CN109136939A - 一种管道极化电位获取方法 - Google Patents

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罗锋
孙伶
赵君
刘猛
刘明
张
张一�
韩朔
许道振
黄光前
徐承伟
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    • C23F13/00—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection
    • C23F13/02—Inhibiting corrosion of metals by anodic or cathodic protection cathodic; Selection of conditions, parameters or procedures for cathodic protection, e.g. of electrical conditions
    • C23F13/04—Controlling or regulating desired parameters

Abstract

本发明公开了一种管道极化电位获取方法，属于管道检测领域。该方法包括：获取管道的管地电位信号，该管地电位信号包括：管道的极化电位信号和实际干扰信号。获取与实际干扰信号相关的地电位梯度信号。利用自适应滤波器对地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，并从管地电位信号中除去模拟干扰信号，得到极化电位信号。本发明提供的管道极化电位获取方法，不受测量距离的影响，可以实现对管道极化电位信号的密间隔测量，保证测量结果的准确性。并且，该方法可以消除实际干扰信号的影响，提高对管道阴极保护有效性评价的准确性和可靠性。

Description

一种管道极化电位获取方法
技术领域
本发明涉及管道检测领域，特别涉及一种管道极化电位获取方法。
背景技术
在利用管道进行油气运输作业时，管道一般埋设在地下，容易受到土壤介质的腐蚀。一旦管道受到的腐蚀较严重，产生穿孔，则容易引发油气泄漏事故，不仅会造成经济损失，还会污染环境。因此，有必要对管道进行阴极保护，并评价该阴极保护的有效性，以避免管道受到腐蚀，而为了评价该阴极保护的有效性，获取管道的极化电位是十分重要的。
现有技术通过使用检查片来获取管道的极化电位。具体地，在地面上，每隔预定距离(一般为1km-3km)沿管道方向安装有一个测试桩；并在管道上方的土壤中埋设检查片，该检查片位于测试桩附近，且与测试桩、管道顺次电连接。待需要获取管道的极化电位时，只需断开检查片与测试桩的电连接，并使用测量仪器(如万用表)测量两者断开时产生的瞬间电位，即可获取管道的极化电位。需要说明的是，上述测量过程是在有干扰信号(如杂散电流)的情况下进行的。
发明人发现现有技术至少存在以下问题：
在现有技术中，两个相邻的测试桩之间距离较远，且检查片只设置在测试桩附近的土壤中，不仅无法实现对管道的密间隔测量，即小间距测量，例如，沿管道的长度方向每隔2m或3m测量一次管道的极化电位。而且无法消除干扰信号的影响，导致对管道阴极保护有效性的评价不准确。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种管道极化电位获取方法。具体技术方案如下：
一种管道极化电位获取方法，所述方法包括：
获取管道的管地电位信号，所述管地电位信号包括：管道的极化电位信号和实际干扰信号；
获取与所述实际干扰信号相关的地电位梯度信号；
利用自适应滤波器对所述地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟所述实际干扰信号的模拟干扰信号；
从所述管地电位信号中除去所述模拟干扰信号，得到所述极化电位信号。
在一种可能的设计中，所述获取管道的管地电位信号，包括：利用电位采集器与埋设于地下的所述管道电性连接，测得所述管道的管地电位信号。
在一种可能的设计中，所述地电位梯度信号包括：沿所述管道轴线方向上的轴向地电位梯度信号和/或沿垂直于所述管道轴线方向上的垂向地电位梯度信号。
在一种可能的设计中，所述获取与所述实际干扰信号相关的地电位梯度信号，包括：
在所述管道的同一侧设置第一参比电极、第二参比电极和第三参比电极；所述第一参比电极和所述第二参比电极沿所述管道轴线的方向排布，所述第二参比电极和所述第三参比电极沿垂直于所述管道轴线的方向排布，且所述管道、所述第一参比电极、所述第二参比电极和所述第三参比电极两两之间均设置有预设间距；
将电位采集器分别与所述管道、所述第一参比电极、所述第二参比电极和所述第三参比电极电连接；
基于所述第一参比电极和所述第二参比电极，利用所述电位采集器采集所述轴向地电位梯度信号；
基于所述第二参比电极和所述第三参比电极，利用所述电位采集器采集所述垂向地电位梯度信号。
在一种可能的设计中，所述利用自适应滤波器对所述地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟所述实际干扰信号的模拟干扰信号，包括：
将所述管地电位信号作为所述自适应滤波器的参考信号，将所述地电位梯度信号作为所述自适应滤波器的待处理信号；
所述自适应滤波器预设权值，对所述地电位梯度信号进行输出，获取输出信号，其中，所述输出信号＝所述地电位梯度信号×所述权值；
对所述管地电位信号和所述输出信号作差，获取自适应滤波调整误差；
所述自适应滤波器不断调整所述权值，直至获得使所述自适应滤波调整误差最小的目标权值；
根据所述目标权值，获取所述地电位梯度信号的目标输出信号，所述目标输出信号即为所述模拟干扰信号。
在一种可能的设计中，所述对所述管地电位信号和所述输出信号作差，包括：
设置减法器，使所述减法器与所述自适应滤波器电性连接；
所述管地电位信号和所述输出信号通过所述自适应滤波器输入至所述减法器进行作差处理，获取自适应滤波调整误差。
在一种可能的设计中，通过最小均方算法对所述自适应滤波调整误差进行处理，以使所述自适应滤波调整误差最小。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的管道极化电位获取方法，通过获取管道的管地电位信号，以及与实际干扰信号相关的地电位梯度信号，并利用自适应滤波器对地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，且从管地电位信号中除去模拟干扰信号，即可得到极化电位信号。可见，该方法不受测量距离的影响，可以实现对管道极化电位信号的密间隔测量，保证测量结果的准确性。并且，该方法在测量管道的极化电位信号时，可以在管地电位信号中除去用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，只得到管道的极化电位信号，消除了实际干扰信号的影响，进而提高了对管道阴极保护有效性评价的准确性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的第一参比电极、第二参比电极和第三参比电极的分布图；
图2是本发明实施例提供的管地电位信号与地电位梯度信号，在经自适应滤波器处理前的数据变化图；
图3是本发明实施例提供的管地电位信号与地电位梯度信号，在经自适应滤波器处理后的数据变化图。
附图标记分别表示：
1 第一参比电极，
2 第二参比电极，
3 第三参比电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种管道极化电位获取方法，该方法包括：
步骤1、获取管道的管地电位信号，管地电位信号包括：管道的极化电位信号和实际干扰信号。
步骤2、获取与实际干扰信号相关的地电位梯度信号。
步骤3、利用自适应滤波器对地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号。
步骤4、从管地电位信号中除去模拟干扰信号，得到极化电位信号。
本发明实施例提供的管道极化电位获取方法，通过获取管道的管地电位信号，以及与实际干扰信号相关的地电位梯度信号，并利用自适应滤波器对地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，且从管地电位信号中除去模拟干扰信号，即可得到极化电位信号。可见，该方法不受测量距离的影响，可以实现对管道极化电位信号的密间隔测量，保证测量结果的准确性。并且，该方法在测量管道的极化电位信号时，可以在管地电位信号中除去用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，只得到管道的极化电位信号，消除了实际干扰信号的影响，进而提高了对管道阴极保护有效性评价的准确性和可靠性。
在本发明实施例中，获取管道的管地电位信号，包括：利用电位采集器与埋设于地下的管道电性连接，测得管道的管地电位信号。
通过将电位采集器与埋设于地下的管道电性连接，在需要管地电位信号时，直接利用电位采集器获取即可，获取过程十分方便。
为了便于在管地电位信号中除去用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，有效获取管道的极化电位信号。地电位梯度信号包括：沿管道轴线方向上的轴向地电位梯度信号和/或沿垂直于管道轴线方向上的垂向地电位梯度信号。
其中，“地电位梯度”可以理解为：两个地电位之间的电位差。
可以理解的是，由于地电位梯度信号和管地电位信号均是通过与管道电连接而采集到的，即两者属于同一干扰源，因此，地电位梯度信号能够用来模拟实际干扰信号。
在本发明实施例中，获取与实际干扰信号相关的地电位梯度信号，包括：
步骤201、在管道的同一侧设置第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3(参见附图1)，第一参比电极1和第二参比电极2沿管道轴线的方向排布，第二参比电极2和第三参比电极3沿垂直于管道轴线的方向排布，且管道、第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3两两之间均设置有预设间距。
步骤202、将电位采集器分别与管道、第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3电连接。
步骤203、基于第一参比电极1和第二参比电极2，利用电位采集器采集轴向地电位梯度信号。
步骤204、基于第二参比电极2和第三参比电极3，利用电位采集器采集垂向地电位梯度信号。
对于步骤201，作业时，将第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3分别插入管道上方的土壤中，并使第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3位于管道的同一侧，以三个参比电极作为地电位梯度的参考。其中，第一参比电极1位于管道的正上方，且管道、第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3两两之间的预设间距可以为1m-2m。举例来说，该预设间距可以为1.2m、1.5m、1.8m等。通过如此设置，保证了后续获取到的管道地电位梯度信号的准确性。
其中，第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3可以为硫酸铜参比电极。
对于步骤202，通过将电位采集器分别与管道、第一参比电极1、第二参比电极2和第三参比电极3电连接，直接利用电位采集器即可实现对管道轴向地电位梯度信号和/或垂向地电位梯度信号的采集。
对于步骤203，使用电位采集器同时采集第一参比电极1和第二参比电极2的电位值，工作人员根据两个参比电极的电位值做差，即可获得沿管道轴线方向上的轴向地电位梯度信号。
对于步骤204，使用电位采集器同时采集第二参比电极2和第三参比电极3的电位值，工作人员根据两个参比电极的电位值做差，即可获得沿垂直于管道轴线方向上的垂向地电位梯度信号。
其中，电位采集器可以为一台具有多通道，且具有时钟同步功能的数据采集器；也可以为多台具有同步功能的数据采集器。举例来说，当电位采集器为一台具有多通道，且具有时钟同步功能的数据采集器时，其具有三个通道，第一个通道与管道、第一参比电极1或第二参比电极2电连接；第二个通道与管道、第一参比电极1和第二参比电极2电连接(用于获取轴向地电位梯度信号)；第三个通道与管道、第二参比电极2和第三参比电极3电连接(用于获取垂向地电位梯度信号)，以同时获取轴向地电位梯度信号、垂向地电位梯度信号。
电位采集器为本领域所常见的，本领域技术人员通过市购即可获得，举例来说，其可以为鸿昌滨江电子仪器(深圳)有限公司生产并销售的型号为HC-069的杂散电流测试仪。
在本发明实施例中，利用自适应滤波器对地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟实际干扰信号的模拟干扰信号，包括：
步骤301、将管地电位信号作为自适应滤波器的参考信号，将地电位梯度信号作为自适应滤波器的待处理信号。
步骤302、自适应滤波器预设权值，对地电位梯度信号进行输出，获取输出信号，其中，输出信号＝地电位梯度信号×权值。
步骤303、对管地电位信号和输出信号作差，获取自适应滤波调整误差。
步骤304、自适应滤波器不断调整权值，直至获得使自适应滤波调整误差最小的目标权值。
步骤305、根据目标权值，获取地电位梯度信号的目标输出信号，目标输出信号即为模拟干扰信号。
在步骤301中，所采用的地电位梯度信号根据实际作业情况可以设置为：仅为轴向地电位梯度信号，或者，仅为垂向地电位梯度信号，或者，同时包含轴向地电位梯度信号与垂向地电位梯度信号的合成信号。
在步骤302中，“权值”为自适应滤波器处理过程中所使用的一个系数，自适应滤波器通过不断调整该权值，可以调整由其输出的信号值。
在本发明实施例中，基于地电位梯度信号与实际干扰信号相关，并且，地电位梯度信号与实际干扰信号各自独立，而通过自适应滤波器进行除噪处理为本领域所常见的，通过利用自适应滤波器对地电位梯度信号进行处理，来获取能够模拟实际干扰信号的模拟干扰信号。
在步骤303中，对管地电位信号和输出信号作差，包括：
设置减法器，使减法器与自适应滤波器电性连接。
管地电位信号和输出信号通过自适应滤波器输入至减法器进行作差处理，获取自适应滤波调整误差。
其中，不仅仅可以使管地电位信号通过自适应滤波器输入至减法器进行作差处理，还可以使管地电位信号直接输入至减法器进行作差处理。
为了实现将自适应滤波调整误差的调整至最小，可以通过最小均方算法对自适应滤波调整误差进行处理。
具体地，根据最小均方算法，利用自适应滤波调整误差对权值进行多个时刻的迭代计算，直至多个权值形成的权值变化曲线趋于平稳，则可以确定该权值为目标权值，此时，自适应滤波调整误差最小，自适应滤波器的输出信号即为目标输出信号，与实际干扰信号相匹配，该目标输出信号即为模拟干扰信号。
需要说明的是，在获取上述模拟干扰信号的同时，基于管地电位信号和输出信号作差，同时也获得了极化电位信号。
可以理解的是，上述获取目标权值、模拟干扰信号的过程为本领域所常见的，举例来说，专利文献一种管道信号噪声抑制方法及系统(申请号CN200910259203.1)，基于遗传算法自适应谐波检测方法(申请号CN201310033347.1)等均对上述过程进行了阐述。
以下通过列举示例来说明上述步骤301至步骤305是如何进行的：
利用电位采集器对现场的管道进行连续两个小时的数据采集，获取管道的管地电位信号和地电位梯度信号。具体采集数据参见附图2(需要说明的是：附图2中的地电位梯度指的是沿垂直于管道轴线方向上的垂向地电位梯度)。
将上述垂向地电位梯度信号v1(n)输入至自适应滤波器中，通过调整权值w，从自适应滤波器中输出模拟干扰信号y(n)，该输出模拟干扰信号y(n)与垂向地电位梯度信号v1(n)之间的关系为：y(n)＝w·v1(n)。
上述获取到的管地电位信号可以作为一个参考信号(该管地电位信号包括：极化电位信号s(n)和实际干扰信号v0(n))。
上述迭代计算的步骤如下：
(1)选定初始权值：w(k)。
(2)计算k时刻自适应滤波器的输出信号：y(k)＝w(k)·v1(k)。
(3)计算k时刻自适应滤波系统误差：e(k)＝s(k)+v0(k)-y(k)。
(4)更新k+1时刻的权值：w(k+1)＝ω(k)+2μe(k)·v1(k)。
如此，重复循环迭代，直到权值算法收敛(即权值变化曲线趋于平稳)，进而获取目标权值。
其中，μ是用来控制稳定性和收敛速度的步长参数。
基于上述，自适应滤波调整误差e(n)为：
e(n)＝s(n)+v0(n)-y(n)
则，均方差函数为：
ζ＝E[e2(n)]＝E[s(n)+v0(n)-y(n)]2
＝E[s2(n)]+E{[v1(n)-y(n)]2}+2E{s(n)·[v0(n)-y(n)]}
由于极化电位信号s(n)与实际干扰信号v0(n)、垂向地电位梯度信号v1(n)都不相关(“相关”可以理解为两者在自适应滤波器中显示的波形相似。可以理解的是，极化电位信号与实际干扰信号、垂向地电位梯度信号在自适应滤波器中的波形并不相似)，即：
E{s(n)·[v0(n)-y(n)]}＝0
因此，上式变为：
ζ＝E[e2(n)]＝E[s2(n)]+E{[v0(n)-y(n)]2}
在自适应过程中，自适应滤波的目标是使ζ最小。由于极化电位信号s(n)不在自适应滤波器通道内，所以ζ最小值可表示为：
ζMin＝MinE(e2)＝E[s2(n)]+MinE{[v0(n)-y(n)]2}
基于上式，为了使E[v0(n)-y(n)]2的值达到最小，则需要使模拟干扰信号y(n)与实际干扰信号v0(n)无限接近，可以理解为v0(n)-y(n)＝0，即实际干扰信号v0(n)与模拟干扰信号y(n)相匹配。
此时，上述自适应滤波调整误差e(n)就是对极化电位信号s(n)的最佳估计，即可视为极化电位信号s(n)，参见附图3(需要说明的是：附图3中的地电位梯度指的是沿垂直于管道轴线方向上的垂向地电位梯度)。
基于上述，本发明实施例提供的管道极化电位获取方法，不受测量距离的影响，可以实现对管道极化电位信号的密间隔测量，保证测量结果的准确性。并且，该方法在测量管道的极化电位信号时，可以在管地电位信号中除去实际干扰信号，只得到管道的极化电位信号，消除了实际干扰信号的影响，进而提高了对管道阴极保护有效性评价的准确性和可靠性。
当然，不仅仅可以采用自适应滤波器进行上述处理过程，还可以使用Matlab实现上述自适应滤波器的仿真，即基于上述自适应滤波原理在Matlab中编写相应程序，在需要获取管道的极化电位时，只需将电位采集器采集到的数据输入至安装有Matlab的计算机，即可自动生成上述极化电位信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种管道极化电位获取方法，其特征在于，所述方法包括：
获取管道的管地电位信号，所述管地电位信号包括：管道的极化电位信号和实际干扰信号；
获取与所述实际干扰信号相关的地电位梯度信号；
利用自适应滤波器对所述地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟所述实际干扰信号的模拟干扰信号；
从所述管地电位信号中除去所述模拟干扰信号，得到所述极化电位信号。
2.根据权利要求1所述的管道极化电位获取方法，其特征在于，所述获取管道的管地电位信号，包括：利用电位采集器与埋设于地下的所述管道电性连接，测得所述管道的管地电位信号。
3.根据权利要求1所述的管道极化电位获取方法，其特征在于，所述地电位梯度信号包括：沿所述管道轴线方向上的轴向地电位梯度信号和/或沿垂直于所述管道轴线方向上的垂向地电位梯度信号。
4.根据权利要求3所述的管道极化电位获取方法，其特征在于，所述获取与所述实际干扰信号相关的地电位梯度信号，包括：
在所述管道的同一侧设置第一参比电极(1)、第二参比电极(2)和第三参比电极(3)，所述第一参比电极(1)和所述第二参比电极(2)沿所述管道轴线的方向排布，所述第二参比电极(2)和所述第三参比电极(3)沿垂直于所述管道轴线的方向排布，且所述管道、所述第一参比电极(1)、所述第二参比电极(2)和所述第三参比电极(3)两两之间均设置有预设间距；
将电位采集器分别与所述管道、所述第一参比电极(1)、所述第二参比电极(2)和所述第三参比电极(3)电连接；
基于所述第一参比电极(1)和所述第二参比电极(2)，利用所述电位采集器采集所述轴向地电位梯度信号；
基于所述第二参比电极(2)和所述第三参比电极(3)，利用所述电位采集器采集所述垂向地电位梯度信号。
5.根据权利要求4所述的管道极化电位获取方法，其特征在于，所述利用自适应滤波器对所述地电位梯度信号进行处理，获取用来模拟所述实际干扰信号的模拟干扰信号，包括：
将所述管地电位信号作为所述自适应滤波器的参考信号，将所述地电位梯度信号作为所述自适应滤波器的待处理信号；
所述自适应滤波器预设权值，对所述地电位梯度信号进行输出，获取输出信号，其中，所述输出信号＝所述地电位梯度信号×所述权值；
对所述管地电位信号和所述输出信号作差，获取自适应滤波调整误差；
所述自适应滤波器不断调整所述权值，直至获得使所述自适应滤波调整误差最小的目标权值；
根据所述目标权值，获取所述地电位梯度信号的目标输出信号，所述目标输出信号即为所述模拟干扰信号。
6.根据权利要求5所述的管道极化电位获取方法，其特征在于，所述对所述管地电位信号和所述输出信号作差，包括：
设置减法器，使所述减法器与所述自适应滤波器电性连接；
所述管地电位信号和所述输出信号通过所述自适应滤波器输入至所述减法器进行作差处理，获取自适应滤波调整误差。
7.根据权利要求5所述的管道极化电位获取方法，其特征在于，通过最小均方算法对所述自适应滤波调整误差进行处理，以使所述自适应滤波调整误差最小。
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