CN115449803A - 一种地下管道通断电位双通道同步测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种地下管道通断电位双通道同步测量系统。所述系统包括控制器以及与控制器相连的数据采集模块、时钟模块、数据处理模块和数据存储模块，数据采集模块包括第一测量通道和第二测量通道，第一测量通道和第二测量通道对应采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位；时钟模块为第一测量通道和第二测量通道提供同一时间基准；数据处理模块用于将第一测量通道和第二测量通道采集的模拟信号转换为数字信号；数据存储模块用于存储数据处理模块得到的数据。本发明通过在每个测量通道采用相同卫星授时时钟使各个通道采用相同的时间基准，并采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位，解决了单通道测量管道的通电电位与断电电位存在时间差的问题。

Description

一种地下管道通断电位双通道同步测量系统及方法
技术领域
本发明属于埋地管道防腐技术领域，具体涉及一种地下管道通断电位双通道同步测量系统及方法。
背景技术
为了评价油气管道阴极保护系统的有效性，通常采用中断器周期性地对阴极保护电源进行通断，以此实现在测试点位置利用数据记录设备采集管道的通电电位、断电电位数值，利用获取的通电电位、断电电位数值，可进行埋地油气管道的阴极保护有效性评价，以此掌握油气管道腐蚀风险情况，确保油气管道的运行安全。
现有管道通电电位和断电电位的采集采用单通道采集方式，且在数据采集过程中管道的通电电位和断电电位数据间存在数据采集时间差。以管道检测评价中常见的通电12秒断电3秒的数据记录周期为例，整个周期持续15秒，现有同步数据记录设备会在通电12秒持续时间内记录1个或多个管地电位，在数据记录周期到达断电3秒持续时间后，再记录1个或多个管地电位，所记录的通电电位、断电电位存在时间上的不一致。若管道处于强烈的直流杂散电流干扰环境，如地铁杂散电流干扰、高压直流接地极干扰，由于管道受干扰程度随时间变化呈现出明显差异，因此按照上述方法测得的管道的通电电位和断电电位，无法保证前后所记录的通电电位、断电电位在时间上的一致性，使得测得的断电电位与通电电位测得时刻对应的断电电位存在较大差异，导致无法准确分析电位变化规律特征，影响最终评价结果准确性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种地下管道通断电位双通道同步测量系统及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
第一方面，本发明提供了一种地下管道通断电位双通道同步测量系统，包括控制器以及分别与控制器相连的数据采集模块、时钟模块、数据处理模块和数据存储模块，所述数据采集模块包括第一测量通道和第二测量通道，所述第一测量通道和第二测量通道对应采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位；所述时钟模块采用卫星授时时钟并为第一测量通道和第二测量通道提供同一时间基准；所述数据处理模块用于将第一测量通道和第二测量通道采集的模拟信号转换为数字信号；所述数据存储模块用于存储数据处理模块得到的数据。
进一步地，所述第一测量通道包括电压表V0和参比电极，所述电压表V0串联在参比电极和管道之间；所述第二检测通道包括电压表V1、电子开关K2和试片，所述电压表V1串联在参比电极和试片之间，电压表V1与试片的连接端通过电子开关K2与管道连接，电子开关K2的控制端与控制器相连。
进一步地，所述数据采集模块还包括辅助电路，所述辅助电路包括等效电阻R和电子开关K3，所述等效电阻R和电子开关K3依次串联在参比电极和管道之间，且电压表V0和电压表V1的内阻等于等效电阻R，电子开关K3的控制端与控制器相连。
进一步地，所述数据采集模块还包括电流采样电路，所述电流采样电路包括电压表Va、电子开关K1和采样电阻r，所述采样电阻r串联在电压表V0和试片之间；所述电压表Va与电子开关K1串联后并接在采样电阻r两端，电子开关K1的控制端与控制器相连。
进一步地，管道通电电位和断电电位的同步测量方法包括：通过控制器使电子开关K2断开的同时让电子开关K3闭合，同时读取电压表V0和电压表V1的输出值，即可对应得到管道在同一时刻的通电电位和断电电位。
进一步地，试片电流的测量方法包括：通过控制器使电子开关K1和电子开关K2闭合，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到通电状态下的试片电流；
通过控制器使电子开关K2断开，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到断电状态下的试片电流。
进一步地，还包括电源模块和通讯模块，
所述电源模块分别与控制器和数据存储模块连接；
所述通讯模块分别与控制器和数据存储模块连接，并用于构建外部数据交换的通讯链路。
进一步地，所述第二测量通道、辅助电路和采样电路对应设有多组。
第二方面，本发明还提供了一种地下管道通断电位双通道同步测量方法，包括如下步骤：
S1、通过控制器使电子开关K2闭合的同时让电子开关K3断开，使试片极化后与管道具备相同的电气特性；
S2、通过控制器使电子开关K2断开的同时让电子开关K3闭合，同时读取电压表V0和电压表V1的输出值，即可对应得到管道在同一时刻的通电电位和断电电位。
进一步地，还包括如下步骤：
S3、通过控制器使电子开关K1和电子开关K2闭合，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到通电状态下的试片电流；
S4、通过控制器使电子开关K2断开，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到断电状态下的试片电流
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
本发明通过在数据采集模块中设置多个测量通道，所有测量通道的时钟模块采用相同的卫星授时时钟，利用双测量通道采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位，实现了管道电位的双通道同步测量。本发明通过在每个测量通道设置采用相同卫星授时时钟的时钟模块，使各个通道采用相同的时间基准，并采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位，解决了现有技术中采用单通道测量测得的管道的通电电位与断电电位存在时间差的问题。消除了管道处于强杂散电流干扰环境中时，采集到的通电电位和断电电位测量的时间差，保证了数据的准确性，达到了准确反应测试数据时刻的管道受干扰程度的目的。
附图说明
图1为本发明实施例一种地下管道通断电位双通道同步测量系统的方框图。
图2为数据采集模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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。
图1为本发明实施例一种地下管道通断电位双通道同步测量系统的方框图，包括控制器10以及分别与控制器10相连的数据采集模块20、时钟模块30、电源模块40、数据处理模块50、数据存储模块60和通讯模块70。
数据采集模块20包括第一测量通道和第二测量通道，第一测量通道和第二测量通道对应采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位。
时钟模块30采用卫星授时时钟并为第一测量通道和第二测量通道提供同一时间基准。
电源模块40与控制器10连接，用于提供电能。
数据处理模块50与控制器10连接，用于将第一测量通道和第二测量通道采集的模拟信号转换为数字信号。
数据存储模块60与控制器10连接，用于存储数据处理模块得到的数据。
通讯模块70与控制器10连接，用于构建外部数据交换的通讯链路。
本实施例所述系统由控制器10、数据采集模块20、时钟模块30、电源模块40、数据处理模块50、数据存储模块60和通讯模块70组成。各个模块的连接关系如图1所示，控制器10分别与数据采集模块20、时钟模块30、电源模块40、数据处理模块50、数据存储模块60和通讯模块70连接。下面对每个模块的功能原理分别进行介绍。
控制器10，当然，本领域技术人员可以理解，控制器10可以采用DSP(DigitalSignal Process ing)数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列、MCU(Mi20 crocontrol ler Uni t)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。控制器10是每个测量装置的控制与数据处理中心，通过输出各种控制信号至其它模块协调各个模块的工作，并完成一定的数据处理任务。比如，从时钟模块30读取时间信号，按照一定的时序输出控制信号至数据采集模块20，实时采集管道电位数据。
数据采集模块20，用于在控制器10作用下实时采集管道阴极保护电路参数。采集的数据包括管道的通电电位和断电电位等。数据采集模块20可以输出模拟信号，也可以输出数字信号，如果输出模拟信号，需经具有A/D芯片的数据处理模块50进行模数转换后送至与控制器10(或由控制器10内部的数据处理模块50进行模数转换)；如果输出数字信号可直接输入至控制器10。后面的实施例将给出数据采集模块20一种具体的技术方案。
时钟模块30，用于获得时间基准信号。为了使所有的测量装置实现同步数据采集，本实施例所有测量装置的时钟模块30采用相同的卫星授时时钟，也就是使所有数据采集模块20的每个测量通道基于相同的时间基准信号进行数据采集，比如所有测量通道都在21时10分20秒采集一次管道电位，相隔一段时间后所有测量通道再同时采集一次管道电位，即都是在同一时刻进行相同的数据采集。
电源模块40，用于为控制器10提供工作电压，其它模块可以通过控制器10间接供电，也可通过电源模块40直接供电。
数据存储模块60，用于实时存储数据采集模块20或数据处理模块50的数据，控制器10从数据存储模块60中读取存储的数据信号，并通过通信模块70上传到云端或者读取至其它移动终端。存储器可以选用的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。包括但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(D电压表VD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
通信模块70，用于将各个测量装置采集的数据上传到云端或者读取至其它移动终端。通信模块70一般通过互联网与云端进行数据通信，通过数据接口构建与移动终端的数据链路。由云端或移动终端基于各个测量装置上传的数据进行汇总、处理，从而得到管道阴极保护系统的各项性能指标。为了使各个通道的采集数据在时间上对准，除了要上传采集的管道参数数据，还要上传每个采集数据对应的采集时间。
本实施例通过在每个测量通道设置采用相同卫星授时时钟的时钟模块30，使各个通道采用相同的时间基准，并采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位，解决了现有技术中采用单通道测量测得的管道的通电电位与断电电位存在时间差的问题。消除了管道处于强杂散电流干扰环境中时，采集到的通电电位和断电电位测量的时间差，保证了数据的准确性，达到了准确反应测试数据时刻的管道受干扰程度的目的。
作为一可选实施例，数据采集模块20包括第一测量通道、第二测量通道、辅助电路和采样电路。第一测量通道包括电压表V0和参比电极，第二检测通道包括电压表V1、电子开关K2和试片，辅助电路包括等效电阻R和电子开关K3，流采样电路包括电压表Va、电子开关K1和采样电阻r。其组成的电路连方式如下：电压表V0串联在参比电极和管道之间；电压表V1串联在参比电极和试片之间，电压表V1与试片的连接端通过电子开关K2与管道连接；等效电阻R和电子开关K3依次串联在参比电极和管道之间，且电压表V0和电压表V1的内阻均等于等效电阻R；采样电阻r串联在电压表V0和试片之间；电压表Va与电子开关K1串联后并接在采样电阻r两端；电子开关K1、电子开关K2和电子开关K3的控制端均与控制器相连。
本实施例给出了数据采集模块2的一种技术方案。具体地，试片根据国标中规定的试片法检测建立的(即试片经过极化)，因此试片已与管道具有一致的电气特性。数据采集模块20主要由3个电压表、3个电子开关和2个电阻(等效电阻R、采样电阻r)组成，它们之间的连接关系如图2所示。3个电压表用于测量电压值，电压表V0连接在管道和参比电极之间，用于测量管道的通电电位。电压表V1用于测量管道的断电电位。电压表Va在电子开关K1接通时测量采样电阻r两端的电压。3个电子开关的控制端分别与控制器1相连，用于在控制器10作用下改变电路工作状态(通电、断电)和电路连接关系。电阻r是采样电阻，可通过测量采样电阻r两端电压得到试片电流。由于电压表在等效内阻不同时针对同一电压的测量结果不同，为了提高电压表V0的测量精度，本实施例设计了大小等于电压表V0、电压表V1内阻的等效电阻R，通过控制与其串联的电子开关K3的通断，使电压表V0在通电状态和断电状态下的等效内阻的阻值相同(均为R/2)。这里的电压表等效内阻是指电压表两端的等效电阻，由电压表本身内阻和与其连接的其它部件的电阻共同决定。
现有的单通道采集方法类似为本实施例中在参比电极与管道之间设置电压表V1和电子开关K2，电压表V1和电子开关K2串联，形成参比电极与管道之间的单测量通道，通过控制电子开关K2的通断对应得到管道的通电电位和断电电位。而本实施例中与现有技术不同的是提供了双通道的测量方式，即第一测量通道和第二测量通道，以此构成双通道测量的基础。利用第一测量通道测量管道的通电电位，利用第二测量通道测量管道的断电电位，当第一测量通道和第二测量通道同时投入使用时即可测量管道在同一时刻对应的通电电位和断电电位。
作为一可选实施例，管道通电电位的测量方法包括：控制器1输出控制信号使电子开关K2闭合，电子开关K1、电子开关K3断开，此时电压表V0与电压表V1并联，读取电压表V0或电压表V1的输出值得到管道通电电位。
本实施例给出了测量管道通电电位的一种技术方案。测量管道通电电位时，3个电子开关的状态是电子开关K2闭合，电子开关K3断开，如图2所示。此时电压表V0与电压表V1并联，电压表V0、电压表V1均测量管道通电电位。由于电子开关K3断开，等效电阻R没有接入电路，因此电压表V0的等效内阻等于电压表V0、电压表V1的内阻并联，即R/2。
作为一可选实施例，管道通电电位和断电电位的同步测量方法包括：控制器输出控制信号使电子开关K2断开，电子开关K3闭合，同时读取电压表V0、电压表V1的输出值对应得到管道通电电位和断电电位。
本实施例给出了同步测量管道通电电位和断电电位的一种技术方案。同步测量时3个电子开关的状态是电子开关K2断开，电子开关K3闭合。此时电压表V1测得的是试片断电电位，通过试片模拟管道断电状态，间接得到测量管道的断电电位；由于电压表V0仍然连接在管道和参比电极之间，因此电压表V0此时测得的仍然是管道通电电位，也就是实现了管道通电电位和断电电位的同步测量。由于电子开关K3闭合，等效电阻R与电压表V0并联，电压表V0的等效内阻等于电压表V0的内阻与等效电阻R并联，仍为R/2，如图2所示。
作为一可选实施例，试片电流的测量方法包括：通过控制器使电子开关K1和电子开关K2闭合，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到通电状态下的试片电流；通过控制器使电子开关K2断开，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到断电状态下的试片电流。
本实施例给出了测量试片电流的一种技术方案。如前述电压表Va是用来测量采样电阻r两端电压的，有了采样电阻r两端电压再除以采样电阻r就可以得到试片电流。因此，测量试片电流时与电压表Va串联的电子开关K1需接通。电子开关K1接通的同时使电子开关K2处于相应的通断状态，可分别得到通电和断电状态下的试片电流。
作为一可选实施例，所述时钟模块3包括GPS芯片和/或北斗芯片。
本实施例给出了时钟模块3的技术方案。本实施例实际上给出了时钟模块3的三种技术方案：采用单一的GPS芯片，单一的北斗芯片，或GPS芯片+北斗芯片。同时设置GPS和北斗两种芯片，用户可根据个人喜好自由选择其中一种，也可以将其中一种作为冗余，提高工作的可靠性。如果采用北斗芯片，系统时钟和卫星提供的时间基准是一致的；如果采用GPS，此时卫星提供的时间是格林威治时间，需要利用系统时钟做一次转换，将显示时间转换成我国的北京时间。
作为一可选实施例，也可以将第二测量通道、辅助电路和电流采样电路对应设置为多个，具体地，将连接在参比电极与管道之间的等效电阻R、电子开关K2、电压表V1、电子开关K3、电压表Va、电子开关K1、采样电阻r和试片均对应设置为多个，在实际应用中，可以将多个试片分布在管道的不同监测点，来适应长管道不位置的通电电位与断电电位测量。
本发明实施例还提供了一种应用所述系统进行同步测量的方法，该方法利用了上述的系统，其方法具体包括以下步骤：
S1、通过控制器使电子开关K2闭合的同时让电子开关K3断开，使试片极化后与管道具备相同的电气特性，试片的极化方法为通用的技术手段，此处不再赘述。
S2、通过控制器使电子开关K2断开的同时让电子开关K3闭合，同时读取电压表V0和电压表V1的输出值，即可对应得到管道在同一时刻的通电电位和断电电位。具体地，首先需要说明的是，当电子开关K2闭合，电子开关K3断开后，相当于电压表V0和电压表V1二者并联在参比电极与管道之间，因此电压表V0和电压表V1示值相同均为管道的通电电位，且电压表V0于在参比电极与管道之间未设置电子开关，因此电压表V0可以持续测量管道的通电电位。在本步骤中电子开关K2断开，电子开关K3闭合后，参比电极、电压表V0与管道之间形成一路测量通道，来测量管道的通电电位；参比电极、电压表V1、采样电阻r和试片之间形成一路测量通道，模拟管道断电状态，来测量管道的断电电位。另外，电压表V0、电压表V1内阻与等效电阻R相同，故可保证开关切换后测量回路电阻不变，以此减小测量误差。
S3、通过控制器使电子开关K1和电子开关K2闭合，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到通电状态下的试片电流；
S4、通过控制器使电子开关K2断开，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到断电状态下的试片电流。具体地，电子开关K1闭合后，电压表Va即可测量采样电阻r两端的电压值，通过读取电压表Va的电压值并结合采样电阻r的阻值根据欧姆定律即可得到流经试片电流的大小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，包括控制器以及分别与控制器相连的数据采集模块、时钟模块、数据处理模块和数据存储模块，所述数据采集模块包括第一测量通道和第二测量通道，所述第一测量通道和第二测量通道对应采集管道在同一时刻的通电电位和断电电位；所述时钟模块采用卫星授时时钟并为第一测量通道和第二测量通道提供同一时间基准；所述数据处理模块用于将第一测量通道和第二测量通道采集的模拟信号转换为数字信号；所述数据存储模块用于存储数据处理模块得到的数据。
2.根据权利要求1所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，所述第一测量通道包括电压表V0和参比电极，所述电压表V0串联在参比电极和管道之间；所述第二检测通道包括电压表V1、电子开关K2和试片，所述电压表V1串联在参比电极和试片之间，电压表V1与试片的连接端通过电子开关K2与管道连接，电子开关K2的控制端与控制器相连。
3.根据权利要求2所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括辅助电路，所述辅助电路包括等效电阻R和电子开关K3，所述等效电阻R和电子开关K3依次串联在参比电极和管道之间，且电压表V0和电压表V1的内阻等于等效电阻R，电子开关K3的控制端与控制器相连。
4.根据权利要求3所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括电流采样电路，所述电流采样电路包括电压表Va、电子开关K1和采样电阻r，所述采样电阻r串联在电压表V0和试片之间；所述电压表Va与电子开关K1串联后并接在采样电阻r两端，电子开关K1的控制端与控制器相连。
5.根据权利要求4所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，管道通电电位和断电电位的同步测量方法包括：通过控制器使电子开关K2断开的同时让电子开关K3闭合，同时读取电压表V0和电压表V1的输出值，即可对应得到管道在同一时刻的通电电位和断电电位。
6.根据权利要求4所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，试片电流的测量方法包括：通过控制器使电子开关K1和电子开关K2闭合，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到通电状态下的试片电流；
通过控制器使电子开关K2断开，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到断电状态下的试片电流。
7.根据权利要求4所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，还包括电源模块和通讯模块，
所述电源模块分别与控制器和数据存储模块连接；
所述通讯模块分别与控制器和数据存储模块连接，并用于构建外部数据交换的通讯链路。
8.根据权利要求4所述的地下管道通断电位双通道同步测量系统，其特征在于，所述第二测量通道、辅助电路和采样电路对应设有多组。
9.一种地下管道通断电位双通道同步测量方法，所述方法利用了权利要求4所述的系统，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过控制器使电子开关K2闭合的同时让电子开关K3断开，使试片极化后与管道具备相同的电气特性；
S2、通过控制器使电子开关K2断开的同时让电子开关K3闭合，同时读取电压表V0和电压表V1的输出值，即可对应得到管道在同一时刻的通电电位和断电电位。
10.根据权利要求9所述的一种地下管道通断电位双通道同步测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S3、通过控制器使电子开关K1和电子开关K2闭合，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到通电状态下的试片电流；
S4、通过控制器使电子开关K2断开，此时依据电压表Va的输出值和采样电阻r并结合欧姆定律得到断电状态下的试片电流。
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