CN114875417B - 消除pcm电流对cips电位检测干扰处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统及方法，包括GNSS卫星、CIPS密间隔电位检测设备、管道真实保护电位测量装置、PCM信号发射机；PCM信号发射机给管道施加定位和防腐层检测的电流信号；CIPS密间隔电位检测设备安装设置卫星同步断流器；管道真实保护电位测量装置执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；管道真实保护电位测量装置还在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量，实现了保护电位的精确测量。
Description
技术领域
本发明属于埋地钢质管道腐蚀检测领域，尤其涉及一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统及方法。
背景技术
埋地钢质管道的腐蚀检测属于近年来日益普及的检测技术领域。在腐蚀检测过程中，其常规的项目包括：管道路由探测、管道埋设深度测量、外防腐层缺陷检测，以及外加电流阴极保护系统的密间隔电位测量等。
其中，路由探测、埋深测量以及外防腐层缺陷检测，需要在管道的测试桩处给管道施加一个超低频率、大强度的PCM检测信号电流。该检测电流的大小可达数个安培，与管道上的阴极保护电流叠加。交流的PCM电流对管道保护效果的影响可以忽略不计，但当其相位不受控制时，则会对管道的保护电位测量形成不可控制的周期性干扰。常规条件下必须在关断PCM电流后测量管道的真实保护电位。这一技术局限使得埋地管道腐蚀检测项目不能同时实施，大大降低了检测工程的实施效率，增加了工程成本。
此外，当对有多台阴极保护电流源的管线实施密间隔电位测量（CIPS）时，需要施加多台卫星同步断流器对所有阴极保护电流源实施调制，在阴保断电位采集时断开管道上所有给管道施加电流的各种电流源，还要在管道的通/断保护电位的采集时刻与电流源的通断操作严格同步。然而这些电流源可能分布在管道沿线的多个位置，相距可能上百公里，实现这些电流源通断的精确同步，要求制定规范合理的同步模式，以及方便获取、同时又要足够精确的同步信号源。因此说对于现有技术而言，实现消除PCM电流对保护电位干扰仍然是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本申请提供了一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统及方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本申请实施例提供了一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，包括GNSS卫星、CIPS密间隔电位检测设备、管道真实保护电位测量装置、PCM信号发射机；
其中，所述管道真实保护电位测量装置包括微处理器、卫星模块、程序数据存储器、AD信号转换模块、电位信号调理模块；
其中，PCM信号发射机用于给管道施加定位和防腐层检测的电流信号；所述GNSS卫星用于秒脉冲同步信号；在管道上不同位置点的电流源处安装带有卫星同步断流器的所述CIPS密间隔电位检测设备；
其中，所述CIPS密间隔电位检测设备安装设置卫星同步断流器；所述卫星同步断流器具有单独的卫星天线；所述卫星同步断流器预设间隔通断时间周期，即在第一时间周期内接通，随后进入第二时间周期断开（如4秒通1秒断）往复循环执行；所述CIPS密间隔电位检测设备的控制器用于对接收同一个GNSS卫星发送的GNSS时间信号并进行识别，基于秒脉冲信号立即启动所述卫星同步断流器按照所述预设间隔通断时间周期通过内部的固态继电器来通断管道上所有给管道施加电流的各种电流源；（需要说明的是，安装了卫星同步模块的CIPS设备，能够在不同时刻、距离几十公里的不同位置接收并识别同一个同步脉冲信号，从而精密地确定通/断的时序）；
所述管道真实保护电位测量装置与所述CIPS密间隔电位检测设备建立通信连接；所述管道真实保护电位测量装置识别所述CIPS密间隔电位检测设备上的卫星同步断流器发送的接通的时序时刻，断开的时序时刻；
所述管道真实保护电位测量装置用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；
所述管道真实保护电位测量装置还用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量。
优选的，作为一种可实施方案：所述管道真实保护电位测量装置中的微处理器为PIC24FJ256G型微处理器。
优选的，作为一种可实施方案：所述管道真实保护电位测量装置中的程序数据存储器的容量为64K以上。
优选的，作为一种可实施方案：所述PCM信号发射机用于给管道施加的电流信号的信号频率为4Hz及128Hz。
优选的，作为一种可实施方案：所述预设间隔通断时间周期，即在4秒内接通，随后进入1秒断开。
所述管道真实保护电位测量装置用于在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量时，同时在接到断开的时序时刻的秒脉冲后，以按照预设固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值, 计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值；
所述管道真实保护电位测量装置还用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行“断”电位测量：具体包括：
根据通电位的采样数据，应用如下公式（1）计算出PCM正弦波电流与通电位采集起始时刻之间的初相：
其中：F为PCM低频电流的频率，等于4，单位为赫兹；
t1为通电时间内的第一个采样点的采样时间，单位为秒；
t2为通电时间内的第二个采样点的采样时间，单位为秒；
C1为t1与t2时刻采样得到的通电电位的比值；
在接收到卫星同步断流器发送的断开PCM正弦波电流的秒脉冲信号后，在PCM电流的正弦波相位为零的时刻下应用如下公式（2）确定该PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ，并同时确定τ时刻为第二预设间隔时间时刻；并在检测系统发送的断开的时序时刻之后的第τ时刻，采集多个采集数据点的断电位；
当0.8π＜＜1.6π时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；
当<= 0.8π时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；
当＞＝1.6π时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位。
收集对多个采集数据点的断电位计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的“断”电位值。
相应地，本发明提供了一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法，所述方法包括：
步骤S10：卫星同步断流器预设间隔通断时间周期，即在第一时间周期内接通，随后进入第二时间周期断开往复循环执行；
步骤S20：CIPS密间隔电位检测设备的控制器对接收同一个GNSS卫星发送的GNSS时间信号并进行识别，基于秒脉冲信号立即启动卫星同步断流器按照所述预设间隔通断时间周期通过内部的固态继电器来通断管道上所有给管道施加电流的各种电流源；
步骤S30：管道真实保护电位测量装置识别CIPS密间隔电位检测设备上的卫星同步断流器发送的接通的时序时刻，断开的时序时刻；
管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；
管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量。
优选的，作为一种可实施方案：在执行步骤S30过程中，所述管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量，具体包括如下操作步骤：
步骤S310：在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量时，同时在接到断开的时序时刻的秒脉冲后，以按照预设固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值, 计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值。
优选的，作为一种可实施方案：在执行步骤S30过程中，所述管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量，具体包括如下操作步骤：
步骤S320：根据通电位的采样数据，应用如下公式（1）计算出PCM正弦波电流与通电位采集起始时刻之间的初相：
其中：F为PCM低频电流的频率，等于4，单位为赫兹；
t1为通电时间内的第一个采样点的采样时间，单位为秒；
t2为通电时间内的第二个采样点的采样时间，单位为秒；
C1为t1与t2时刻采样得到的通电电位的比值；
步骤S330：在接收到卫星同步断流器发送的断开上述阴保电流的秒脉冲信号后，在PCM电流的正弦波相位为零的时刻下应用如下公式（2）确定该PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ，并同时确定τ时刻为第二预设间隔时间时刻；并在检测系统发送的断开的时序时刻之后的第τ时刻，采集多个采集数据点的断电位；
当0.8π＜＜1.6π时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；
当<= 0.8π时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；
当＞＝1.6π时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位。
步骤S340：收集对多个采集数据点的断电位计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的“断”电位值。
本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本申请实施例的一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统及方法，采用了如下操作信息处理方式：安装了卫星同步模块的CIPS设备，能够在不同时刻、距离几十公里的不同位置接收并识别同一个同步脉冲信号，从而精密地确定通/断的时序。卫星同步断流器按照设定好的通断模式（如4秒通1秒断），在接收到GNSS卫星的秒脉冲同步信号后通过内部的固态继电器来通断阴保电流。接收GNSS卫星的星历和同步脉冲是一项成熟的技术。应用GNSS卫星的星历和秒脉冲同步信号，实现本发明中涉及的卫星同步断流器，实施管道保护电位检测装置之间的严格同步，在特定的时刻采集“通/断”电位。
本发明所涉及的埋地钢质管道外防腐层检测的PCM方法，给待测量埋地钢质管道施加的PCM检测信号电流，典型的频率是4Hz、128Hz或640Hz。应用本发明的消除PCM电流对保护电位干扰的技术方法，能够在埋地钢质管道腐蚀检测过程中，检测人员在实施管道路由定位的同时，实施外防腐层缺陷检测，以及管道保护电位的密间隔测量。该测量方法具有操作简便，检测效率高，结果精度够用，实用性强等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请实施例的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统的原理示意图；
图2是本发明实施例提供的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法中的管道真实保护电位测量装置结构图；
图3是本发明实施例提供的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法中的测量过程示意图；
图4是本发明实施例提供的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法中的管道阴极保护通/断电位测量时刻控制示意图；
图5是本发明实施例提供的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法的流程示意图。
标号：100-GNSS卫星；200-CIPS密间隔电位检测设备；300-管道真实保护电位测量装置；310-微处理器；320-卫星模块；330-程序数据存储器；340-AD信号转换模块；350-电位信号调理模块；400-PCM信号发射机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，某些指示的方位或位置关系的词语，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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例一
参见图1，本申请实施例一提供了一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，包括GNSS卫星100、CIPS密间隔电位检测设备200、管道真实保护电位测量装置300、PCM信号发射机400；
其中，所述管道真实保护电位测量装置300包括微处理器310、卫星模块320、程序数据存储器330、AD信号转换模块340、电位信号调理模块350，详见图2；
其中，PCM信号发射机400用于给管道施加定位和防腐层检测的电流信号；所述GNSS卫星100用于秒脉冲同步信号；在管道上不同位置点的电流源处安装带有卫星同步断流器的所述CIPS密间隔电位检测设备200；
其中，所述CIPS密间隔电位检测设备200安装设置卫星同步断流器；所述卫星同步断流器具有单独的卫星天线；所述卫星同步断流器预设间隔通断时间周期，即在第一时间周期内接通，随后进入第二时间周期断开（如4秒通1秒断）往复循环执行；所述CIPS密间隔电位检测设备的控制器用于对接收同一个GNSS卫星100发送的GNSS时间信号并进行识别，基于秒脉冲信号立即启动所述卫星同步断流器按照所述预设间隔通断时间周期通过内部的固态继电器来通断管道上所有给管道施加电流的各种电流源；（需要说明的是，安装了卫星同步模块的CIPS设备，能够在不同时刻、距离几十公里的不同位置接收并识别同一个同步脉冲信号，从而精密地确定通/断的时序）；
所述管道真实保护电位测量装置300与所述CIPS密间隔电位检测设备200建立通信连接；所述管道真实保护电位测量装置300识别所述CIPS密间隔电位检测设备200上的卫星同步断流器发送的接通的时序时刻，断开的时序时刻；
所述管道真实保护电位测量装置300用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；
所述管道真实保护电位测量装置300还用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量。
需要说明的是，当对有多台阴极保护电流源的管线实施密间隔电位测量（CIPS）时，需要施加多台卫星同步断流器对所有阴极保护电流源实施调制，在阴保断电位采集时断开管道上所有给管道施加电流的各种电流源，还要在管道的通/断保护电位的采集时刻与电流源的通断操作严格同步；在上述技术方案中，其实现管道上阴极保护电流的通断是由串接到外加电流阴极保护电流源的回路中的卫星同步断流器来完成的。卫星同步断流器按照设定好的通断模式（如4秒通1秒断），在接收到GNSS卫星的秒脉冲同步信号后通过内部的固态继电器来通断阴保电流。
在本申请的技术方案中，上述CIPS密间隔电位检测设备的控制器用于对特定的GNSS时间信号进行识别，基于秒脉冲信号实现数据采集过程的精确同步。
优选的，作为一种可实施方案：所述管道真实保护电位测量装置300中的微处理器为PIC24FJ256G型微处理器。所述管道真实保护电位测量装置300中的程序数据存储器的容量为64K以上。所述PCM信号发射机400用于给管道施加的电流信号的信号频率为4Hz及128Hz。
需要说明的是，关于管道真实保护电位测量装置的技术方案，该管道真实保护电位测量装置300包括微处理器、卫星模块、程序数据存储器、AD信号转换模块、电位信号调理模块；其中，PIC24FJ256G型微处理器具有以下资源：A：时钟频率为100MHz。B：具有2个带有SPI功能的串口，普通串口3个。C：数据存储器扩展64K（16位），程序/数据存储器64K以上。D：外接彩色显示液晶显示屏，分辨率为1024X768，由SPI端口连接。
另外，上述ADC 模块ADS 8343EB的主要参数是：采样分辨率16 bit、2/4 采样通道、串行数据接口、采样比：100 kS/s；输入类型：Differential/Single-Ended、工作电源电压2.7V～5.25V。
在本申请提供的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其主要由GNSS卫星100、CIPS密间隔电位检测设备200、管道真实保护电位测量装置300、PCM信号发射机400等构成；
其中，PCM信号发射机400具有1台，给管道施加定位和防腐层检测的电流信号，施加的信号频率为4Hz及128Hz；
其中，管道阴保电流用的卫星同步断流器，根据待测管段的阴保电流源分布情况，卫星同步断流器可以设置1～2台，设置的阴保电流通断模式为：模式为4秒通1秒断。
其中，GNSS卫星100其以GNSS卫星广播的星历中0，5，10…的5秒整数倍时刻关断保护电流；1秒后接通电流。
其中，管道真实保护电位测量装置300由检测人员携带，在管道路由的正上方实施检测。电位测量装置一个连线通过尾线在检测管段附近的测试桩处连接管道；另一个测量连线连接到饱和硫酸铜参比电极，测量装置中的信号调理和AD转换模块，实施保护电位的测量。GNSS卫星接收天线在尾线的背架上。
详见图3，检测过程是，检测人员携带管道真实保护电位测量装置300在待测管道上放地面实施检测，应用定位和防腐层检测的PCM接收机在前，CIPS检测人员在后完成检测任务。由电位采集装置在不关闭管道阴保电流的条件下。测量钢质管道的保护电位，分别测量埋地钢质管道的通电位和断电位，完成测量结果的计算、显示及数据存储。
一、关于时序设计以及计算。用于管道防腐层及管道路由定位的检测信号频率采用4+128Hz。
计算时序：探测信号频率ƒ = 4Hz，一个完整信号周期是 2π= 250ms。采用半波周期π = 125ms。继电器触发响应时间0.1µs、断开相应时间0.9µs。控制时序去除固态继电器的响应时间；定位信号频率ƒ = 128Hz，正弦波周期是 = 7812.5µs，32个周期为4Hz信号的周期。控制时序去除固态继电器的响应时间。选择继电器接通保护电流后3秒开始测量保护通电位，测量时段持续250ms，采样频率为2048Hz，即对每个128Hz 信号周期采集16个数据点，每个4Hz信号周期采集512个数据点。在继电器断开保护电流200ms后开始测量断电位，应用与通电位相同的采样频率。通断电位分别采集4个数据点，采集时间持续约为2ms。
具体时序是，将ADS 8343EB的采样频率设置为，致使每个PCM电流的周期内采样100个数据。由PIC24FJ256G对每个周期的数据计算算数平均值。
二、关于测量结果的计算：
在完成数据采集后，由PIC24FJ256G分别处理通断电位的数据。将512组数据计算出的算数均值，作为管道保护的通电位；
应用公式（2）计算PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ，在检测系统的阴保断流器切断保护电流后的τ时刻，采集断电位。对4个采集数据点计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的“断”电位。
本发明涉及埋地钢质管道保护电位的密间隔测量过程，应用与密间隔电位检测相同的硬件装置，通过全新的测量方法来识别采集的电位信号中PCM电流的相位，精密控制断电位采集时刻，从而消除了PCM电流对保护电位测量的干扰。达到在不关断管道上PCM电流的前提下，消除用于PCM检测的电流对保护电位测量干扰的目的。本发明属于埋地钢质管道腐蚀检测的应用技术领域，是集埋地钢质管道检测的卫星同步控制、交流信号相位识别、真实阴极保护电位采集方法、检测数据处理等技术为一体。
优选的，作为一种可实施方案：所述预设间隔通断时间周期，即在4秒内接通，随后进入1秒断开。
需要说明的是，在本申请技术方案中，在执行通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间（即优选1s）时刻进行通电位测量；由于本申请采用的通断模式是4秒通1秒断开，因此也就是通电后的第3秒，就是的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间（即前1s）开始动作；即从图4可以看出，埋地钢质管道的保护“通”电位测量，设置在保护电流关断前1秒（通断模式为4秒通，则接通电流后3秒）开始。
在执行断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间（50～200ms，具体例如为200ms）时刻进行断电位测量（即从图4可以看出，埋地钢质管道的保护“断”通电位测量，设置在保护电流断开后200ms开始，以避开阴保电流断开时刻的阳极峰）。
优选的，作为一种可实施方案：所述管道真实保护电位测量装置300用于在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量时，同时在接到断开的时序时刻的秒脉冲后，以按照预设固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值, 计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值；
所述管道真实保护电位测量装置300还用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行“断”电位测量：具体包括：
根据通电位的采样数据，应用如下公式（1）计算出PCM正弦波电流与通电位采集起始时刻之间的初相：
其中：F为PCM低频电流的频率，等于4，单位为赫兹；
t1为通电时间内的第一个采样点的采样时间，单位为秒；
t2为通电时间内的第二个采样点的采样时间，单位为秒；
C1为t1与t2时刻采样得到的通电电位的比值；
在接收到卫星同步断流器发送的断开PCM正弦波电流的秒脉冲信号后，在PCM电流的正弦波相位为零的时刻下应用如下公式（2）确定该PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ，并同时确定τ时刻为第二预设间隔时间时刻；并在检测系统发送的断开的时序时刻之后的第τ时刻，采集多个采集数据点的断电位；即断开时序时刻之后，然后延后到第τ时刻才开始进行采集（然而此时的第τ时刻的计算公式，详见下述公式（2））；
当0.8π＜＜1.6π时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；
当<= 0.8π时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；
当＞＝1.6π时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位。
收集对多个采集数据点的断电位计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的“断”电位值。
在本申请的技术方案中，该GNSS卫星的秒脉冲信号和广播的星历报文，其便捷的获取方式为实现CIPS检测设备的精准同步提供了可能性。上述处理系统安装了卫星同步模块的CIPS设备，能够在不同时刻、距离几十公里的不同位置接收并识别同一个同步脉冲信号，从而精密地确定通/断的时序。常规的CIPS设备是每5秒钟进行一次重新同步的操作，不断地校正时间次序和消除不同设备上的时间漂移。更重要的是，数据记录仪上的GNSS设备还能够记录下采样时刻和测量点的位置坐标，以便于以后的检测结果的分析。
实现管道上阴极保护电流的通断是由串接到外加电流阴极保护电流源的回路中的卫星同步断流器来完成的。卫星同步断流器按照设定好的通断模式（如4秒通1秒断），在接收到GNSS卫星的秒脉冲同步信号后通过内部的固态继电器来通断阴保电流。接收GNSS卫星的星历和同步脉冲是一项成熟的技术。应用GNSS卫星的星历和秒脉冲同步信号，实现本发明中涉及的卫星同步断流器，实施管道保护电位检测装置之间的严格同步，在特定的时刻采集“通/断”电位。
在本申请技术方案中，阴极保护的CIPS测量的实现机制是：为了消除电位测量过程中IR降，需要中断管道上所有的阴极保护电流源。阴保电流在断开的瞬间，会在管道上产生一个断电尖峰（又称为阳极峰），它的产生通常认为是由于管道自身电抗作用的结果。在某些情况下阳极峰的幅度可能高达200mV；若从阴保电流断开的时刻测量管道上的OFF电位，不能正确得到管道的真实保护电位。阳极峰到最准确OFF电位点处所持续的时间一般为10～100ms的范围，确切的持续时间取决于管道的具体电气特征。管道上的电位波形变化见图4。
CIPS的阴保电位测量以CP接通的时刻为基准。测量“通”（ON）电位要在CP断开之前的某一时刻进行；而测量“断”（OFF）电位则要在CP断开之后的某一时刻，也就是要避开阳极峰的持续时间，一般在电流断开后200ms进行。当前主流的CIPS电位检测设备都可根据管道的具体情况设置这些参数。
实施例二
相应地，如图5所示，本发明实施例二提供了一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法，所述方法包括：
步骤S10：卫星同步断流器预设间隔通断时间周期，即在第一时间周期内接通，随后进入第二时间周期断开往复循环执行；
步骤S20：CIPS密间隔电位检测设备的控制器对接收同一个GNSS卫星发送的GNSS时间信号并进行识别，基于秒脉冲信号立即启动卫星同步断流器按照所述预设间隔通断时间周期通过内部的固态继电器来通断管道上所有给管道施加电流的各种电流源；
步骤S30：管道真实保护电位测量装置识别CIPS密间隔电位检测设备上的卫星同步断流器发送的接通的时序时刻，断开的时序时刻；
管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；
管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量。
优选的，作为一种可实施方案：在执行步骤S30过程中，所述管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量，具体包括如下操作步骤：
步骤S310：在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量时，同时在接到断开的时序时刻的秒脉冲后，以按照预设固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值, 计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值。
优选的，作为一种可实施方案：在执行步骤S30过程中，所述管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量，具体包括如下操作步骤：
步骤S320：根据通电位的采样数据，应用如下公式（1）计算出PCM正弦波电流与通电位采集起始时刻之间的初相：
其中：F为PCM低频电流的频率，等于4，单位为赫兹；
t1为通电时间内的第一个采样点的采样时间，单位为秒；
t2为通电时间内的第二个采样点的采样时间，单位为秒；
C1为t1与t2时刻采样得到的通电电位的比值；
步骤S330：在接收到卫星同步断流器发送的断开PCM正弦波电流的秒脉冲信号后，在PCM电流的正弦波相位为零的时刻下应用如下公式（2）确定该PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ，并同时确定τ时刻为第二预设间隔时间时刻；并在检测系统发送的断开的时序时刻之后的第τ时刻，采集多个采集数据点的断电位；
当0.8π＜＜1.6π时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；
当<= 0.8π时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；
当＞＝1.6π时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位。
步骤S340：收集对多个采集数据点的断电位计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的“断”电位值。
本发明实施例采用的技术方案应用与密间隔电位检测相同的硬件装置，通过全新的测量方法来识别采集的电位信号中PCM电流的相位，精密控制断电位采集时刻，从而消除了PCM电流对保护电位测量的干扰。应用GNSS卫星的星历和秒脉冲同步信号，通过控制多台卫星同步检测信号发射机的信号同步输出，以及对卫星同步断流器的同步控制阴极保护电流的通断，在不关断管道上PCM电流信号的前提下，通过保护电位采集时刻的精确控制，达到精确测定管道上阴极保护断电位（真实保护电位）的目的。
综上所述，本发明实施例提供的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法，其具体实施方案如下：
一、应用GNSS卫星同步控制操作：应用卫星同步断流器，对管道阴保电流源实施同步中断，五种中断模式，典型模式为4秒通，1秒断。埋地钢质管道保护电位测量仪器在管道的正上方，一条尾线通过测试桩与管道连接，另一端连接一根探杖接触地面。如图4所示，全部检测设备基于GNSS卫星的星历和秒脉冲信号，实现严格同步，同步精度为10-6s。测量“通”（ON）电位要在CP断开之前的某一时刻进行；而测量“断”（OFF）电位则要在CP断开之后的某一时刻，也就是要避开阳极峰的持续时间，一般在电流断开后200ms进行。
二、带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量方法
从图4可以看出，埋地钢质管道的保护“通”电位测量，设置在保护电流关断前1秒（通断模式为4秒通，则接通电流后3秒）开始。对于带PCM电流的管道，测得电位则为保护电流与PCM电流叠加的电位值。由于PCM电流是4Hz，叠加了128Hz或640Hz的交流信号，在接到秒脉冲后，以固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值, 计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值。
三、带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量方法
从图4可以看出，埋地钢质管道的保护“断”通电位测量，设置在保护电流断开后200毫秒开始，以避开阴保电流断开时刻的阳极峰。此外，要在PCM电流的正弦波相位为零的时刻测量阴保电位，则可消除PCM电流对断电位测量结果的影响。具体方法是：
1）应用通电位的采样数据，应用公式：
计算出PCM正弦波电流与通电位采集起始时刻之间的初相。
2）在接收到关断阴保电流的秒脉冲信号后，延迟τ后采集阴保的断电位。也就是在PCM正弦波的0，π或2π的时间点上，以避开PCM电流对电位值的干扰。
关于本发明实施例中的电位采集的计算原理及计算依据：
1、定义
N: 阴保电流在一个完整的通断周期中，通电时长为N秒；
F：为干扰信号的频率；
k：干扰信号函数解析式中的倍率；
：干扰信号函数的相位；
t：为时间，单位为秒,以断流器的每个通断周期中的起始通电时刻为零时刻；
：为使用CIPS仪器所检测出的管地电位；
P：为干扰信号在通电时长中，完整的周期的个数；
N：为传感器的采样频率；
: 为没有干扰信号时，阴保通电时候管道的管地电位；
2、解算步骤
1）输入干扰信号的频率F，则在N秒通的时间段内，干扰信号完整的周期个数为：
2）管道的通电电位
3）干扰信号的函数建立
已知此信号为正弦信号，则可以设此信号的函数为：
4）在通电阶段，通过采集两个电位数据来求取干扰信号函数的解析式，假设通过采样，建立方程：
由此方程组可以解算出:
令：
特别的
3、采集阴极保护断电位的时刻：
正确采集阴极保护断电位的时刻，应该在关断保护电流的50～200ms的时间内，过早不能避开阳极峰，过晚则保护电位的去极化过程可能影响电位的真实值。也就是说，消除PCM电流的影响是在这个时间段内，且PCM正弦波的0，π或2π的相位上。故有：1000ms/4/2 =125ms, 0.8*125= 100ms；
当0.8π＜＜1.6π时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；
当<= 0.8π时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；
当＞＝1.6π时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位。
即：
/>
本发明的优点和积极效果：本发明应用于埋地钢质管道腐蚀检测工程中管道保护电位的测量。应用与密间隔电位检测相同的硬件装置，通过全新的测量方法来识别采集的电位信号中PCM电流的相位，精密控制断电位采集时刻，从而消除了PCM电流对保护电位测量的干扰，保证了检测结果的正确性，实现了在不关断管道上PCM信号电流的前提下，实施外加电流阴极保护系统的密间隔通/断电位检测功能。其优点包括：
本发明采用不关断管道上PCM电流条件下，在管道定位过程中测量管道阴极保护的通/断电位，大大提升了埋地钢质管道腐蚀检测的实施便捷性，提高测量精度，对操作要求低，适用性广。
本发明基于现有的CIPS硬件检测装置，通过全新的测量方法来识别采集的电位信号中PCM电流的相位，使用GNSS卫星的广播信号精密控制断电位采集时刻，实现保护电位的精确测量。基于本发明的CIPS检测装置无需增加额外设备，检测设备构造简单，可在全球范围内全天候、全天时、高可靠性、高安全地实施埋地钢质管道的阴极保护有效性的检测评价。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其特征在于，包括GNSS卫星、CIPS密间隔电位检测设备、管道真实保护电位测量装置、PCM信号发射机；
其中，所述管道真实保护电位测量装置包括微处理器、卫星模块、程序数据存储器、AD信号转换模块、电位信号调理模块；
其中，PCM信号发射机用于给管道施加定位和防腐层检测的电流信号；所述GNSS卫星用于秒脉冲同步信号；在管道上不同位置点的电流源处安装带有卫星同步断流器的所述CIPS密间隔电位检测设备；
其中，所述CIPS密间隔电位检测设备安装设置卫星同步断流器；所述卫星同步断流器具有单独的卫星天线；所述卫星同步断流器预设间隔通断时间周期，即在第一时间周期内接通，随后进入第二时间周期断开往复循环执行；所述CIPS密间隔电位检测设备的控制器用于对接收同一个GNSS卫星发送的GNSS时间信号并进行识别，基于秒脉冲信号立即启动所述卫星同步断流器按照所述预设间隔通断时间周期通过内部的固态继电器来通断管道上所有给管道施加电流的各种电流源；
所述管道真实保护电位测量装置与所述CIPS密间隔电位检测设备建立通信连接；所述管道真实保护电位测量装置识别所述CIPS密间隔电位检测设备上的卫星同步断流器发送的接通的时序时刻，断开的时序时刻；
所述管道真实保护电位测量装置用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；
所述管道真实保护电位测量装置还用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量；
所述管道真实保护电位测量装置用于在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量时，同时在接到断开的时序时刻的秒脉冲后，以按照预设固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值,计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值；
所述管道真实保护电位测量装置还用于在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行“断”电位测量：具体包括：
根据通电位的采样数据，应用如下公式(1)计算出PCM正弦波电流在通电位采集起始时刻的初相
其中：F为PCM低频电流的频率，等于4，单位为赫兹；
t1为通电时间内的第一个采样点的采样时间，单位为秒；
t2为通电时间内的第二个采样点的采样时间，单位为秒；
C1为t1与t2时刻采样得到的通电电位的比值；
在接收到卫星同步断流器发送的断开所述PCM正弦波电流的秒脉冲信号后，在PCM电流的正弦波相位为零的时刻下应用如下公式(2)确定PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ,并同时确定τ时刻为第二预设间隔时间时刻；并在检测系统发送的断开的时序时刻之后的第τ时刻，采集多个采集数据点的断电位；
当时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；
当时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；
当时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位；
收集对多个采集数据点的断电位计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的断的电位值。
2.根据权利要求1所述的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其特征在于，所述管道真实保护电位测量装置中的微处理器为PIC24FJ256G型微处理器。
3.根据权利要求1所述的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其特征在于，所述管道真实保护电位测量装置中的程序数据存储器的容量为64K以上。
4.根据权利要求1所述的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其特征在于，所述PCM信号发射机用于给管道施加的电流信号的信号频率为4Hz及128Hz。
5.根据权利要求1所述的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其特征在于，所述预设间隔通断时间周期，即在4秒内接通，随后进入1秒断开。
6.根据权利要求1所述的消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理系统，其特征在于，所述第一预设间隔时间为1s；所述第二预设间隔时间为50～200ms。
7.一种消除PCM电流对CIPS电位检测干扰处理方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S10：卫星同步断流器预设间隔通断时间周期，即在第一时间周期内接通，随后进入第二时间周期断开往复循环执行；
步骤S20：CIPS密间隔电位检测设备的控制器对接收同一个GNSS卫星发送的GNSS时间信号并进行识别，基于秒脉冲信号立即启动卫星同步断流器按照所述预设间隔通断时间周期通过内部的固态继电器来通断管道上所有给管道施加电流的各种电流源；
步骤S30：管道真实保护电位测量装置识别CIPS密间隔电位检测设备上的卫星同步断流器发送的接通的时序时刻，断开的时序时刻；
管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量；
管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量；
在执行步骤S30过程中，所述管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的通电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量，具体包括如下操作步骤：
步骤S310：在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之前的第一预设间隔时间时刻进行通电位测量时，同时在接到断开的时序时刻的秒脉冲后，以按照预设固定的AD采样频率持续采集一个长周期的电位数值,计算所有采集值的算数平均值，即可得到消除了PCM电流干扰的管道阴极保护的“通”电位值；
在执行步骤S30过程中，所述管道真实保护电位测量装置在执行带PCM电流的埋地钢质管道的断电位测量时，在卫星同步断流器发送的断开的时序时刻之后的第二预设间隔时间时刻进行断电位测量，具体包括如下操作步骤：
步骤S320：根据通电位的采样数据，应用如下公式(1)计算出PCM正弦波电流与通电位采集起始时刻之间的初相
其中：F为PCM低频电流的频率，等于4，单位为赫兹；
t1为通电时间内的第一个采样点的采样时间，单位为秒；
t2为通电时间内的第二个采样点的采样时间，单位为秒；
C1为t1与t2时刻采样得到的通电电位的比值；
步骤S330：在接收到卫星同步断流器发送的断开所述PCM正弦波电流的秒脉冲信号后，在PCM电流的正弦波相位为零的时刻下应用如下公式(2)确定PCM电流信号与保护电流断的时刻值τ,并同时确定τ时刻为第二预设间隔时间时刻；并在检测系统发送的断开的时序时刻之后的第τ时刻，采集多个采集数据点的断电位；
当时，/>在关断保护电流后100ms～200ms时刻，延迟/>后采集电位；当时，/>在关断保护电流后100ms以内，则延迟/>后采集电位；当/>时，/>在关断保护电流后200ms以后，则延迟/>后采集电位；
步骤S340：收集对多个采集数据点的断电位计算平均值，作为阴极保护系统当前采集点处的断的电位值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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