CN112962101B - 一种埋地管道用多参比电极恒电位仪及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种埋地管道用多参比电极恒电位仪及使用方法，包括主电路、控制电路、远程监控终端和4个参比电极。恒电位仪其特点在于使用了多参比电极的特殊设计，使用参比电极结合远程监控终端与上位机的通讯，对汇流点附近的电位和距离管道1000m处的参比电位进行测量，估算出管道当前的保护长度和管道末端的保护电位，根据当前管道的受保护状态向上位机预警。其控制电路完成对全桥DCDC变换器的控制、管道保护状态诊断、数据通讯、故障状态采集、故障报警，实现智能化控制。本发明克服了现有恒电位仪不能适应不同天气状况和成本高的缺点，通过4个参比电极采样得到的电压值对埋地钢制管道的当前受保护长度和管道末端保护电位进行实时计算，提升了恒电位仪对不同天气状况的适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋地管道用多参比电极恒电位仪及使用方法，属于电气产品领域。
背景技术
阴极保护(英文：Cathode Protection)是电化学保护技术的一种，其原理是向金属结构表面加一个外加电流，使得金属结构成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱金属结构表面腐蚀的发生。
恒电位仪可以控制电极电位为设定值，以达到恒电位极化的目的。恒电位仪从整体分析说是一个负反馈放大——输出系统，与待测电极构成闭环调节，通过测量参比电极与工作电极的电位差，作为取样信号与控制信号进行比较，实现控制并调节极化电流输出，使参比电极与工作电极的电位差得以保持在设定的控制电位上。
但是目前的阴极保护用恒电位仪只有一个参比电极，只能测量管道汇流点处的参比电位，所得到的管道保护电位数据也仅仅局限于一个点，有很大的局限性。不能反映整个埋地钢制管道的受保护状态，不能适应复杂多变的天气条件。本文设计的恒电位仪采用了开关电源技术，使用了全桥DCDC拓扑的变换器，提高了电源的功率密度，降低了成本与体积。
发明内容
为了克服现有的恒电位仪电源设备无法检测埋地钢质管道受保护状态、适应性差、体积大、重量大、成本高的缺点,本发明提供一种可以检测埋地管道受保护状态、适应能力强、结构简单、智能化控制、低成本、故障率低的多参比电极恒电位仪电源，主要针对管道埋设范围内土壤介质均匀的阴极保护情况。
本文以一根长50公里的埋地钢制管道为例，该管道直径为0.9m，管壁厚两公分，埋在距离地面1.2米的均质土壤中。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种埋地管道用多参比电极恒电位仪，包括主电路、控制电路、4个参比电极和远程监测终端。所述控制电路通过对4个参比电极采样得到的参比电压进行分析，控制主电路调整其输出，远程监测终端主要负责将远离恒电位仪的参比电压传回控制电路。所述恒电位仪其特点在于使用了多参比电极的特殊设计，使用4个硫酸铜参比电极结合远程监控终端与上位机的通讯，对汇流点附近的电位和距离管道1000m处的参比电位进行测量，使用对应算法估算出管道当前的保护长度和管道末端的保护电位，并根据当前管道的受保护状态向上位机预警。所述的控制电路主要完成对全桥DCDC变换器的控制、管道保护状态诊断、数据通讯、故障状态采集、故障报警，实现智能化控制。
所述的主电路，包括电网输入端1、整流滤波电路2、全桥逆变器3、高频降压变压器4、输出整流滤波电路5、输出电流采样6、输出电压采样7、保护电阻8、正负输出端子9。其硬件方面主要的不同之处是由传统的单个参比电极增加到4个。在图1中，电网电压由电网电压输入端1经过整流滤波电路2后，得到直流电压，直流电压经全桥逆变器3实现高频逆变，得到频率为22.5kHz的高频交流电；再经过高频降压变压器4进行降压，最后通过输出整流滤波电路5进行整流和滤波，输出电流采样6和输出电压采样7分别对恒电位仪的输出电流和电压进行采样。保护电阻8可以防止恒电位仪开路故障。正负输出端子9，正极接在管道中点上，负极接在辅助阳极上，与土壤构成一个闭合回路，达到保护钢制管道的目的。
其中，所述的全桥逆变器3采用四个IGBT组成的全桥逆变拓扑。电路中L1包含了变压器的漏感，C1为隔直电容可以滤除变压器一次侧直流成分。其控制方式如下：全桥逆变器3通过控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通关断产生成交流。具体控制方式为，在一个开关周期内Q1、Q3先同时导通，此时Q2、Q4关断；同时当Q1、Q3关断时，Q2、Q4导通。通过控制一个周期内管子导通的时间也就是占空比，来控制输出的电压或者电流的幅值大小。按为了保持输出电压或者电流的稳定，需要根据负载的电流电压值进行闭环控制。当采样得到的输出电压或者电流幅值小于设定值时增加占空比，从而增大输出电压电流幅值；当采样得到的输出电压或者电流幅值大于设定值时减小占空比，从而减小输出电压电流幅值，从而完成恒电压恒电流功能。
所述的4个参比电极，包括参比电极1号23、参比电极2号24、参比电极3号25、参比电极4号26，均为硫酸铜参比电极，通过外部采样芯片A17与外部采样芯片B21进行采样，电压采样量程为-5V到+5V，精度大于5mV。如图1所示其中，1号参比电极24与2号参比电极26，埋放在管道中心与管道径向方向相垂直的方向，距离地表深度均为1.65m，距离管道外层20公分的位置，埋置在管道两侧，用来采集管道中心附近土壤的参比电压值。3号参比电极23与4号参比电极25以相同方式埋置于沿管道径向方向距离管道中心点x＝1000m处的土壤中(根据实际工程测量结果显示沿管道径向方向距离管道中心1000m处电压降约为0.6V，足够较为准确的估算出此时管道的受保护状态)。其中1号、2号、3号、4号参比电极采样得到的参比电压分别为Uref1、Uref2、Uref3、Uref4。
所述的远程监控终端11包括GPRS模块15、控制芯片A16、外部采样芯片A17。远程监控终端11可以将距离管道1000m处的参比电位信号先通过信号预处理单元22，再由外部采样芯片A17转换为数字量，并通过控制芯片A16通过GPRS模块15将数据发送至上位机10，再通过上位机10与恒电位仪的RS485模块19发送至恒电位仪的控制器13中，保证了远距离参比电压信号传输的准确性。
所述触摸屏18可以通过RS485模块19与控制芯片B20通信，可以显示当前恒电位仪的输出电压、电流、工作状态等信息，并可以通过触摸屏18直接调整恒电位仪的输出电压或电流值。
所述的控制电路，由外部采样芯片B21和控制芯片B20共同组成。所述外部采样芯片B21对被测恒电位仪输出端的电压电流实时采样并完成A/D转换；所述控制芯片B20主要完成以下功能：驱动波形发生器、管道保护状态监控，数据通讯、故障状态采集。其具体工作过程是：通过外部采样得到4个参比电压信号和恒电位仪输出的电压与电流信号，经过信号预处理单元14，再由外部采样芯片B21传入控制芯片B20，控制芯片B20对参比信号与输出电压电流信号完成A/D转换，同时控制芯片B20产生PWM信号再由驱动电路12，产生PWM驱动波形，控制全桥逆变器3中IGBT的导通与关断，通过算法调整IGBT的占空比，从而可以调整恒电位仪的输出电压或电流的大小，以此完成对埋地钢制管道的保护。
一种埋地管道用多参比电极恒电位仪的使用方法，包括以下步骤：
第一步，对4个参比电极所处位置土壤电位进行采样，采样得到4个参比电压Uref1、Uref2、Uref3、Uref4，其中Uref1、Uref2这两个电压信号直接由恒电位仪外部采样芯片B21传给控制芯片B20，Uref3、Uref4这两个电压信号通过外部采样芯片A17传送至控制芯片A16，完成A/D转换，再由GPRS模块15传送至上位机10，再由上位机10经RS485模块19传至控制芯片B20，完成对4个参比电极电位的采样。
第二步，在控制芯片B20中对Uref1与Uref2，Uref3与Uref4两组电位值，分别取平均值，分别得到电位
与
第三步，将第二步的计算结果代入式
计算得到此时的土壤状态特征值a，其中由上文所述x＝1000。
第四步，将第二步的计算结果与第三步的计算结果分别代入公式
其中L为管道总长度的二分之一，得到此时管道末端保护电位
代入公式
得到此时管道单侧最长保护距离Lmax，
为管道允许的最小保护电位-0.85V。
第五步，通过比较管道末端保护电位
与管道允许最小保护电位-0.85V之间的大小，判断管道当前的保护状态。
若此时管道末端保护电位
的计算值小于等于-0.85V(因为选用的是饱和硫酸铜参比电极，此处
取-0.85V)时，则说明管道受保护状态良好，则不对恒电位仪输出电压电流做调整。
若此时管道末端保护电位
的计算值大于-0.85V，管道末端处于欠保护状态，控制器将向上位机10报警，并通过式子
计算出此时管道中心应保持的电位，调节恒电位仪输出电压或者电流使得此时管道中心电位
使得管道重新回到受保护状态，完成闭环操作。若此时管道单侧最长保护距离Lmax大于等于管道长度的二分之一即L，说明此时均处于受保护状态。
若此时单侧受最大保护长度的计算值Lmax小于管道长度的二分之一，则此时管道受保护长度L*＝Lmax(L*为当前管道受保护长度)。
本发明所述的多参比电极恒电位仪的有益效果是：通过使用微处理器提高产品智能化程度；采用高频降压变压器使得电源体积和质量较工频电源大幅减小；采用多参比电极和对应算法公式实现管道保护状态的实时监测，能够同时计算出当前管道的保护长度和末端电位。
附图说明
图1是本发明所述的一种阴极保护装置的结构示意图。
图2是本发明所述恒电位仪的主电路原理图。
图3是本发明所使用算法的流程图。
图1中：1电网输入端，2整流滤波电路，3全桥逆变器，4高频降压变压器，5输出整流滤波电路，6输出电流采样，7输出电压采样，8保护电阻，9正负输出端子，10上位机，11远程监控终端，12驱动电路，13控制器，14信号预处理单元，15GPRS模块，16控制芯片A，17外部采样芯片A，18触摸屏，19RS485模块，20控制芯片B，21外部采样芯片B，22信号预处理单元，23参比电极1号，24参比电极2号，25参比电极3号，26参比电极4号。
具体实施方式
以下结合具体实施案例对本发明做进一步说明。
埋地管道用多参比电极恒电位仪，包括主电路、控制电路、4个参比电极和远程监测终端。主电路工作方式为电网输入端1经过整流滤波电路2后，得到直流电压，直流电压全桥逆变器3高频逆变，得到频率为22.5kHz的高频交流电；再经过高频降压变压器4进行降压，最后通过输出整流滤波电路5进行整流和滤波，保护电阻8可以防止恒电位仪开路故障。正负输出端子9，正极接在管道中点上，负极接在辅助阳极上，与土壤构成一个闭合回路，达到保护钢制管道的目的。
其中，全桥逆变器3采用四个IGBT组成的全桥逆变拓扑。电路中L1包含了变压器的漏感，C1为隔直电容可以滤除变压器一次侧直流成分。
所述的4个参比电极，均为硫酸铜参比电极，通过外部采样芯片A17与外部采样芯片B21进行采样，电压采样量程为-5V到+5V，精度大于5mV。如图1所示其中1号参比电极24与2号参比电极26，埋放在管道中心与管道径向方向相垂直的方向，距离地表深度均为1.65m，距离管道外层20公分的位置，埋置在管道两侧，用来采集管道中心附近土壤的参比电压值。3号参比电极23与4号参比电极25以相同方式埋置于沿管道径向方向距离管道中心点x＝1000m处的土壤中(根据实际工程测量结果显示沿管道径向方向距离管道中心1000m处电压降约为0.6V，足够较为准确的估算出此时管道的受保护状态)。其中1号、2号、3号、4号参比电极采样得到的参比电压分别为Uref1、Uref2、Uref3、Uref4。
图1中远程监控终端11包括GPRS模块15、控制芯片A16、外部采样芯片A17。远程监控终端11可以将距离管道1000m处的参比电位信号先通过信号预处理单元22，再由外部采样芯片A17转换为数字量，并通过控制芯片A16通过GPRS模块15将数据发送至上位机10，再通过上位机10与恒电位仪的RS485通信电路发送至恒电位仪的控制器13中，保证了远距离参比电压信号传输的准确性。
所述的控制电路，由外部采样芯片B21和控制芯片B20共同组成。所述外部采样芯片B21对被测恒电位仪输出端的电压电流实时采样并完成A/D转换；所述控制芯片B20主要完成以下功能：驱动波形发生器、管道保护状态监控，数据通讯、故障状态采集。其具体工作过程是：通过外部采样得到4个参比电压信号和恒电位仪输出的电压与电流信号，经过信号预处理单元14，再由外部采样芯片B21传入控制芯片B20，控制芯片B20对参比信号与输出电压电流信号完成A/D转换，同时控制芯片B20产生PWM信号再由驱动电路12，产生PWM驱动波形，控制全桥逆变器3中IGBT的导通与关断，通过算法调整IGBT的占空比，从而可以调整恒电位仪的输出电压或电流的大小，以此完成对埋地钢制管道的保护。
埋地钢质管道用多参比电极恒电位仪的使用，包括以下步骤：
第一步，对4个参比电极所处位置土壤电位进行采样，采样得到4个参比电压Uref1、Uref2、Uref3、Uref4，其中Uref1、Uref2这两个电压信号直接由恒电位仪外部采样芯片B21传给控制芯片B20，Uref3、Uref4这两个电压信号通过外部采样芯片A17传送至控制芯片A16，完成A/D转换，再由GPRS模块15传送至上位机10，再由上位机10经RS485模块19传至控制芯片B20，完成对4个参比电极电位的采样。
第二步，在控制芯片B20中对Uref1与Uref2，Uref3与Uref4两组电位值，分别取平均值，分别得到电位
与
第三步，将第二步的计算结果代入式
计算得到此时的土壤状态特征值a，其中由上文所述x＝1000。
第四步，将第二步的计算结果与第三步的计算结果分别代入公式
其中L为管道总长度的二分之一，得到此时管道末端的受保护电位
代入公式
得到此时管道单侧最长保护距离Lmax，
为管道允许的最小保护电位-0.85V。
第五步，通过比较管道末端保护电位
与管道允许最小保护电位-0.85V之间的大小，判断管道当前的保护状态。
若此时管道末端保护电位
的计算值小于等于-0.85V(因为选用的是饱和硫酸铜参比电极，此处
取-0.85V)时，则说明管道受保护状态良好，则不对恒电位仪输出电压电流做调整。
若此时管道末端保护电位
的计算值大于-0.85V，管道末端处于欠保护状态，控制器将向上位机10报警，并通过式子
计算出此时管道中心应保持的电位，调节恒电位仪输出电压或者电流使得此时管道中心电位
使得管道重新回到受保护状态，完成闭环操作。若此时管道单侧最长保护距离Lmax大于等于管道长度的二分之一即L，说明此时均处于受保护状态，若此时单侧受最大保护长度的计算值Lmax小于管道长度的二分之一，则此时管道受保护长度L*＝Lmax(L*为当前管道受保护长度)。
触摸屏18可以显示当前恒电位仪输出端的电压值与电流值，工作在恒电压模式还是恒电流模式，并且能够通过触摸屏调节当前恒电位仪的输出电压或电流的幅值，恒电位仪还可以显示管道当前的受保护状态，包含管道末端保护电位与管道当前最大保护长度等信息。恒电位仪的故障状态也可以通过触摸屏显示。
图2是多参比电极恒电位仪电路原理图，按照图2对主电路进行连接，其中，逆变电路采用4个IGBT组成的全桥拓扑，隔直电容C1与高频降压变压器的初级侧串联。高频降压变压器4的次级与输出整流滤波电路5连接，输出整流滤波电路与正负输出端子9相连，正输出端子与阴极保护系统辅助阳极相连，负输出端子与管道中心汇流点相连接，恒电位仪以这样的方式为管道提供阴极保护所需的电流从而构成一个阴极保护系统，达到阴极保护的目的。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种埋地管道用多参比电极恒电位仪，其特征在于，所述的多参比电极恒电位仪包括主电路、控制电路、4个参比电极和远程监测终端；所述控制电路通过对4个参比电极采样得到的参比电压进行分析，控制主电路调整其输出，远程监测终端主要负责将远离恒电位仪的参比电压传回控制电路；
所述的主电路，包括电网输入端(1)、整流滤波电路(2)、全桥逆变器(3)、高频降压变压器(4)、输出整流滤波电路(5)、输出电流采样(6)、输出电压采样(7)、保护电阻(8)、正负输出端子(9)；电网电压由电网输入端(1)经过整流滤波电路(2)后得到直流电压，直流电压经全桥逆变器(3)实现高频逆变；再经过高频降压变压器(4)降压后通过输出整流滤波电路(5)进行整流和滤波，输出电流采样(6)和输出电压采样(7)分别对恒电位仪的输出电流和电压进行采样；保护电阻(8)用于防止恒电位仪开路故障；正负输出端子(9)的正极接在管道中点上，负极接在辅助阳极上，与土壤构成闭合回路，用于保护钢制管道；
所述的4个参比电极，包括参比电极1号(23)、参比电极2号(24)、参比电极3号(25)、参比电极4号(26)，均为硫酸铜参比电极，通过外部采样芯片A(17)与外部采样芯片B(21)进行采样，电压采样量程为-5V到+5V；所述的参比电极2号(24)与参比电极4号(26)埋放在管道中心与管道径向方向相垂直的方向，距离地表深度均为1.65m，距离管道外层20公分的位置，埋置在管道两侧，用来采集管道中心附近土壤的参比电压值；所述的参比电极1号(23)与参比电极3号(25)以相同方式埋置于沿管道径向方向距离管道中心点x＝1000m处的土壤中；其中参比电极1号(23)、参比电极2号(24)、参比电极3号(25)、参比电极4号(26)采样得到的参比电压分别为Uref1、Uref2、Uref3、Uref4；
所述的远程监控终端(11)包括GPRS模块(15)、控制芯片A(16)、外部采样芯片A(17)；所述的远程监控终端(11)用于将距离管道1000m处的参比电压信号先通过信号预处理单元(22)，由外部采样芯片A(17)转换为数字量，通过控制芯片A(16)通过GPRS模块(15)将数据发送至上位机(10)，再通过上位机(10)与恒电位仪的RS485模块(19)发送至恒电位仪的控制器(13)中，保证远距离参比电压信号传输的准确性；
所述的控制电路包括外部采样芯片B(21)和控制芯片B(20)；所述外部采样芯片B(21)对被测恒电位仪输出端的电压电流实时采样并完成A/D转换；所述控制芯片B(20)用于驱动波形发生器、管道保护状态监控、数据通讯、故障状态采集；其工作过程是：通过外部采样得到4个参比电压信号和恒电位仪输出的电压与电流信号，经过信号预处理单元(14)，由外部采样芯片B(21)传入控制芯片B(20)，控制芯片B(20)对参比信号与输出电压电流信号完成A/D转换，同时控制芯片B(20)产生PWM信号再由驱动电路(12)，产生PWM驱动波形，控制全桥逆变器(3)中IGBT的导通与关断，通过调整IGBT的占空比，调整恒电位仪的输出电压或电流的大小，完成对埋地钢制管道的保护；
触摸屏(18)通过RS485模块(19)与控制芯片B(20)通信，用于显示当前恒电位仪输出的电压与电流信号，并可以通过触摸屏(18)调整恒电位仪的输出电压或电流值。
2.根据权利要求1所述的一种埋地管道用多参比电极恒电位仪，其特征在于，所述的全桥逆变器(3)采用四个IGBT，即开关管Q1、Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变拓扑；其控制方式如下：全桥逆变器(3)通过控制开关管Q1、Q2、Q3、Q4导通关断产生成交流：在一个开关周期内Q1、Q3先同时导通，此时Q2、Q4关断；同时当Q1、Q3关断时，Q2、Q4导通；通过控制一个周期内管子导通的时间也就是占空比，来控制输出的电压或者电流的幅值大小。
3.一种权利要求1或2所述的埋地管道用多参比电极恒电位仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，对4个参比电极所处位置土壤电位进行采样，采样得到4个参比电压Uref1、Uref2、Uref3、Uref4，其中Uref2、Uref4这两个电压信号直接由恒电位仪外部采样芯片B(21)传给控制芯片B(20)，Uref1、Uref3这两个电压信号通过外部采样芯片A(17)传送至控制芯片A(16)，完成A/D转换，再由GPRS模块(15)传送至上位机(10)，再由上位机(10)经RS485模块(19)传至控制芯片B(20)，完成对4个参比电极电位的采样；
第二步，在控制芯片B(20)中对Uref2与Uref4，Uref1与Uref3两组电位值，分别取平均值，分别得到电位
与
第三步，将第二步的计算结果代入式
计算得到此时的土壤状态特征值a；其中x＝1000m；
第四步，将第二步的计算结果与第三步的计算结果分别代入下述公式：
代入公式
其中L为管道总长度的二分之一，得到此时管道末端保护电位
代入公式
得到此时管道单侧最长保护距离Lmax，
为管道允许的最小保护电位-0.85V；
第五步，通过比较管道末端保护电位
与管道允许最小保护电位-0.85V之间的大小，判断管道当前的保护状态；
若此时管道末端保护电位
的计算值小于等于-0.85V，则管道受保护状态良好，不对恒电位仪输出电压电流做调整；
若此时管道末端保护电位
的计算值大于-0.85V，管道末端处于欠保护状态，控制器将向上位机(10)报警，并通过式子
计算此时管道中心应保持的电位，调节恒电位仪输出电压或者电流使得此时管道中心电位
使得管道重新回到受保护状态，完成闭环操作；
若此时管道单侧最长保护距离Lmax大于等于管道长度的二分之一即L，则此时均处于受保护状态；
若此时单侧受最大保护长度的计算值Lmax小于管道长度的二分之一，则此时管道受保护长度L*＝Lmax，其中L*为当前管道受保护长度。
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