CN108717139A - 一种钢制油气管道杂散电流监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢制油气管道杂散电流监测装置，包括缠绕在钢制油气管道上的光纤电流传感器以及顺次连接的转接模块、通讯光纤、采集单元、采集通讯终端和电源管理模块，所述光纤电流传感器与转接模块连接，所述采集通讯终端通讯连接有后台服务器，所述采集单元与所述电源管理模块连接，所述电源管理模块连接有太阳能板和蓄电池。对钢制管道中流动的电流实时监测，能通过电流的大小方向判断管道受杂散干扰严重程度。
Description
技术领域
本发明属于油气管道监测设备领域，具体涉及一种钢制油气管道杂散电流监测装置。
背景技术
钢制油气管道在外界杂散电流的影响下，会产生严重的腐蚀。外界杂散电流干扰是一个动态的干扰，随时间不断的变化的过程。现有的杂散电流设备无法实时监测电流，并检测的精度减低，无法满足研究和生产的要求。由于流入钢制管道中的杂散电流无法实时测量，从而导致油气管道受杂散电流的影响程度一直是学者研究的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种钢制油气管道杂散电流监测装置，对钢制管道中流动的电流实时监测，能通过电流的大小方向判断管道受杂散干扰严重程度。
为达上述目的，本发明的主要技术解决手段是提供一种钢制油气管道杂散电流监测装置，包括缠绕在钢制油气管道上的光纤电流传感器以及顺次连接的转接模块、通讯光纤、采集单元、采集通讯终端和电源管理模块，所述光纤电流传感器与转接模块连接，所述采集通讯终端通讯连接有后台服务器，所述采集单元与所述电源管理模块连接，所述电源管理模块连接有太阳能板和蓄电池。
所述转接模块为现有技术中的光纤的转接头。
所述钢制油气管道杂散电流监测装置还包括可固定在地面上的立柱，所述太阳能板连接在所述立柱上，所述立柱连接有测试箱，所述采集单元、采集通讯终端和电源管理模块均设置在所述测试箱内，所述蓄电池外套设有保护箱，所述保护箱设置在地面下，用来防止蓄电池受到地下水的侵害，所述钢制油气管道、光纤电流传感器以及转接模块均埋在地面下，所述通讯光纤设置在所述立柱上。
所述后台服务器实时接收监测钢制管道电流值并存储。
所述光纤电流传感器为现有技术，包括数字闭环信号检测模块与光源驱动模块，数字闭环信号检测模块实现光纤电流互感器的调制、解调及闭环控制算法；光源驱动模块实现对SLD光源功率和管芯温度的精确控制，并产生驱动电流。该电路以MAXIM公司的MAX1978作为温度控制器，其主要优点是：控制精度高，可以达到0.001℃；系统功耗低，采用MOSFET开关管，导通时电阻很小，大大降低了系统功耗；芯片体积小，集成度高，需要的外围配置电路简单，片上集成MOSFET管，不需要外接MOSFET管。恒流驱动电路可提供大于100mA的驱动电流，能够满足光纤电流互感器应用要求。
所述现有技术的光纤电流传感器还包括信号处理电路，实现光纤电流互感器的数字闭环信号检测功能，其关键器件包括前置放大器、A/D转换器、数字逻辑电路和D/A转换器，其中数字逻辑电路是整个信号处理电路的核心，它的主要功能包括：实现整个信号处理流程的时序控制；产生调制方波；实现数字相关解调；生成反馈阶梯波实现闭环控制；进行数字滤波，并作为互感器的数字输出；实现通信接口。数字逻辑电路在光纤电流互感器互感器中具有重要作用，而且要求具有较高的实时性，同时，由于信号处理过程中的运算相对简单，因此，采用在时序控制方面具有较强优势的FPGA作为光纤电流互感器信号处理电路的核心器件。
所述现有技术的光纤电流传感器还包括信号解调电路，为了检测待测电流产生的法拉第相位差，采用在光纤陀螺中较成熟的全数字闭环反馈的信号解调方案。光电探测器输出的电信号，经过隔直、放大后通过A/D转换为数字信号进入信号处理单元；由调制信号产生电路输出一路方波信号驱动相位调制器，使光纤电流互感器输出信号获得一个稳定的偏置，从而使系统工作在灵敏度最高点；同时由于法拉第效应产生的相移会使系统偏移工作点，使用数字阶梯波发生器生成一路高度合适的阶梯波信号，叠加在之前产生的方波上，并通过D/A转换转换为模拟信号，施加在相位调制器上，用以抵消法拉第相移，从而使使闭环系统始终稳定工作在工作点上。该阶梯波信号的高度即等效于法拉第效应产生的相移，通过检测该阶梯波信号的高度便可解调出所需的法拉第相移。全数字闭环反馈的信号解调方案具有动态范围大，检测精度高的优点。
所述采集单元用于对光纤电流传感器输出的模拟电信号进行幅度变换、阻抗转换，所述采集单元为现有技术，为同领域技术人员不费脑力就能做出的现有功能电路；通过幅度变换，使信号幅度符合后续单元(即采集通讯单元)的输入要求；埋地管道上的模拟信号的输出阻抗很大，通过阻抗变换，将信号的阻抗降低，使后续单元就能测得准确的信号。
所述采集通讯单元包括现有技术中的无线通讯模块，例如GPRS、3G、4G等，在一些实施例中，本发明采用GPRS方式进行通讯。
所述电源管理模块用于监测蓄电池电量、电压电流及充放电状态，每日发电用电数据统计；还用于欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，过流保护，过热保护，短路保护，防反向放电，太阳能板和蓄电池反接保护和参数修改等功能。
本发明是通过光纤电流传感器、通讯系统和太阳能供电系统组成一套对埋地钢制管道杂散电流实施监测装置。光纤电流传感器、通讯系统和太阳能供电系统组成一套对埋地钢制管道杂散电流实施监测装置。
光纤电流传感器的工作原理：由超辐射发光管(SLD)光源发出的光经过环行器与起偏器后，变为线偏振光。起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，线偏振光以45°注入保偏光纤延迟线，分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输。这两个正交模式的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤中传播。载流导线中传输的电流产生磁场，在传感光纤中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在镜面处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)再次通过传感光纤，并再次经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍。这两束光再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光。两束光在起偏器处发生干涉，携带相位差信号的光进入光接收组件转换为电信号。根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图，
图2是图1实施例中的光纤电流传感器的工作原理图，
图中：1.钢制管道，2.光纤电流传感器，3.转接模块，4.通讯光纤，5.采集单元，6.采集通讯终端，7.电源管理模块，8.测试箱，9.太阳能板，10.立柱，11.保护箱，12.蓄电池。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1和图2所示，本实施例所描述的一种钢制油气管道杂散电流监测装置，包括缠绕在钢制油气管道上的光纤电流传感器2以及顺次连接的转接模块3、通讯光纤4、采集单元5、采集通讯终端6和电源管理模块7，所述光纤电流传感器2与转接模块3连接，所述采集通讯终端6通讯连接有后台服务器，所述采集单元5与所述电源管理模块7连接，所述电源管理模块7连接有太阳能板9和蓄电池12。
所述转接模块3为现有技术中的光纤的转接头。
所述钢制油气管道杂散电流监测装置还包括可固定在地面上的立柱10，所述太阳能板9连接在所述立柱10上，所述立柱10连接有测试箱8，所述采集单元5、采集通讯终端6和电源管理模块7均设置在所述测试箱8内，所述蓄电池12外套设有保护箱11，所述保护箱11设置在地面下，用来防止蓄电池12受到地下水的侵害，所述钢制油气管道、光纤电流传感器2以及转接模块3均埋在地面下，所述通讯光纤4设置在所述立柱10上。
所述后台服务器实时接收监测钢制管道1电流值并存储。
所述光纤电流传感器2为现有技术，包括数字闭环信号检测模块与光源驱动模块，数字闭环信号检测模块实现光纤电流互感器的调制、解调及闭环控制算法；光源驱动模块实现对SLD光源功率和管芯温度的精确控制，并产生驱动电流。该电路以MAXIM公司的MAX1978作为温度控制器，其主要优点是：控制精度高，可以达到0.001℃；系统功耗低，采用MOSFET开关管，导通时电阻很小，大大降低了系统功耗；芯片体积小，集成度高，需要的外围配置电路简单，片上集成MOSFET管，不需要外接MOSFET管。恒流驱动电路可提供大于100mA的驱动电流，能够满足光纤电流互感器应用要求。
所述现有技术的光纤电流传感器2还包括信号处理电路，实现光纤电流互感器的数字闭环信号检测功能，其关键器件包括前置放大器、A/D转换器、数字逻辑电路和D/A转换器，其中数字逻辑电路是整个信号处理电路的核心，它的主要功能包括：实现整个信号处理流程的时序控制；产生调制方波；实现数字相关解调；生成反馈阶梯波实现闭环控制；进行数字滤波，并作为互感器的数字输出；实现通信接口。数字逻辑电路在光纤电流互感器互感器中具有重要作用，而且要求具有较高的实时性，同时，由于信号处理过程中的运算相对简单，因此，采用在时序控制方面具有较强优势的FPGA作为光纤电流互感器信号处理电路的核心器件。
所述现有技术的光纤电流传感器2还包括信号解调电路，为了检测待测电流产生的法拉第相位差，采用在光纤陀螺中较成熟的全数字闭环反馈的信号解调方案。光电探测器输出的电信号，经过隔直、放大后通过A/D转换为数字信号进入信号处理单元；由调制信号产生电路输出一路方波信号驱动相位调制器，使光纤电流互感器输出信号获得一个稳定的偏置，从而使系统工作在灵敏度最高点；同时由于法拉第效应产生的相移会使系统偏移工作点，使用数字阶梯波发生器生成一路高度合适的阶梯波信号，叠加在之前产生的方波上，并通过D/A转换转换为模拟信号，施加在相位调制器上，用以抵消法拉第相移，从而使使闭环系统始终稳定工作在工作点上。该阶梯波信号的高度即等效于法拉第效应产生的相移，通过检测该阶梯波信号的高度便可解调出所需的法拉第相移。全数字闭环反馈的信号解调方案具有动态范围大，检测精度高的优点。
所述采集单元5用于对光纤电流传感器2输出的模拟电信号进行幅度变换、阻抗转换，所述采集单元5为现有技术，为同领域技术人员不费脑力就能做出的现有功能电路；通过幅度变换，使信号幅度符合后续单元(即采集通讯单元)的输入要求；埋地管道上的模拟信号的输出阻抗很大，通过阻抗变换，将信号的阻抗降低，使后续单元就能测得准确的信号。
所述采集通讯单元包括现有技术中的无线通讯模块，例如GPRS、3G、4G等，在一些实施例中，本发明采用GPRS方式进行通讯。
所述电源管理模块7用于监测蓄电池12电量、电压电流及充放电状态，每日发电用电数据统计；还用于欠压保护，过压保护，过充保护，过载保护，过流保护，过热保护，短路保护，防反向放电，太阳能板9和蓄电池12反接保护和参数修改等功能。
本发明是通过光纤电流传感器2、通讯系统和太阳能供电系统组成一套对埋地钢制管道1杂散电流实施监测装置。光纤电流传感器2、通讯系统和太阳能供电系统组成一套对埋地钢制管道1杂散电流实施监测装置。
光纤电流传感器2的工作原理：由超辐射发光管(SLD)光源发出的光经过环行器与起偏器后，变为线偏振光。起偏器的尾纤与相位调制器的尾纤以45°熔接，线偏振光以45°注入保偏光纤延迟线，分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输。这两个正交模式的线偏振光经过1/4波片后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，进入传感光纤中传播。载流导线中传输的电流产生磁场，在传感光纤中产生法拉第磁光效应，使这两束圆偏振光的相位差发生变化并以不同的速度传输，在镜面处反射后，两束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)再次通过传感光纤，并再次经历法拉第效应使两束光产生的相位差加倍。这两束光再次通过1/4波片后，恢复为线偏振光。两束光在起偏器处发生干涉，携带相位差信号的光进入光接收组件转换为电信号。根据Faraday磁光效应与安培环路定律可知，载流导线中传输的电流大小与相位差成正比，因此通过检测光相位差信号可计算出待测电流值。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种钢制油气管道杂散电流监测装置，其特征在于，包括缠绕在钢制油气管道上的光纤电流传感器以及顺次连接的转接模块、通讯光纤、采集单元、采集通讯终端和电源管理模块，所述光纤电流传感器与转接模块连接，所述采集通讯终端通讯连接有后台服务器，所述采集单元与所述电源管理模块连接，所述电源管理模块连接有太阳能板和蓄电池。
2.根据权利要求1所述的钢制油气管道杂散电流监测装置，其特征在于所述钢制油气管道杂散电流监测装置还包括可固定在地面上的立柱，所述太阳能板连接在所述立柱上，所述立柱连接有测试箱。
3.根据权利要求2所述的钢制油气管道杂散电流监测装置，其特征在于所述采集单元、采集通讯终端和电源管理模块均设置在所述测试箱内，所述蓄电池外套设有保护箱，所述保护箱设置在地面下。
4.根据权利要求3所述的钢制油气管道杂散电流监测装置，其特征在于所述钢制油气管道、光纤电流传感器以及转接模块均埋在地面下，所述通讯光纤设置在所述立柱上。
5.根据权利要求1所述的钢制油气管道杂散电流监测装置，其特征在于所述后台服务器实时接收监测钢制管道电流值并存储。
6.根据权利要求1所述的钢制油气管道杂散电流监测装置，其特征在于所述光纤电流传感器包括数字闭环信号检测模块、光源驱动模块、信号处理电路和信号解调电路。
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