CN206070005U - 一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，包括中央处理器、测控数据采集模块、电源模块、GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块、参比电极、第一极化片、第二极化片、还包括交流干扰数据采集模块，交流干扰数据采集模块包括整流器、运放器、干扰信号模拟数字转换器，其中，整流器分别与参比电极、地埋钢管和运放器连接，干扰信号模拟数字转换器分别与基准电压源、运放器和中央处理器连接。本实用新型能精准测量地埋钢管的断电电位，有效消除IR降和杂散电流的干扰，具有自动休眠和自动唤醒功能，节电省能，能对运行中的阴极保护系统进行远程实时监控，还能实时准确采集地埋钢管上的交流干扰信号，为管理者提供处理信息。

Description

一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置

技术领域

本实用新型涉及一种地埋钢管阴极保护监控装置,尤其涉及一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，属于阴极保护监控技术领域。

背景技术

阴极保护是对埋设于地下的钢质管道进行有效防腐的重要手段。在地埋钢管的运行过程中，由于阴极保护不到位导致腐蚀进而引起泄漏的安全事故非常多。因此，对地埋钢管阴极保护进行有效的监控，是保证地埋钢管安全运行至关重要的一项工作，而用于监测阴极保护参数的相关测控装置，也就成了地埋钢管阴极保护中必不可少的仪器设备。

现有技术中，已广泛使用测试桩这类设备对地埋钢管的阴极保护参数进行监控，如一些外国公司采用阴极保护有线监控装置将数据并入SCADA系统(数据采集与监控系统)进行监控，也有采用部分无线远程监控与检测的阴极保护系统。但这些系统中，使用的阴极保护参数测试桩存在着诸多的问题，其中包括：

1)测试桩中没有相应的信号发射和接收装置，只能依靠人工定期巡查获取采集到的数据，效率低下，甚至有些人工测量点因为难以到达，导致数据虚假、缺失；

2)测试桩中一些无需实时供电的元器件，测试桩仍为其不间断供电，造成电量消耗过大、过快，迫使维护人员高频率地更换电池，耗费大量的人力物力；

3)监控普遍采用检测通电电位的方法进行，但由于通电电位含有IR降而存在测量上的误差，且测量易受杂散电流干扰，故以通电电位作为计算地埋钢管保护率的基准参数是不严谨的，应以地埋钢管断电电位作为计算地埋钢管保护率的基准参数；然而，目前虽有恒电位仪与测试桩同步断电测量法能够测得地埋钢管的断电电位，消除其IR降，但这种方法不能消除杂散电流的干扰，因此，这种具有误差的测试结果仍然会误导管理者，且这种断电电位的人工测量难度大、技术要求高，实际操作不易。

为寻求更为高效、准确、先进的工作模式，实现对运行中的地埋钢管阴极保护系统远程实时监控，降低测试桩的电耗、准确获取地埋钢管的断电电位，授权公告号CN204874751U专利提供了一种包括桩帽、标志桩、安放于标志桩内部的智能测控器的智能测试桩，该智能测试桩通过极化探头中的第一极化片、第二极化片来探测地埋钢管相对于参比电极的电位值，并通过智能测控器内的中央处理器、与中央处理器连接的数据采集模块、为智能测控器供电的电源模块、GPS授时模块、实现与外部通信的GPRS模块、将数据采集模块采集的数据进行本地存储的数据存储模块、复位模块、以及实现智能测控器校时的实时时钟模块，较好地解决了现有技术中测试桩存在的问题。

但是，随着经济的发展，大规模的公共设施如电气化牵引系统、高压输电线路等的建设，使得交流干扰变得日益严重。交流干扰不仅危害人身安全，对埋设于地下的输油输气钢管及其阴极保护设备的安全也具有极大的危害。

然而，目前绝大多数的测控装置没有监测交流干扰的功能，无法为管理者提供有效的地埋钢管交流干扰数据。

实用新型内容

针对现有技术的上述不足，本实用新型提供一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，在对运行中的阴极保护系统进行实时监控、精确获取地埋钢管断电电位的同时，达到及时有效获取地埋钢管中交流干扰数据的目的。

为达上述目的，本实用新型提供如下的技术方案：

一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，包括中央处理器、测控数据采集模块、电源模块，以及GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块，还有参比电极、第一极化片、第二极化片，其中：

中央处理器分别与测控数据采集模块、电源模块、GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块连接；

测控数据采集模块包括分别与参比电极、第一极化片、第二极化片和阴极保护的地埋钢管连接的防护器，与防护器连接的低通滤波器，与低通滤波器和中央处理器连接的测控信号模拟数字转换器，与测控信号模拟数字转换器连接的基准电压源，分别与第一极化片、地埋钢管、中央处理器、电源模块连接的继电器；

其特征在于：还包括交流干扰数据采集模块，所述交流干扰数据采集模块包括整流器、运放器、干扰信号模拟数字转换器，其中，整流器分别与参比电极、地埋钢管和运放器连接，干扰信号模拟数字转换器分别与基准电压源、运放器和中央处理器连接。

作为一种实施方式，所述整流器包括隔直电容、高耐压整流二极管1N4007组成的全桥式整流桥、电解电容，交流干扰信号经过隔直电容隔掉直流成分后，通过全桥式整流桥、再经电解电容滤波处理、分压后进入运放器；所述运放器采用OP1177AR差分运放器。

作为一种实施方式，所述防护器包括PPTC自恢复保险丝、瞬态抑制二极管、共模抑制电感。

作为一种实施方式，所述防护器包括防护器A、防护器B、防护器C，所述低通滤波器包括分别与测控信号模拟数字转换器连接的低通滤波器A、低通滤波器B、低通滤波器C，其中：防护器A分别与低通滤波器A、参比电极、第二极化片连接，防护器B分别与低通滤波器B、参比电极、地埋钢管连接，防护器C分别与低通滤波器C、参比电极、第一极化片连接。

作为一种实施方式，所述低通滤波器采用巴特沃斯二阶低通滤波器或切比雪夫滤波器。

作为一种实施方式，所述电源模块包括锂电池、3.3V电源转换器、5V电源转换器和两个电源控制器，锂电池与3.3V电源转换器串接后为中央处理器和继电器供电，锂电池与3.3V电源转换器再与电源控制器串接后为GPS模块、看门狗模块供电，锂电池与电源控制器再与5V电源转换器串接后为GPRS模块、基准电压源供电。

优选的，所述3.3V电源转换器采用MAX884ESA电源模块，所述5V电源转换器采用WR2050S-1WR2电源模块，所述电源控制器采用IRF7309双N和P沟道MOSFET搭建的电源控制器。

作为一种实施方式，所述中央处理器较佳的是采用32位STM32L073RZT6单片机。

作为一种实施方式，所述测控信号模拟数字转换器与所述干扰信号模拟数字转换器均采用24位三路差分模拟输入Σ-Δ型AD7799数模转换器。

作为一种实施方式：

所述基准电压源采用REF191ESZ电源芯片；

所述GPS模块采用UBLOX高精度GPS授时模组或台湾长天M8729GPS芯片或UM220-III北斗+GPS双模芯片；

所述GPRS模块采用振鸿伟业的3G GPRS DTU模块并配备TTL/RS232电平转换装置，所述TTL/RS232电平转换装置采用MAX3232ESE转换芯片；

所述看门狗模块采用MCP1316-29看门狗芯片；

所述继电器采用欧姆龙G6S-2F-3V信号继电器。

与现有技术相比，本实用新型其有益效果和显著进步在于：

本实用新型提供的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置不仅能精准测量地埋钢管的断电电位、有效消除IR降和杂散电流的干扰、具有完成测量任务后自动休眠和测量时自动唤醒功能、节电省能、实现对运行中的阴极保护系统的远程实时监控，还能实时准确采集地埋钢管上的交流干扰信号，此交流干扰信号由中央处理器进行数据处理后，能够通过GPRS模块及时上传至数据管理平台，为管理者提供实时可靠的交流干扰数据，提醒其是否需要对交流干扰产生的影响采取必要的措施，从而减少交流干扰的危害。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置的电路原理框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种整流器和运放器的电路图；

图3为本实用新型实施例提供的一种防护器的电路图；

图4为本实用新型实施例提供的一种低通滤波器的电路图；

图5为本实用新型实施例提供的一种3.3V电源转换器的电路图；

图6为本实用新型实施例提供的一种5V电源转换器的电路图；

图7为本实用新型实施例提供的一种电源控制器的电路图；

图8为本实用新型实施例提供的一种中中央处理器的电路图；

图9为本实用新型实施例提供的一种测控信号模拟数字转换器和干扰信号模拟数字转换器的电路图；

图10为本实用新型实施例提供的一种基准电压源的电路图；

图11为本实用新型实施例提供的一种TTL/RS232电平转换装置的电路图；

图12为本实用新型实施例提供的一种看门狗模块的电路图；

图13为本实用新型实施例提供的一种继电器的电路图。

图中：

1-中央处理器，2-测控数据采集模块，3-电源模块，4-交流干扰数据采集模块。

具体实施方式

下面结合附图以及附图说明和实施例对本实用新型提供的技术方案做进一步详细说明，说明中所描述的附图仅仅是本实用新型实施例中提供的一些具体实施方式，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图提出具有同等功能的电路原理框图或电路图，但这些都应包括在本实用新型的内容之中。

实施例

如图1本实用新型提供的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置的电路原理框图所示，本实用新型提供的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置包括：中央处理器1、测控数据采集模块2、电源模块3、交流干扰数据采集模块4，以及GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块，还有参比电极、第一极化片、第二极化片；其中：

中央处理器1分别与测控数据采集模块2、电源模块3、GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块连接；

测控数据采集模块2包括分别与参比电极、第一极化片、第二极化片和阴极保护的地埋钢管连接的防护器，与防护器连接的低通滤波器，与低通滤波器和中央处理器1连接的测控信号模拟数字转换器，与测控信号模拟数字转换器连接的基准电压源，分别与第一极化片、地埋钢管、中央处理器1、电源模块3连接的继电器；

交流干扰数据采集模块4包括整流器、运放器、干扰信号模拟数字转换器，其中，整流器分别与参比电极、地埋钢管和运放器连接，干扰信号模拟数字转换器分别与基准电压源、运放器和中央处理器1连接。

具体实施中，参比电极可采用永久参比电极，便于长期埋于地下稳定工作；第一极化片和第二极化片集合在ANKO-TC-CSE-III型极化探头上；防护器与阴极保护的地埋钢管通过焊点连接。

交流干扰信号采集后需经过隔直隔除直流成分，再通过整流、滤波、分压后，才能进入运放电路，也就是说，采集后的交流干扰信号需首先经过整流器，再进入运放器，然后再进入干扰信号模拟数字转换器。

作为一种实施方式，如图2本实用新型实施例提供的一种整流器和运放器的电路图所示，本实施例提供的整流器包括隔直电容、高耐压整流二极管1N4007组成的全桥式整流桥、电解电容，交流干扰信号经过隔直电容隔掉直流成分后，通过全桥式整流桥，再经电解电容滤波处理，分压后进入运放器；本实施例提供的运放器为OP1177AR差分运放器。

由于地埋钢管上存在各种瞬态尖峰脉冲和交流干扰，所以，进行测控数据采集时，测控信号进入测控信号模拟数字转换器之前需要经过防护预处理和滤波处理，信号经过防护预处理后进行分压，将信号调整至可采样范围，然后才能进入低通滤波器。

作为一种实施方式，如图3本实用新型实施例提供的一种防护器的电路图所示，本实施例提供的对采集的测控信号进行防护预处理的防护器包括PPTC自恢复保险丝、瞬态抑制二极管、共模抑制电感，此种防护器可有效抑制瞬态脉冲。

作为一种实施方式，防护器包括防护器A、防护器B、防护器C，低通滤波器包括分别与测控信号模拟数字转换器连接的低通滤波器A、低通滤波器B、低通滤波器C，防护器A分别与低通滤波器A、参比电极、第二极化片连接，防护器B分别与低通滤波器B、参比电极、地埋钢管连接，防护器C分别与低通滤波器C、参比电极、第一极化片连接。

作为一种实施方式，如图4本实用新型实施例提供的一种低通滤波器的电路图所示，本实施例提供的低通滤波器采用巴特沃斯二阶低通滤波器，此种低通滤波器可有效滤除地埋钢管中的交流干扰信号；当然，本实用新型亦可选用切比雪夫滤波器或其他型号的滤波器，只要其能实现本实用新型的目的，都应包括在本实用新型的内容之中。

作为一种实施方式，如图1所示，电源模块3包括锂电池、3.3V电源转换器、5V电源转换器和两个电源控制器，锂电池与3.3V电源转换器串接后为中央处理器1和继电器供电，锂电池与3.3V电源转换器再与电源控制器串接后为GPS模块、看门狗模块供电，锂电池与电源控制器再与5V电源转换器串接后为GPRS模块、基准电压源供电。

本实施方式中：

如图5本实用新型实施例提供的一种3.3V电源转换器的电路图所示，3.3V电源转换器优选采用MAX884ESA电源模块；

如图6本实用新型实施例提供的一种5V电源转换器的电路图所示，5V电源转换器优选采用WR2050S-1WR2电源模块；

如图7本实用新型实施例中一种电源控制器的电路图所示，电源控制器优选采用IRF7309双N和P沟道MOSFET搭建的电源控制器，该电源控制器可实现GPS模块、GPRS模块、测控信号模拟数字转换器、干扰信号模拟数字转换器、基准电压源等耗电量较大的芯片在不需要电源供电情况下的完全关断，以达到降低电耗的目的。

作为一种实施方式，如图8本实用新型实施例提供的一种中央处理器的电路图所示，本实施例提供的中央处理器是采用高性能超低功耗32位STM32L073RZT6单片机；STM32L073RZT6单片机供电电压为3.3V，待机功耗为0.43μA，掉电模式功耗为0.1μA，从待机到唤醒时间不超过3.5μs，能较好地满足本实用新型的需要。

作为一种实施方式，如图9本实用新型实施例提供的一种测控信号模拟数字转换器和干扰信号模拟数字转换器的电路图所示，本实施例中测控信号模拟数字转换器和所述干扰信号模拟数字转换器均采用24位三路差分模拟输入Σ-Δ型AD7799数模转换器，通过数模转换器，将输入的模拟信号换为数字信号，再将数字信号输入中央处理器1中进行处理。

Σ-Δ型AD7799数模转换器适合高精度测量应用，功耗、噪声低，能完整模拟前端，集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号，其均方根噪声最小为27nV，典型功耗为380μA，采用REF191精密带隙基准电压源，参考电压源精度达到2mv，温度系数5Pppm，功耗低于45μA。

如图10本实用新型实施例提供的一种基准电压源的电路图所示，基准电压源采用REF191ESZ电源芯片，能为测控信号模拟数字转换器和干扰信号模拟数字转换器提供稳定精确的基准电压。

作为一种实施方式，本实施例中，GPS模块采用UBLOX高精度GPS授时模组或台湾长天M8729GPS芯片或UM220-III北斗+GPS双模芯片。

作为一种实施方式，本实施例中，GPRS模块采用振鸿伟业的3G GPRS DTU模块；振鸿伟业的3G GPRS DTU模块供电电压宽，支持掉线自动连接功能、呼叫唤醒功能，还支持数据加密协议。

由于振鸿伟业的3G GPRS DTU模块采用RS232接口与单片机进行串口通信，所以，使用振鸿伟业的3G GPRS DTU模块时需将单片机串口的TTL电平转换成RS232电平，即在使用振鸿伟业的3G GPRS DTU模块时要同时配备TTL/RS232电平转换装置。图11即为本实用新型实施例提供的一种TTL/RS232电平转换装置的电路图，本实施例中，TTL/RS232电平转换装置采用3.3V供电的MAX3232ESE转换芯片，由锂电池与3.3V电源转换器再与电源控制器串接后为其供电。

当然，本实用新型的GPRS模块亦可选用其他型号的GPRS/CDMA DTU模块，只要其能实现本实用新型的目的，都应包括在本实用新型的内容之中。

如图12本实用新型实施例提供的一种看门狗模块的电路图所示，看门狗模块采用MCP1316-29看门狗芯片，可实现遇到程序跑飞或电压突降时复位单片机的目的，且可以保护单片机免于在低压运行情况下而造成的损坏。

如图13本实用新型实施例提供的一种继电器的电路图所示，继电器采用欧姆龙G6S-2F-3V信号继电器，用于实现地埋钢管和极化片的接通和断开。

综上所述，本实用新型提供的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置能够达到如下目的：

1)通过设置在测控数据采集模块中的继电器，控制第一极化片和地埋钢管连线上电的通断，能够实现断电电位的精准测量，有效消除IR降和杂散电流的干扰，将其作为计算地埋钢管保护率时，可获取精确的数据，保证其准确、无误差；

2)通过电源控制器对GPS模块、GPRS模块、测控信号模拟数字转换器、干扰信号模拟数字转换器、以及基准电压源供电的通断控制，使得本实用新型具有了自动唤醒功能、完成测量任务后的自动休眠功能，从而能节省电能，使其能够长时间正常运行，对运行中的阴极保护系统进行实时监控；

3)最重要的是，通过设置的交流干扰数据采集模块，可以实时准确采集到地埋钢管中的交流干扰信号，经中央处理器进行数据处理后，通过GPRS模块上传到数据管理平台，达到及时有效获取地埋钢管中交流干扰数据的目的，为管理者提供实时可靠的交流干扰数据，提醒管理者是否需要对交流干扰产生的影响采取必要的措施，从而减少交流干扰的危害。

最后，有必要说明的是：上述内容仅用于帮助理解本实用新型的技术方案，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域技术人员根据本实用新型的上述内容所做出的非本质改进和调整，均属本实用新型所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，包括中央处理器(1)、测控数据采集模块(2)、电源模块(3)，以及GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块，还有参比电极、第一极化片、第二极化片，其中：

中央处理器(1)分别与测控数据采集模块(2)、电源模块(3)、GPS模块、GPRS模块、看门狗模块、震荡电路模块连接；

测控数据采集模块(2)包括分别与参比电极、第一极化片、第二极化片和阴极保护的地埋钢管连接的防护器，与防护器连接的低通滤波器，与低通滤波器、中央处理器(1)连接的测控信号模拟数字转换器，与测控信号模拟数字转换器连接的基准电压源，分别与第一极化片、地埋钢管、中央处理器(1)、电源模块(3)连接的继电器；

其特征在于：还包括交流干扰数据采集模块(4)，所述交流干扰数据采集模块(4)包括整流器、运放器、干扰信号模拟数字转换器，其中，整流器分别与参比电极、地埋钢管和运放器连接，干扰信号模拟数字转换器分别与基准电压源、运放器和中央处理器(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述整流器包括隔直电容、高耐压整流二极管1N4007组成的全桥式整流桥、电解电容，交流干扰信号经过隔直电容隔掉直流成分后，通过全桥式整流桥、再经电解电容滤波处理、分压后进入运放器；所述运放器为OP1177AR差分运放器。

3.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述防护器包括PPTC自恢复保险丝、瞬态抑制二极管、共模抑制电感。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述防护器包括防护器A、防护器B、防护器C，所述低通滤波器包括分别与测控信号模拟数字转换器连接的低通滤波器A、低通滤波器B、低通滤波器C，其中：防护器A分别与低通滤波器A、参比电极、第二极化片连接，防护器B分别与低通滤波器B、参比电极、地埋钢管连接，防护器C分别与低通滤波器C、参比电极、第一极化片连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述低通滤波器采用巴特沃斯二阶低通滤波器或切比雪夫滤波器。

6.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述电源模块(3)包括锂电池、3.3V电源转换器、5V电源转换器和两个电源控制器，锂电池与3.3V电源转换器串接后为中央处理器(1)和继电器供电，锂电池与3.3V电源转换器再与电源控制器串接后为GPS模块、看门狗模块供电，锂电池与电源控制器再与5V电源转换器串接后为GPRS模块、基准电压源供电。

7.根据权利要求6所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述3.3V电源转换器采用MAX884ESA电源模块，所述5V电源转换器采用WR2050S-1WR2电源模块，所述电源控制器采用IRF7309双N和P沟道MOSFET搭建的电源控制器。

8.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述中央处理器(1)为32位STM32L073RZT6单片机。

9.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：所述测控信号模拟数字转换器与所述干扰信号模拟数字转换器均采用24位三路差分模拟输入Σ-Δ型AD7799数模转换器。

10.根据权利要求1所述的一种用于监测阴极保护测试桩中交流干扰的装置，其特征在于：

所述基准电压源采用REF191ESZ电源芯片；

所述GPS模块采用UBLOX高精度GPS授时模组或台湾长天M8729GPS芯片或UM220-III北斗+GPS双模芯片；

所述GPRS模块采用振鸿伟业的3G GPRS DTU模块并配备TTL/RS232电平转换装置，所述TTL/RS232电平转换装置采用MAX3232ESE转换芯片；

所述看门狗模块采用MCP1316-29看门狗芯片；

所述继电器采用欧姆龙G6S-2F-3V信号继电器。