信息的测量电极系统，其通过多芯电缆连接密封体内的电路调理模块；位于水面以上并用于实时显示监测区域杂散电流信息的上位机系统，其内置基于Labview开发的软件，上位机系统通过电缆连接密封体内的单片机微控制器，单片机微控制器按照上位机系统内置软件设定的程序原位监测记录杂散电流的测量数据；以及连接密封体和测量电极系统并固定于待监测海域底部的测试桩。本发明完成海域中进行杂散电流相关数据的在线监测与长期、原位记录。

Description

一种海水杂散电流原位监测装置

技术领域

本发明涉及杂散电流监测技术领域，具体地说是一种海水杂散电流原位监测装置。

背景技术

杂散电流是指一种因外界条件影响而产生的一种不按照规定途径移动的电流，例如在电气的高压试验中，直流泄漏或直流耐压试验中，因为高压部分对地存在电容，从而有电流从这个电容流过。由于电气化铁路、矿山、工厂等各种用电设备接地与漏电，很容易在土壤当中形成杂散电流的循环。当其通过埋地管道某一部位进入管道，并在管道中移动一段距离后在从管道中离开回到土壤中，这些电流离开管道的地方就会发生腐蚀，也被称为杂散电流腐蚀。杂散电流腐蚀本质上是电化学腐蚀，埋地管线的阳极区会发生激烈的电化学反应，造成埋地管线穿孔泄漏事故，此外，对电气设备和操作人员安全也有一定的影响。

作为一种介质，海水和土壤一样可视为电解质，其均匀性比土壤好，当有电流流动时，其中的金属构筑物和埋地管道一样将遭受到杂散电流腐蚀。船舶、海上平台、码头等金属构筑物置于海中，当这些构筑物上使用直流用电设备时，便会造成杂散电流腐蚀，比如电焊、强制电流阴极保护等。杂散电流腐蚀破坏速率相当快，并与船体的钢材好坏关系不大，一般仅半年到一年、几十天、有的甚至在几小时内疚严重的破坏了壳体或零件，且以直流杂散电流为主，交流杂散电流所引起的腐蚀仅为直流的1％。杂散电流腐蚀主要发生在修造、停泊、维修期间，因为这个时期往往都需要使用电焊或其他电焊通过船体，这也导致不同时期内海水中杂散电流强度与方向波动较大。

杂散电流的监测是杂散电流腐蚀防护的重要组成部分，做好杂散电流的监测工作对保障码头、靠港船舶的安全与良好运行至关重要。由于杂散电流难以直接测量，所以对于土壤中管道等金属构筑物是否受到杂散电流影响，目前通常是按管地电位较自然电位正向偏移值来判断，如果管地电位较自然电位正向偏移值难以测量时，可采用土壤电位梯度来判定杂散电流强弱。我国石油行业标准《埋地钢制管道直流排流保护技术标准》(SY/T0017-2006)给出了具体规定与判据，欧盟标准EN50162也规定了可采用电位梯度来判定土壤中杂散电流干扰程度。这同样适应于海水环境，利用两个高精度参比电极，测定不同方向两点间电位差值，但与土壤环境不同的是，海水中无固定支点，且手持式探头易受海浪影响，必须解决待监测海域中测量电极的固定问题,以获取稳定可靠的数据。此外，港口附近海域杂散电流分布受船舶维修施工等不同工况影响较大，长周期连续监测存在其必要性。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种海水杂散电流原位监测装置，以完成靠港船舶、码头、海上平台等近海金属构筑物附近海域中进行杂散电流相关数据的在线监测与长期、原位记录。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种海水杂散电流原位监测装置，该监测装置包括：

位于水面以下的密封体，该密封体内布置有单片机微控制器、存储器、以及与单片机微控制器分别相连的电源模块、定时时钟、电路调理模块；

位于水面以下并用于获取杂散电流信息的测量电极系统，该测量电极系统通过多芯电缆连接密封体内的电路调理模块；

位于水面以上并用于实时显示监测区域杂散电流信息的上位机系统，该上位机系统内置基于Labview开发的软件，上位机系统通过电缆连接密封体内的单片机微控制器，单片机微控制器按照上位机系统内置软件设定的程序原位监测记录杂散电流的测量数据；

以及固定于待监测海域底部并上下固定密封体和测量电极系统的测试桩。

所涉及密封体的结构具体为方形的密封壳体，密封壳体上安装有隔离密封壳体内腔与外部海水的水密接头。

所涉及测量电极系统包括固定支架和测量电极。固定支架包括三根表面涂有屏蔽涂层的金属支杆，三根支杆沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向排列且三根支杆的中部相交固定于一点。测量电极有七个，七个测量电极分别通过多芯电缆穿过密封壳体的水密接头与电路调理模块相连，七个测量电极还分别固定于三根支杆的一个相交点和六个端部。固定于同一根支杆端部的两个测量电极成对，并通过电位差值测量获取X轴、Y轴、Z轴三个方向维度的杂散电流信息。固定于支杆端部的六个测量电极还依次电连接固定于相交点的测量电极，通过上位机系统的内置软件，记录电位差值并重置为零，实现测量电极系统的定期自动校准。固定于相交点的测量电极还集成有温度和电导率探头，以获取相关信息并通过上位机系统的内置软件处理运算，将测量电位信息装换成杂散电流数值直接输出。

优选，所涉及测量电极为高精度Ag/AgCl电极，其电位精度≤±1mV。

进一步，所涉及单片机微控制器采用STM32处理芯片，单片机微控制器集成有高阻电位测量元件与通道选择开关，单片机微控制器按照上位机系统内置软件设定的程序自动选择不同测量电极对形成通路，对测量数据进行采集、计算、处理和存储。

所涉及上位机系统的内置软件可以设定采集频率、采集点数量/时间、数据放大倍数、校准周期和测量范围导入单片机微控制器。

所涉及电源模块包括电池组和电压转换器，电池组通过电压转换器连接单片机微控制器，并为单片机微控制器提供工作电压。

所涉及测试桩由表面涂有屏蔽层得金属材质制成，测试桩的底部为圆锥结构并竖直向下固定于待监测海域的底部，测试桩上开设有固定密封体和测量电极系统的多个螺纹孔，或者测试桩上布置有固定密封体和测量电极系统的多个夹具，且多个螺纹孔或多个夹具的布局高度不同。

所涉及测试桩由表面涂有屏蔽层得金属材质制成，测试桩的底部具有扁平块体或者向下插入待监测海域底部的三角支架。

本发明的一种海水杂散电流原位监测装置与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明可以监测微弱电场信号，并通过信号放大与数据换算获取杂散电流分布信息，使用时的监测海域位置与深度选择性大，测量数值稳定、精度高，还具有自校准功能，保障了测量数据的准确可靠；电源模块作为独立电源，既能在线监测，也可按照设定频率进行无人值守的长周期原位数据采集和存储工作，提供海水中杂散电流分布与源头信息，为解决靠港船舶、码头、海上平台等海水中金属构筑物常遇到的杂散电流腐蚀问题提供判断依据。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

图中各标号表示：

1、密封体，2、测量电极系统，3、上位机系统，4、测试桩，

5、单片机微控制器，6、电源模块，7、定时时钟，8、存储器，

9、电路调理模块，10、水密接头，11、集成开关管DC-DC转换器，

12、固定支架，13、处于固定支架端部的高精度Ag/AgCl电极，

14、处于固定支架交点处的高精度Ag/AgCl电极。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的一种海水杂散电流原位监测装置作以下详细说明。

如附图1所示，本发明的一种海水杂散电流原位监测装置，该监测装置包括：

位于水面以下的密封体1，该密封体1内布置有单片机微控制器5、存储器8、以及与单片机微控制器5分别相连的电源模块6、定时时钟7、电路调理模块9；

位于水面以下并用于获取杂散电流信息的测量电极系统2，该测量电极系统2通过多芯电缆连接密封体1内的电路调理模块9；

位于水面以上并用于实时显示监测区域杂散电流信息的上位机系统3，该上位机系统3内置基于Labview开发的软件，上位机系统3通过电缆连接密封体1内的单片机微控制器5，单片机微控制器5按照上位机系统3内置软件设定的程序原位监测记录杂散电流的测量数据；

以及固定于待监测海域底部并上下固定密封体1和测量电极系统2的测试桩4。

所涉及密封体1的结构具体为方形的密封壳体，密封壳体上安装有隔离密封壳体内腔与外部海水的水密接头10。

所涉及测量电极系统2包括固定支架12和高精度Ag/AgCl电极，高精度Ag/AgCl电极的电位精度≤±1mV。固定支架12包括三根表面涂有屏蔽涂层的金属支杆，三根支杆沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向排列且三根支杆的中部相交固定于一点。高精度Ag/AgCl电极有七个，七个高精度Ag/AgCl电极分别通过多芯电缆穿过密封壳体的水密接头10与电路调理模块9相连，七个高精度Ag/AgCl电极还分别固定于三根支杆的一个相交点和六个端部。固定于同一根支杆端部的两个高精度Ag/AgCl电极13成对，并通过电位差值测量获取X轴、Y轴、Z轴三个方向维度的杂散电流信息。固定于支杆端部的六个高精度Ag/AgCl电极13还依次电连接固定于相交点的高精度Ag/AgCl电极14，通过上位机系统的内置软件，记录电位差值并重置为零，实现测量电极系统的定期自动校准。固定于相交点的高精度Ag/AgCl电极14还集成有温度和电导率探头，以获取相关信息并通过上位机系统3的内置软件处理运算，将测量电位信息装换成杂散电流数值直接输出。

所涉及单片机微控制器5采用STM32处理芯片，单片机微控制器5集成有高阻电位测量元件与通道选择开关，单片机微控制器5按照上位机系统3内置软件设定的程序自动选择不同测量电极对形成通路，对测量数据进行采集、计算、处理和存储。

所涉及上位机系统3的内置软件可以设定采集频率、采集点数量/时间、数据放大倍数、校准周期和测量范围导入单片机微控制器。

所涉及电源模块6包括12V锂离子电池组和集成开关管DC-DC转换器，电池组通过集成开关管DC-DC转换器连接单片机微控制器5，并为单片机微控制器5提供3.3V工作电压。

所涉及测试桩4由表面涂有屏蔽层得金属材质制成，测试桩4的底部为圆锥结构并竖直向下固定于待监测海域的底部，测试桩4上开设有固定密封体1和测量电极系统2的多个螺纹孔，或者测试桩4上布置有固定密封体1和测量电极系统2的多个夹具，且多个螺纹孔或多个夹具的布局高度不同。

另外，需要强调的是：

1)所涉及测试桩4的结构不仅限于上述叙述的内容，为了更好的将测试桩4固定于待监测海域的底部，还可以将测试桩4的底部布置扁平块体或者向下插入待监测海域底部的三角支架；从实际应用和成本投入来看，测试桩4的长度在5m-20m即可；

2)存储器8采用SD卡数据存储器，系统的相关参数与测量结果通过双通道同步高速数据采集方式，自动保存；

3)电路调理模块9采用二级放大模式对电极测量信号进行过滤放大，最大放大倍数1000000倍，放大倍数编程可调；

4)从实际应用和成本投入来看，固定支架12中每根支杆的长度在0.5m-5m即可。

本发明进行杂散电流监测的过程为：获取待监测海域的水深和海底土质状况，根据测试深度的需要将密封体1和测量电极系统2固定于测试桩4的合适位置，随后借助吊车或船上吊机悬吊的方式将测试桩4向下投放于待监测海域的底部，基于测试桩4的底部结构，测试桩4会固定在待监测海域的底部，此时，上位机系统3位于海面以上码头或者船舶甲板，密封体1、测量电极2与测试桩4一起位于海面以下待测深度，上位机系统3与密封体1通过电缆保持连接。基于上位机系统3及其内置软件，可以通过上位机系统3的显示部分设定采集频率、采集点数量/时间、数据放大倍数、校准周期和测量范围等参数导入单片机微控制器5，密封体1和测量电极系统2自动进行工作，测量电极信息和温度、电导率等数据依次通过电缆、多芯水密接头10和相应电路调理模块9进入单片机微控制器5，最终输出X轴、Y轴、Z轴三个方向杂散电流数据；在连接断开的时候，单片机微控制器5可以按照设定的程序自动记录测量数据，定时时钟7控制定期进行校准，电源模块6通过集成开关管DC-DC转换器11为单片机微控制器5提供3.3V工作电压，最长可实现0.5a无人值守原位监测。

综上所述，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于，包括：

位于水面以下的密封体，所述密封体内布置有单片机微控制器、存储器、以及与单片机微控制器分别相连的电源模块、定时时钟、电路调理模块；

位于水面以下并用于获取杂散电流信息的测量电极系统，所述测量电极系统通过多芯电缆连接密封体内的电路调理模块；

位于水面以上并用于实时显示监测区域杂散电流信息的上位机系统，所述上位机系统内置基于Labview开发的软件，上位机系统通过电缆连接密封体内的单片机微控制器，单片机微控制器按照上位机系统内置软件设定的程序原位监测记录杂散电流的测量数据；

以及固定于待监测海域底部并上下固定密封体和测量电极系统的测试桩；

其中，

所述密封体为方形的密封壳体，所述密封壳体上安装有隔离密封壳体内腔与外部海水的水密接头；

所述测量电极系统包括固定支架和测量电极；所述固定支架包括三根表面涂有屏蔽涂层的金属支杆，三根支杆沿着X轴、Y轴、Z轴三个方向排列且三根支杆的中部相交固定于一点；所述测量电极有七个，七个测量电极分别通过多芯电缆穿过密封壳体的水密接头与电路调理模块相连，七个测量电极还分别固定于三根支杆的一个相交点和六个端部；固定于同一根支杆端部的两个测量电极成对，并通过电位差值测量获取X轴、Y轴、Z轴三个方向维度的杂散电流信息；固定于支杆端部的六个测量电极还依次电连接固定于相交点的测量电极，实现测量电极系统的定期自动校准；固定于相交点的测量电极还集成有温度和电导率探头，以获取相关信息并通过上位机系统的内置软件处理运算，将测量电位信息装换成杂散电流数值直接输出。

2.根据权利要求1所述的一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于,所述测量电极为高精度Ag/AgCl电极，其电位精度≤±1 mV。

3.根据权利要求1所述的一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于,所述单片机微控制器采用STM32处理芯片，单片机微控制器集成有高阻电位测量元件与通道选择开关，单片机微控制器按照上位机系统内置软件设定的程序自动选择不同测量电极对形成通路，对测量数据进行采集、计算、处理和存储。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于,所述上位机系统的内置软件可以设定采集频率、采集点数量/时间、数据放大倍数、校准周期和测量范围导入单片机微控制器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于,所述电源模块包括电池组和电压转换器，所述电池组通过电压转换器连接单片机微控制器，并为单片机微控制器提供工作电压。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于,所述测试桩由表面涂有屏蔽层得金属材质制成，测试桩的底部为圆锥结构并竖直向下固定于待监测海域的底部，测试桩上开设有固定密封体和测量电极系统的多个螺纹孔，或者测试桩上布置有固定密封体和测量电极系统的多个夹具，且多个螺纹孔或多个夹具的布局高度不同。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种海水杂散电流原位监测装置，其特征在于,所述测试桩由表面涂有屏蔽层得金属材质制成，测试桩的底部具有扁平块体或者向下插入待监测海域底部的三角支架。