CN116145146A - 阴保电位计的时钟同步测量方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阴保电位计的时钟同步测量方法、装置、设备和存储介质。该方法包括：锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟；在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形；单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。本发明使用高精度的授时同步采样时钟，便于多采集点位电位波形进行联立分析，并从中得出各个点位间的共同特征以及不同特征。可以消除工频对分析过程的干扰，便于确定干扰类型，并进行合理调节，实现阴极保护效益最大化。
Description
技术领域
本发明涉及管道电位测量技术领域，具体涉及一种阴保电位计的时钟同步测量方法、装置设备和存储介质。
背景技术
油气长输埋地钢制管道防腐蚀的核心工作之一是持续识别和评估管道所面临的各种影响其阴极保护有效性达标的风险因素，不断采取行动将管体腐蚀控制在可接受范围之内，确保生产安全。
管道长距离穿越各类地质、地貌环境，管道交叉并行(管道间相互干扰)，施工建设期隐患问题，管道自身及外界环境的复杂性导致阴保运行可靠性降低；外界环境干扰问题(高压直流输电线路、城市轨道交通、工矿企业、交流电气化铁路、高压输电线路)，杂散电流干扰源数量多且叠加复合影响，管道受到杂散电流干扰腐蚀危害性强，管道干扰腐蚀风险逐年上升。在分析管道阴极保护效果时通常通过测量各管道的电位进行评价分析。
现有技术中大都通过以下三种方式进行电位测量：(1)可时钟同步测量，例如直流型传统电位计；(2)非同步型高频波形记录电位计；(3)无工频干扰消除的同步型波形记录电位计。但第一种方式只能采集特定时间点的直流电位，无法分析交流干扰的类型。直流采集方案使用平均法消除工频干扰，无法忽略其他来源的交流干扰，如断流器开闭造成的影响；第二种方式对于通用的非同步型高频波形记录电位计(示波器)，在数据产生时只有波形的电位信息，没有同步的通用时间戳，难以分析各点在同时产生的交流干扰特点。只能定性分析干扰的类型，无法从中获取更多信息；第三种方式对于无工频干扰消除的同步型波形记录电位计，这类设备由于引入了时钟同步测量，会限制波形的采集频率，而且由于没有考虑到消除交流干扰算法，每次测量时间点同步性能不高，限制了后续处理。因此如何实现避免工频干扰完成同步测量并进行联立分析，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例一种阴保电位计的时钟同步测量方法及装置，解决现有的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种阴保电位计的时钟同步测量方法，所述方法包括：
锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟；
在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形；
单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。
一实施例中，所述锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟包括：
基于GPS得到高精度的PPS脉冲信号；
利用定时器测量PPS脉冲信号，将PPS脉冲信号的上升沿到达时的秒脉冲到达信号上传至计时器；
当计时器接收到秒脉冲到达信号时，将计时器清零并生成与PPS脉冲信号同步的脉冲信号；
将当前计时器的计时值重装至下次计时器中，得到本地高精度时钟。
一实施例中，当PPS脉冲信号消失时，停止执行计时器清零操作；
使计时器根据PPS脉冲信号消失前的前两个PPS脉冲信号的时间间隔作为工作时间间隔持续的主动输出脉冲。
一实施例中，将AD转换器的转换频率设置为1KHz。
一实施例中，所述单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形包括：
针对电位波形进行FFT变换，得到对应的频谱信息；
记录频谱信息中处于工频附近的频率峰值，得到工频频率范围；
根据工频频率范围构建数字滤波器；
基于数字滤波器进行傅里叶逆变换，得到脉冲响应序列；
基于脉冲响应序列对记录的电位波形进行卷积，得到需要的电位波形。
第二方面，本发明提供一种阴保电位计的时钟同步测量装置，该装置包括：
时钟生成模块：用于锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟；
数据采集记录模块：用于在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形；
工频消除模块：用于单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。
一实施例中，所述时钟生成模块具体包括：
基于GPS得到高精度的PPS脉冲信号；
利用定时器测量PPS脉冲信号，将PPS脉冲信号的上升沿到达时的秒脉冲到达信号上传至计时器；
当计时器接收到秒脉冲到达信号时，将计时器清零并生成与PPS脉冲信号同步的脉冲信号；
将当前计时器的计时值重装至下次计时器中，得到本地高精度时钟。
一实施例中，所述时钟生成模块中当PPS脉冲信号消失时，停止执行计时器清零操作；
使计时器根据PPS脉冲信号消失前的前两个PPS脉冲信号的时间间隔作为工作时间间隔持续的主动输出脉冲。
一实施例中，所述数据采集记录模块中将AD转换器的转换频率设置为1KHz。
一实施例中，所述工频消除模块具体包括：
所述单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形包括：
针对电位波形进行FFT变换，得到对应的频谱信息；
记录频谱信息中处于工频附近的频率峰值，得到工频频率范围；
根据工频频率范围构建数字滤波器；
基于数字滤波器进行傅里叶逆变换，得到脉冲响应序列；
基于脉冲响应序列对记录的电位波形进行卷积，得到需要的电位波形。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：
处理器、存储器、与网关通信的接口；
存储器用于存储程序和数据，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行第一方面任一项提供的一种阴保电位计的时钟同步测量方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括程序，所述程序在被处理器执行时用于执行第一方面任一项提供的一种阴保电位计的时钟同步测量方法。
从上述描述可知，本发明通过锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟，并在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形，以提供高精度的授时同步采样时钟，便于多采集点位电位波形进行联立分析，并从中得出各个点位间的共同特征以及不同特征，通过单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形，消除工频对分析过程的干扰，便于确定干扰类型，并进行合理调节，实现阴极保护效益最大化。
附图说明
图1所示为本发明一实施例提供的方法流程示意图；
图2所示为本发明一实施例提供的数字滤波器幅频、相频响应示意图；
图3所示为本发明一实施例提供的得到的脉冲响应示意图；
图4所示为本发明一实施例提供的装置的结构示意图；
图5所示为本发明一实施例中的电子设备的结构示意图。
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作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。
基于现有技术的缺点，本发明实施例提供了一种阴保电位计的时钟同步测量方法的具体实施方式，如图1所示，该方法具体包括：
S110:锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟。
具体地，基于GPS得到高精度的PPS脉冲信号；
基于GPS的PPS脉冲信号，可以获得一个40us精度的秒脉冲，即在整秒处可以获得一个准确的时间到达信号，秒脉冲的上升沿正好与标准时的整秒处相对应。
利用定时器测量PPS脉冲信号，将PPS脉冲信号的上升沿到达时的秒脉冲到达信号上传至计时器；
当计时器接收到秒脉冲到达信号时，将计时器清零并生成与PPS脉冲信号同步的脉冲信号；
将当前计时器的计时值重装至下次计时器中，得到本地高精度时钟。
更为具体地，计时器的工作时钟频率为定时器的整数倍，若以5倍为例，那么计时器产生的脉冲即为PPS脉冲信号的5倍频。PPS脉冲信号到来时计时器被瞬间清零，产生一次同步与PPS脉冲信号的脉冲信号。此后计时器被中装置上一次计时器的计时值，此时精确脉冲分频时钟就已经生成，即本地高精度时钟。
当PPS脉冲信号消失时，停止执行计时器清零操作；
使计时器根据PPS脉冲信号消失前的前两个PPS脉冲信号的时间间隔作为工作时间间隔持续的主动输出脉冲。在实际使用时，可以使用高精度温度补偿晶振实现，以避免上时间丢失PPS信号时，时钟同步性能下降，导致后续数据处理出现错误的问题。
S120:在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形。
具体地，采用型号为LTC2440的高精度AD转换芯片进行数据转换，并通过ADR4550ARZ为低温度漂移的电压基准芯片，提供电压参考。让LTC2440芯片的FO引脚与上述的本地高精度时钟连接。此时LTC2440芯片的AD转换开始时间受本地同步时钟控制，以实现同步的数据采集。在采集过程中，将AD转换器的转换频率设置为1KHz，其即可满足工频的突发干扰分辨，也可以满足工频以上频率的突发干扰分辨，之后将LTC2440芯片采集的数据上传至主控芯片进行实时处理，并加以记录保存。
S130:单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。
具体地，由于各个数据采集点位均采集到该范围内的工频交流干扰。工频信号来自交流电网的电磁辐射等方式干扰，根据电网负载状态等因素会施加轻微的频率改变。但是在一个较大的地区范围内可以认为均受到相同的工频频率的影响，该准确频率是未知的。因此，需要消除采集到的数据中的工频干扰，保障后续分析的准确性。
其消除工频干扰的具体方式如下：
针对电位波形进行FFT变换，得到对应的频谱信息。
因上述采集时间较长，根据信号理论，经过FFT变换频谱信息更加精确。
记录频谱信息中处于工频附近的频率峰值，得到工频频率范围。
根据频谱信息中处于50Hz附近的频谱峰值即为工频频率范围，根据频谱性质可以针对性地设置数字滤波器所滤除的频谱范围。
根据工频频率范围构建数字滤波器。
数字滤波器的实现需要通过设计特定的通频带，在频域构造特定的连续谱窗函数，从而设计出矩形带通滤波器。窗函数的离散傅里叶变换为对sinc函数的离散采样的形式。具体实现过程示例如下：
使用Hamming窗为窗函数，在归一化频域设计通频带为(0.35π,0.65π)的带通滤波器，其幅频、相频响应如图2所示，
由图2可知，频率响应为带通滤波器，中心频率归一化为单周期，图中可见归一化通频带为(0.35π,0.65π)。由于数字滤波器的系统特性，通频带内线性相位，信号不同频率分量延迟一致，符合阴极保护通断测量系统中对时序稳定的要求。
基于数字滤波器进行傅里叶逆变换，得到脉冲响应序列；基于脉冲响应序列对记录的电位波形进行卷积，得到需要的电位波形。
具体地，得到的脉冲响应序列如图3所示，该脉冲序列是由上述系统频率响应经离散傅里叶逆变换得来，可以认为是一组数值序列，在图3中包含99个数据点，实际应用中可由需要的数字滤波器性能进行调整。该数据序列对输入波形(即记录的电位波形)卷积，输出结果即数字滤波的结果(即为需要的电位波形)，从而实现数字滤波。该过程在仪器中由硬件加速计算，以此来实现较为实时迅速的数据处理。
该数字滤波器可对工频或其他交流干扰进行选择性去除，并得到需要的电位波形数据。由于时钟同步精度高，工频的获取在每台不同仪器上的微小差异综合相位信息，可判断出引起该工频干扰的片区，并根据此判定干扰来源。
综上所述，本发明基于GPS输出的PPS脉冲实现了内部的高精度同步采样时钟的生成。基于该时钟进行高精度时钟同步的采样，每个采集点位的同步性不低于±20us，便于后续的波形分析。在数据采集时，对各采集点位数据长期进行波形记录，而不是单个的直流数据读取，以此方式来保留尽可能多的电位频域信息，从而得到高精度、高采样频率的电位时空分布。根据以上分布信息，可以从各个波形数据中计算出实际工频干扰的特征频率，并使用数字滤波对工频干扰进行消除，这样实现单独消除工频交流的电位数据。接下来对剩余的交流信息进行分析，可以得到断流器开启、关闭引入的交流电位改变，以及其他环境影响带来的交流干扰中的所有数据，以供工程师对各点排除干扰后的阴保状态进行评估。同时，传统的直流数据也可以用数字滤波的方式选择时间点计算直流分量后导出，以兼容传统的数据分析方式。
本发明由于使用了高精度的授时同步采样时钟，克服了多个设备波形数据无法联立分析的问题。可以获得多个点位的数据的波形图，并从中得出各个点位间的共同特征，如工频特征等；以及不同特征，即环境因素造成的干扰。在实现以上技术效果的基础上，由于获取到更多同步的电压数据，可以消除工频造成的分析干扰，并实现进一步基于数字滤波的方式进行数据处理，通过后续分析各个频率范围下各点所受的干扰，从而确定干扰类型，进行合理调节，实现阴极保护效益最大化。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种阴保电位计的时钟同步测量，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例所述。由于装置解决问题的原理与方法相似，因此装置的实施可以参见方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本发明提供了一种阴保电位计的时钟同步测量装置，如图4所示。在图4中，该装置包括：
时钟生成模块210：用于锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟；
数据采集记录模块220：用于在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形；
工频消除模块230：用于单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。
本发明一实施例中，时钟生成模块210具体包括：
基于GPS得到高精度的PPS脉冲信号；
利用定时器测量PPS脉冲信号，将PPS脉冲信号的上升沿到达时的秒脉冲到达信号上传至计时器；
当计时器接收到秒脉冲到达信号时，将计时器清零并生成与PPS脉冲信号同步的脉冲信号；
将当前计时器的计时值重装至下次计时器中，得到本地高精度时钟。
本发明一实施例中，时钟生成模块210中当PPS脉冲信号消失时，停止执行计时器清零操作；
使计时器根据PPS脉冲信号消失前的前两个PPS脉冲信号的时间间隔作为工作时间间隔持续的主动输出脉冲。
本发明一实施例中，数据采集记录模块220中将AD转换器的转换频率设置为1KHz。
本发明一实施例中，工频消除模块230具体包括：
单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形包括：
针对电位波形进行FFT变换，得到对应的频谱信息；
记录频谱信息中处于工频附近的频率峰值，得到工频频率范围；
根据工频频率范围构建数字滤波器；
基于数字滤波器进行傅里叶逆变换，得到脉冲响应序列；
基于脉冲响应序列对记录的电位波形进行卷积，得到需要的电位波形。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图5，电子设备300具体包括如下内容：
处理器310、存储器320、通信单元330和总线340；
其中，处理器310、存储器320、通信单元330通过总线340完成相互间的通信；通信单元330用于实现服务器端设备以及终端设备等相关设备之间的信息传输。
处理器310用于调用存储器320中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的方法中的全部步骤。
本领域普通技术人员应理解：存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称：RAM)，只读存储器(Read Only Memory，简称：ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，简称：PROM)，可擦除只读存储器(ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称：EPROM)，电可擦除只读存储器(ElectricErasable Programmable Read-Only Memory，简称：EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，处理器在接收到执行指令后，执行程序。进一步地，上述存储器内的软件程序以及模块还可包括操作系统，其可包括各种用于管理系统任务(例如内存管理、存储设备控制、电源管理等)的软件组件和/或驱动，并可与各种硬件或软件组件相互通信，从而提供其他软件组件的运行环境。
处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称：CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称：NP)等。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括程序，所述程序在被处理器执行时用于执行前述任一方法实施例提供的方法。
本领域普通技术人员应理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，具体的介质类型本申请不做限制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种阴保电位计的时钟同步测量方法，其特征在于，所述方法包括：
锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟；
在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形；
单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。
2.如权利要求1所述的一种阴保电位计的时钟同步测量方法，其特征在于，所述锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟包括：
基于GPS得到高精度的PPS脉冲信号；
利用定时器测量PPS脉冲信号，将PPS脉冲信号的上升沿到达时的秒脉冲到达信号上传至计时器；
当计时器接收到秒脉冲到达信号时，将计时器清零并生成与PPS脉冲信号同步的脉冲信号；
将当前计时器的计时值重装至下次计时器中，得到本地高精度时钟。
3.如权利要求2所述的一种阴保电位计的时钟同步测量方法，其特征在于，当PPS脉冲信号消失时，停止执行计时器清零操作；
使计时器根据PPS脉冲信号消失前的前两个PPS脉冲信号的时间间隔作为工作时间间隔持续的主动输出脉冲。
4.如权利要求1所述的一种阴保电位计的时钟同步测量方法，其特征在于，将AD转换器的转换频率设置为1KHz。
5.如权利要求1所述的一种阴保电位计的时钟同步测量方法，其特征在于，所述单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形包括：
针对电位波形进行FFT变换，得到对应的频谱信息；
记录频谱信息中处于工频附近的频率峰值，得到工频频率范围；
根据工频频率范围构建数字滤波器；
基于数字滤波器进行傅里叶逆变换，得到脉冲响应序列；
基于脉冲响应序列对记录的电位波形进行卷积，得到需要的电位波形。
6.一种阴保电位计的时钟同步测量装置，其特征在于，该装置包括：
时钟生成模块：用于锁定GPS输出PPS脉冲的到达时刻，得到本地高精度时钟；
数据采集记录模块：用于在数据采集过程中基于本地高精度时钟同步控制各采集点位AD转换器数据转换的开始时间点，并长期记录采集到的各采集点位的电位波形；
工频消除模块：用于单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形。
7.如权利要求6所述的一种阴保电位计的时钟同步测量装置，其特征在于，所述时钟生成模块具体包括：
基于GPS得到高精度的PPS脉冲信号；
利用定时器测量PPS脉冲信号，将PPS脉冲信号的上升沿到达时的秒脉冲到达信号上传至计时器；
当计时器接收到秒脉冲到达信号时，将计时器清零并生成与PPS脉冲信号同步的脉冲信号；
将当前计时器的计时值重装至下次计时器中，得到本地高精度时钟。
8.如权利要求6所述的一种阴保电位计的时钟同步测量装置，其特征在于，所述工频消除模块具体包括：
所述单独消除记录的电位波形中工频交流的电位数据，得到需要的电位波形包括：
针对电位波形进行FFT变换，得到对应的频谱信息；
记录频谱信息中处于工频附近的频率峰值，得到工频频率范围；
根据工频频率范围构建数字滤波器；
基于数字滤波器进行傅里叶逆变换，得到脉冲响应序列；
基于脉冲响应序列对记录的电位波形进行卷积，得到需要的电位波形。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器、存储器、与网关通信的接口；
存储器用于存储程序和数据，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行权利要求1至5任一项所述的一种阴保电位计的时钟同步测量方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括程序，所述程序在被处理器执行时用于执行权利要求1至5任一项所述的一种阴保电位计的时钟同步测量方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211735962.2A CN116145146A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 阴保电位计的时钟同步测量方法、装置、设备和存储介质 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211735962.2A CN116145146A (zh) | 2022-12-30 | 2022-12-30 | 阴保电位计的时钟同步测量方法、装置、设备和存储介质 |
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- 2022-12-30 CN CN202211735962.2A patent/CN116145146A/zh active Pending
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