RU2054678C1

RU2054678C1 - Device for measuring electrochemical potential of subsurface structures

Info

Publication number: RU2054678C1
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Бабичев; Владимир Кузьмич Бабичев
Original assignee: Владимир Владимирович Бабичев; Владимир Кузьмич Бабичев
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device for measuring electrochemical potential of subsurface structures has probe, comparison electrode and auxiliary electrode, data retrieval and storage unit incorporating analog switch break and make contacts, two operational amplifiers, transistor, measuring capacitor, push-button switch, current generator built around transistors, resistance divider built around resistors, and also microammeter connected to structure under test, push-button switch, pulse generator, recording instrument. Electrodes are made as two isolated metal strips mounted on insulated metal rod of probe. EFFECT: improved validity of measurement results. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для оценки состояния защиты от электрохимической коррозии металлических подземных сооружений, например трубопроводов, резервуаров и т.п. The invention relates to electrical engineering and is intended to assess the state of protection against electrochemical corrosion of metal underground structures, such as pipelines, tanks, etc.

Известно устройство для измерения электрохимического потенциала подземных сооружений [1] содержащее регистрирующий прибор, стационарный неполяризующийся электрод сравнения и вспомогательный электрод, установленный в тех же условиях, что и исследуемое сооружение, и соединенный с сооружением через быстродействующий ключ. Измерения производятся в момент размыкания ключом цепи вспомогательный электрод сооружение без выключения устройств электрозащиты. A device for measuring the electrochemical potential of underground structures [1] containing a recording device, a stationary non-polarizing reference electrode and an auxiliary electrode installed in the same conditions as the studied structure, and connected to the structure through a quick key. Measurements are taken at the moment the circuit breaker opens the auxiliary electrode structure without turning off the electrical protection devices.

Основным недостатком этого устройства является низкая точность измерений. Это обусловлено, во-первых, тем, что в известном устройстве один электрод (вспомогательный) находится вблизи контролируемого сооружения, а другой (электрод сравнения) установлен на поверхности земли. Под действием блуждающих токов между электродами возникает разность потенциалов, которая суммируется с поляризационной составляющей. The main disadvantage of this device is the low accuracy of the measurements. This is due, firstly, to the fact that in the known device, one electrode (auxiliary) is located near the controlled structure, and the other (reference electrode) is installed on the surface of the earth. Under the action of stray currents between the electrodes, a potential difference arises, which is summed with the polarization component.

Во-вторых, длительностью измерений, находящейся в обратной зависимости от точности, так как через очень короткий промежуток времени после размыкания цепи вспомогательный электрод сооружение (начало измерения) начинается деполяризация электрода. Secondly, the duration of the measurements, which is inversely dependent on accuracy, since after a very short period of time after the circuit is opened, the auxiliary electrode structure (start of measurement) begins to depolarize the electrode.

Известно устройство измерения потенциала относительно земли катодно защищенной подземной конструкции [2] содержащее медносульфатный электрод сравнения, установленный под или на земле, и вспомогательный электрод, попеременно соединяющиеся с регистрирующим прибором. В качестве вспомогательного электрода используется проводящий металлический стержневой зонд, покрытый (кроме острия) слоем изолирующего материала и размещенный вблизи или над катодно защищенной конструкцией. Время подключения вспомогательного электрода к контролируемому сооружению составляет > 5с, а к регистрирующему прибору (время измерения) 0,1-10 мс и обеспечивается генератором импульсов. Подключение осуществляет электронная схема выборки-хранения, содержащая аналоговые ключи, входной операционный усилитель, связанный через цепь аналогового ключа и резистор с неинвертирующим входом выходного усилителя, к которому подключен измерительный конденсатор. A device for measuring the potential relative to the ground of a cathodically protected underground structure [2] containing a copper-sulfate reference electrode mounted below or on the ground, and an auxiliary electrode, alternately connected to the recording device. As an auxiliary electrode, a conductive metal rod probe is used, coated (except for the tip) with a layer of insulating material and placed near or above the cathodically protected structure. The connection time of the auxiliary electrode to the controlled structure is> 5 s, and 0.1-10 ms to the recording device (measurement time) and is provided by the pulse generator. The connection is carried out by an electronic sampling-storage circuit containing analog keys, an input operational amplifier connected through an analog key circuit and a resistor with a non-inverting input of the output amplifier to which the measuring capacitor is connected.

В этом устройстве минимальное время измерений ограничено скоростью разряда измерительного конденсатора в период хранения и составляет 0,1 мс, что не позволяет достигнуть высокой точности измерения. Кроме того, в описанной схеме точность измерения снижается наличием дрейфа напряжения сдвига входного усилителя, а также падением напряжения на аналоговом ключе и резисторе, так как в открытом состоянии ключа его сопротивление составляет десятки Ом. In this device, the minimum measurement time is limited by the discharge rate of the measuring capacitor during storage and is 0.1 ms, which does not allow to achieve high measurement accuracy. In addition, in the described circuit, the accuracy of the measurement is reduced by the presence of a drift in the shear voltage of the input amplifier, as well as by a voltage drop on the analog key and resistor, since in the open state of the key its resistance is tens of ohms.

Целью изобретения является повышение точности измерения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Цель достигается в устройстве для измерения электрохимического потенциала подземных сооружений, содержащем электрод сравнения и связанный с контролируемым сооружением металлический вспомогательный электрод, соединенные с регистрирующим прибором посредством схемы выборки-хранения, подключенной к генератору импульсов и содержащей аналоговый ключ, входной и выходной операционные усилители, а также измерительный конденсатор. The goal is achieved in a device for measuring the electrochemical potential of underground structures, containing a reference electrode and a metal auxiliary electrode connected to the controlled building, connected to the recording device via a sampling-storage circuit connected to a pulse generator and containing an analog key, input and output operational amplifiers, and measuring capacitor.

Отличием от прототипа является, во-первых, выполнение электрода сравнения и вспомогательного электрода в виде зонда, на изолированном металлическом стержне которого размещены изолированно друг от друга две металлические пластины, одна из которых служит электродом сравнения, а другая вспомогательным электродом. Такое выполнение обеспечивает идентичность условий для электродов благодаря сведению к минимуму расстояния между ними, исключая погрешность измерения, обусловленную разностью потенциалов на электродах, наведенную блуждающими токами. The difference from the prototype is, firstly, the implementation of the reference electrode and the auxiliary electrode in the form of a probe, on an insulated metal rod of which two metal plates are placed in isolation from each other, one of which serves as a reference electrode and the other as an auxiliary electrode. This embodiment ensures the identical conditions for the electrodes by minimizing the distance between them, eliminating the measurement error due to the potential difference on the electrodes induced by stray currents.

Применение металлической пластины в качестве электрода сравнения возможно только при выполнении схемы выборки-хранения с очень большим входным сопротивлением и скоростью измерения порядка нескольких микросекунд (10-20). В этом случае протекающий в схеме измерительный ток будет настолько мал по величине и время его прохождения столь мало, что это не вызовет сколь-нибудь заметную поляризацию электрода сравнения. The use of a metal plate as a reference electrode is possible only if the sampling-storage scheme is implemented with a very large input resistance and a measurement speed of the order of several microseconds (10-20). In this case, the measuring current flowing in the circuit will be so small in magnitude and its transit time so short that it will not cause any noticeable polarization of the reference electrode.

Кроме того, портативность выполнения представляет удобство в эксплуатации этого устройства, снижает его стоимость. In addition, the portability of the performance is the ease of use of this device, reduces its cost.

Во-вторых, введение в схему выборки-хранения генератора тока в виде транзистора, база которого подключена к управляющему входу аналогового ключа и через кнопочный выключатель к выходу генератора импульсов, а коллектор к управляющему входу выходного усилителя. Такое включение уменьшает ток разряда измерительного конденсатора в режиме хранения путем увеличения сопротивления входных цепей выходного усилителя, повышает быстродействие схемы в режиме выборки. Secondly, the introduction of a current generator in the form of a transistor into the sample-storage circuit, the base of which is connected to the control input of an analog key and through a push-button switch to the output of the pulse generator, and the collector to the control input of the output amplifier. This inclusion reduces the discharge current of the measuring capacitor in the storage mode by increasing the resistance of the input circuits of the output amplifier, increases the speed of the circuit in the sampling mode.

В-третьих, подключение выхода выходного усилителя к инвертирующему входу первого усилителя через резисторный делитель, компенсирующее напряжение сдвига выходного усилителя и выравнивающее входное и выходное напряжения схемы выборки-хранения вследствие падения напряжения в цепи между выходом первого (входного) усилителя и неинвертирующим входом второго (выходного) усилителя. Thirdly, connecting the output of the output amplifier to the inverting input of the first amplifier through a resistor divider that compensates for the shear voltage of the output amplifier and equalizing the input and output voltages of the sample-storage circuit due to a voltage drop in the circuit between the output of the first (input) amplifier and the non-inverting input of the second (output) ) amplifier.

В-четвертых, включение микроамперметра между контролируемым сооружением и нормально замкнутым аналоговым ключом, связанным с вспомогательным электродом. Это позволяет зафиксировать максимальный ток поляризации, соответствующий завершению поляризации, для определения момента начала измерения, а также контролировать постоянство этой максимальной величины тока в процессе измерения. Fourth, the inclusion of a microammeter between the monitored structure and a normally closed analog switch connected to the auxiliary electrode. This allows you to record the maximum polarization current corresponding to the completion of the polarization, to determine the moment of the beginning of the measurement, as well as to control the constancy of this maximum current during the measurement.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для измерения электрохимического потенциала подземных сооружений. The drawing shows a schematic diagram of the proposed device for measuring the electrochemical potential of underground structures.

Устройство содержит зонд 1, выполненный в виде изолированного металлического стержня, на котором установлены две пластины (электрод 2 сравнения и вспомогательный электрод 3). The device comprises a probe 1, made in the form of an insulated metal rod, on which two plates are installed (reference electrode 2 and an auxiliary electrode 3).

Пластины изолированы друг от друга и от металлического стержня. Обе пластины металлические, выполнены из одного материала (например, легированной стали), находятся в одинаковых условиях и на минимальном расстоянии друг от друга. Следовательно, сопротивление между пластинами незначительно, разность стационарных электрических потенциалов между ними равна нулю. The plates are isolated from each other and from the metal rod. Both metal plates, made of the same material (for example, alloy steel), are in the same conditions and at a minimum distance from each other. Therefore, the resistance between the plates is negligible, the difference in stationary electric potentials between them is equal to zero.

Электрод 2 подключен к общей точке схемы 4 выборки-хранения, в которой имеется аналоговый ключ 5, выполненный, например, в виде микросхемы К 590КН4 и состоящий из нормально замкнутого ключа 6 и нормально открытого ключа 7. Вспомогательный электрод 3 через ключ 6 и микроамперметр 8 связан с контролируемым сооружением 9, а через ключ 7 с неинвертирующим входом операционного усилителя 10. Выход последнего посредством эмиттер-коллекторного перехода транзистора 11, включенного по диодной схеме, соединен с неинвертирующим входом выходного усилителя 12. К этому же входу подключен измерительный конденсатор 13, а между выходом усилителя 10 и общей точкой схемы включена цепь сброса в виде кнопочного выключателя 14. Управляющий вывод усилителя 12 подключен к коллектору транзистора 15 (генератору тока), база которого связана с управляющим входом ключа 5 и через контакты кнопочного выключателя 16 с генератором 17 прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2. Усилители 10 и 12 связаны отрицательной обратной связью через делитель напряжения (резисторы 18, 19). Выход усилителя 12 подключен к регистрирующему прибору 20 (вольтметру). The electrode 2 is connected to a common point of the sample-storage circuit 4, in which there is an analog key 5, made, for example, in the form of a K 590KN4 chip and consisting of a normally closed key 6 and a normally open key 7. Auxiliary electrode 3 through key 6 and microammeter 8 connected to the controlled building 9, and through the key 7 with a non-inverting input of the operational amplifier 10. The output of the latter by means of an emitter-collector junction of the transistor 11 connected by a diode circuit is connected to a non-inverting input of the output amplifier 12. K a measuring capacitor 13 is connected to the same input, and a reset circuit in the form of a button switch 14 is connected between the output of the amplifier 10 and the common point of the circuit 14. The control output of the amplifier 12 is connected to the collector of the transistor 15 (current generator), the base of which is connected to the control input of the key 5 and through the contacts of the push button switch 16 with the generator 17 of rectangular pulses with a duty cycle equal to 2. Amplifiers 10 and 12 are connected by negative feedback through a voltage divider (resistors 18, 19). The output of the amplifier 12 is connected to a recording device 20 (voltmeter).

Для измерения электрохимического потенциала подземного сооружения предлагаемым устройством необходимо зонд 1 заглубить в грунт в непосредственной близости от контролируемого сооружения 9, включить источник питания (на чертеже не показан), нажать выключатель 14 для приведения в исходное состояние схемы 4 (конденсатор 13 должен полностью разрядиться стрелка вольтметра 20 установится в "0"). To measure the electrochemical potential of an underground structure by the proposed device, it is necessary to dig probe 1 into the ground in the immediate vicinity of the controlled structure 9, turn on the power source (not shown in the drawing), press switch 14 to restore circuit 4 to its initial state (capacitor 13 should completely discharge the arrow of the voltmeter 20 will be set to "0").

Вспомогательный электрод 3 поляризуется по цепи контролируемое сооружение 9 микроамперметр 8 нормально замкнутый ключ 6. На микроамперметре 8 наблюдается возрастание тока. По окончании роста тока (завершение поляризации электрода 3) нажать выключатель 16. Импульс с выхода генератора 17, длительность которого определяет время измерения (например, 10-20 мкс), открывает ключ 5 (срабатывает нормально открытый ключ 7) и открывает транзистор 15. Схема 4 работает в режиме выборки. Сигнал с электрода 3 через усилитель 10, транзистор 11 заряжает конденсатор 13. По окончании импульса генератора 17 ключ 5 и транзистор 15 закрываются. На входе усилителя 12 токи малы, ток разряда конденсатора 13 незначителен, так как разряду конденсатора 13 через выходные цепи усилителя 10 препятствует транзистор 11. Схема 4 работает в режиме хранения. Время работы схемы в режиме хранения равно времени работы в режиме выборки (10-20 мкс). Auxiliary electrode 3 is polarized in a circuit controlled structure 9 microammeter 8 normally closed key 6. An increase in current is observed on microammeter 8. At the end of the current growth (completion of the polarization of the electrode 3), press switch 16. The pulse from the output of the generator 17, the duration of which determines the measurement time (for example, 10-20 μs), opens key 5 (normally open key 7 is activated) and opens transistor 15. Scheme 4 works in sampling mode. The signal from the electrode 3 through the amplifier 10, the transistor 11 charges the capacitor 13. At the end of the pulse of the generator 17, the key 5 and the transistor 15 are closed. At the input of the amplifier 12, the currents are small, the discharge current of the capacitor 13 is negligible, since the transistor 11 prevents the discharge of the capacitor 13 through the output circuits of the amplifier 10. The circuit 4 operates in the storage mode. The operating time of the circuit in storage mode is equal to the time in sampling mode (10-20 μs).

Каждый следующий импульс генератора 17 повторит вышеописанный цикл измерения, и каждый раз конденсатор 13 будет подзаряжаться, пока величина напряжения на его обкладках не достигнет величины измеряемого поляризационного потенциала (если это не произошло за время действия первого импульса). Рост напряжения на вольтметре 20 прекратится. Показания вольтметра соответствуют величине измеряемого электрохимического потенциала. Выключатель 13 отпускают. Each subsequent pulse of the generator 17 will repeat the measurement cycle described above, and each time the capacitor 13 will recharge until the voltage on its plates reaches the value of the measured polarization potential (if this did not happen during the first pulse). The voltage increase on the voltmeter 20 will stop. The voltmeter readings correspond to the value of the measured electrochemical potential. The switch 13 is released.

В процессе измерения на микроамперметре 8 постоянно должна отображаться величина максимального тока поляризации. In the process of measurement on the microammeter 8 should constantly display the magnitude of the maximum polarization current.

Claims

A DEVICE FOR MEASURING THE ELECTROCHEMICAL POTENTIAL OF UNDERGROUND STRUCTURES, comprising a reference electrode and a metal auxiliary electrode connected respectively to the first and second inputs of a sampling and storage unit containing two analog switches, input and output operational amplifiers, a measuring capacitor, one output of which is connected to a non-inverting input operational amplifier and through a second analog key - with the output of the input operational amplifier, non-inverting input of which through The first contact of the first analog key is connected to the second sampling and storage unit, to which the movable output of the first contact of the first analog key is disconnected, the fixed output of which is connected to the third input of the unit, designed to connect a controlled underground structure, the second output of the measuring capacitor is connected to the first input of the unit , the output of the output operational amplifier is connected to the output of the unit, which is connected to the input of the recording device, a pulse generator, the output of which It is connected to the control input of the sampling and storage unit, a metal auxiliary electrode is located in the immediate vicinity of the controlled underground structure, characterized in that a switching circuit breaker is included in the output circuit of the pulse generator, a microammeter connected between the third input of the sampling and storage unit and the controlled underground structure moreover, the reference electrode and the metal auxiliary electrode are made in the form of two metal plates placed in isolation of one and another on an insulated metal rod of the probe, and a current generator made on a transistor, the base of which is connected to the control input of the first analog key and the control input of the sample and storage unit, is additionally introduced into the sampling and storage unit, the collector is connected to the control input of the output operational amplifier, and the emitter is connected to the second output of the measuring capacitor, as well as a resistive divider, the first output of which is connected to the inverting input and output of the output operational amplifier, Torah output - to the first input sample and hold unit, an output of the resistive divider connected to the inverting input of operational amplifier input.