自動電位采集裝置的研制與在管道上的應(yīng)用

曹瑞英，薛致遠(yuǎn)，雙 凱，王明波，田小杰

（1.中國石油大學(xué)（北京）北京 102249；2.中國石油管道研究中心 河北 廊坊 065099；3.中國石油西南管道公司 四川 成都 610041）

管道作為輸送石油、天然氣的主動脈，在國民經(jīng)濟和安全生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。隨著我國能源工業(yè)、電力工業(yè)和電氣化鐵路運輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，埋地鋼質(zhì)管道受交流雜散電流干擾破壞的問題已成為國內(nèi)外研究的熱點。目前管道陰極保護監(jiān)測采用的是人工周期性原位地表測試陰極保護電位，測試周期為1個月或2個月。由于是人工測試，工作強度大，測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性在很大程度上受測試環(huán)境、測試者個人條件等的限制，難于滿足對陰極保護電位監(jiān)測的要求。

鑒于以上考慮，有必要采用陰極保護電位自動采集系統(tǒng)實現(xiàn)陰極保護電位的自動化監(jiān)測，以提高陰極保護系統(tǒng)運行的可靠性，確保油氣管道的長期安全運營。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理

陰極保護自動電位采集系統(tǒng)用于采集埋地管道的通電電位和交流干擾電位。依據(jù)指標(biāo)設(shè)計的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

模擬電壓信號經(jīng)過隔離電路以后，經(jīng)過檔位選擇切換到不同的衰減倍數(shù)電路，若測量直流電壓直接送到單片機的A/D轉(zhuǎn)換電路進行A/D轉(zhuǎn)換，若測量交流電壓有效值經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器之后送A/D轉(zhuǎn)換電路進行A/D轉(zhuǎn)換，然后單片機對數(shù)據(jù)進行其他處理。單片機通過系統(tǒng)總線與存儲模塊、時鐘模塊進行數(shù)據(jù)交換。手持設(shè)備也通過相同的總線與存儲模塊和時鐘模塊進行數(shù)據(jù)交換，而不直接與單片機主控模塊發(fā)生聯(lián)系[1]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The system hardware structure chart

1.1 直流測量電路部分

直流電壓測量的是管道的通電電位。通電電位適用于施加陰極保護電流時，管道對土壤電位的測量。直流電壓測量模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 直流電壓測量模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 The module structure DC voltage measurement

外部交直流信號首先通過二級RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)將交流信號衰減，由過零比較器判斷直流電壓的正負(fù)，如果為正電壓，單片機控制光耦打開跟隨器通道進行AD轉(zhuǎn)換；如果為負(fù)電壓，單片機控制光耦打開反相器通道進行AD轉(zhuǎn)換。二級RC濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，主要是濾除管道上已知的50 Hz的工頻干擾。直流電壓測量精度為0.01 V。

1.2 真有效值測量電路

1.2.1 AD736內(nèi)部框圖及工作原理

圖3 AD736的內(nèi)部框圖Fig.3 The Internal block diagram of AD736

AD736主要有輸入放大器、全波整流器、偏置電路、有效值單元（RMS單元）、輸出放大器等組成。偏置電路的作用是為芯片內(nèi)部各單元電路提供合適的偏置電壓。芯片的2腳為被測信號VIN輸入端，工作時，被測信號電壓加到輸入放大器的同相輸入端，而輸出電壓經(jīng)全波整流后送到RMS單元并將其轉(zhuǎn)換成代表真有效值的直流電壓，然后再通過輸出放大器的Vo端輸出[2]。AD736滿量程為200mVRMS，測量精度0.1 V，測量速率快、工作頻率范圍寬，可以測量任意波形的真有效值，設(shè)計高精度真有效值RMS時，還應(yīng)考慮被測電壓的波峰因素Kp（波峰因數(shù)Kp是被測信號的峰值與真有效值之比）的影響，應(yīng)選擇合適的CAV。常見的正弦波、方波、三角波和鋸齒波的Kp≤2，此時CAV可取 33 μF；在AD736的量程擴展電路中CAV取值33 μF[3-4]。但考慮到量程200 mVRMS的限制，本論文研究中采用其組成的擴展電路來實現(xiàn)交流值的測量。交流測量部分采用的是AD736真有效值芯片的擴展電路來實現(xiàn)管道交流0～100 V電壓的測量。較AD736本身來說，測量范圍擴展，應(yīng)用面也變廣。

1.2.2 AD736典型應(yīng)用：測量范圍的擴展及測量電路

交流電壓有效值的測量電路如圖4所示。

圖4 AD736拓寬測量范圍電路Fig.4 The circuit of widening AD736 measurement range

該電路由兩部分組成，前級是量程轉(zhuǎn)換電路，用于根據(jù)不同的電壓值，衰減不同倍數(shù)后再進行測量；C5為隔直電容，若C5=0.1 μF，耐壓大于400 V；采用4個精度為1%的金屬膜電阻實現(xiàn)輸入電壓的1 000倍、100倍、10倍、1倍衰減；采用光耦繼電器G3VM352C控制量程的自動轉(zhuǎn)換。后級是交流電壓有效值的測量電路[5]。

量程自動轉(zhuǎn)換原理：量程的轉(zhuǎn)換是通過電阻分壓實現(xiàn)的，檔位控制是由單片機的PD2、PD3、PD4、PD5來控制1、10、100、1 000的衰減倍數(shù)選擇。在真有效值測量之前，先設(shè)定一個閾值50 mV。由于交流測量范圍為0～100 V，而AD736的量程為0～200 mV。交流檔的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)原理通過先將采集到的信號電壓衰減1 000倍，然后再與閾值進行比較，大于閾值電壓則停止衰減通過AD轉(zhuǎn)換輸出顯示；小于則將信號電壓衰減100倍（PD4檔），然后再與閾值電壓比較，大于輸出顯示，小于閾值則衰減檔位為10倍（PD3檔）；若衰減后仍小于閾值則將信號電壓衰減1倍（PD2檔）[6]。

為了提高信號的可靠性，降低干擾。以上每一步衰減并讀取AD轉(zhuǎn)換的值之后，都采取了數(shù)字軟件濾波的方式來提高信號的可靠性，軟件濾波將數(shù)據(jù)進行適當(dāng)處理，從而屏蔽掉噪聲和干擾雜波信號，獲得可用的真實數(shù)據(jù)的一種方法，也可以說是通過程序處理的方式完成數(shù)據(jù)采集信號的處理。論文中主要采取了眾數(shù)濾波，因為眾數(shù)濾波就是采用出現(xiàn)最多次數(shù)的值作為AD轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。

2 軟件程序設(shè)計

軟件程序設(shè)計的關(guān)鍵在控制交流換擋函數(shù)，選擇合適檔位進行衰減，在交流測量部分1.2.2中4個檔位PD2、PD3、PD4、PD5分別來控制不同的量程選擇，當(dāng)檔位開關(guān)到相應(yīng)位置，則單片機PD2-PD5相應(yīng)為1（初始化均為0），單片機通過以程序掃描的方式檢測測量檔位的子程序不斷檢測PD2-PD5端口，確定哪一位為高電平則選中對應(yīng)的檔位。

主程序完成初始化、（時鐘、看門狗、存儲器、中斷喚醒初始化、I2C初始化、）啟動AD轉(zhuǎn)換、檢測檔位、數(shù)據(jù)顯示，AVR單片機的外中斷INT2工作在邊沿觸發(fā)方式。用于將MCU從掉電模式中喚醒[7]。

2.1 主程序設(shè)計

軟件系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The flow chart of main program

2.2 外部中斷服務(wù)程序

數(shù)據(jù)采集器的工作狀態(tài)分為兩種，一種為休眠狀態(tài)，一種為測量狀態(tài)。中斷函數(shù)負(fù)責(zé)喚醒掉電狀態(tài)下單片機的重新啟動。中斷服務(wù)函數(shù)中，負(fù)責(zé)模式的自動切換。本采集器共有3種工作模式：分模式：每分鐘測量一次；時模式：每小時半點測量一次，如1:30，2:30，3:30等，以此類推；日模式：每天晚上12點測量一次。分時模式設(shè)置加密測量次數(shù)，測量完成后切換到日模式下工作。采用存儲器第6，7，8位來判斷分模式和時模式的測量次數(shù)，便攜式數(shù)據(jù)表通過更改此三位的內(nèi)容，可以控制數(shù)據(jù)采集器的分模式或者時模式的測量次數(shù)。

當(dāng)PB2引腳下降沿觸發(fā)INT2，產(chǎn)生中斷請求，單片機將會響應(yīng)中斷執(zhí)行中斷服務(wù)。當(dāng)設(shè)置采集模式在加密測量模式下 （設(shè)置某模式下測量次數(shù)），外部中斷主要完成模式的切換：判斷是否工作在日模式，是的話，再判斷是否處于異常模式；不是日模式的情況下，判斷計數(shù)值（加密測量設(shè)定的數(shù)值）是否為零，為零切換到日模式，不為零，計數(shù)值減一，再判斷是否處于異常模式，不是的情況下繼續(xù)在設(shè)定測量次數(shù)的模式下測量，是異常模式切換到日模式。流程圖如6所示。

圖6 中斷程序流程圖Fig.6 The flow chart of Interrupt program

3 模擬環(huán)境下實驗數(shù)據(jù)測量

3.1 實驗?zāi)Ｐ?/h3>

圖7 交直流干擾測量實驗?zāi)Ｐ虵ig.7 The experiment measurement model of AC and DC interference

如圖7所示：為模擬管道交直流測量模型，管地電位信號采集系統(tǒng)：由信號發(fā)生器產(chǎn)生的50 Hz的正弦交流信號外加直流偏置，信號發(fā)生器為管道交直流干擾提供干擾源，通過功率放大器輸出連接到石墨電極，數(shù)據(jù)采集器的正負(fù)極分別接管道和參比電極（CSE硫酸銅參比電極）。當(dāng)外部實驗電路連接完成后，設(shè)置采集器的工作模式：秒模式（每秒測量一次），連續(xù)測量一段時間，測量結(jié)束后，將采集器通過USB串口線與PC機相連，讀取采集器的數(shù)據(jù)，打包成excel文件格式存儲[8]。

3.2 直交流干擾測量數(shù)據(jù)

論文中開發(fā)的上位機軟件用于處理從實驗取回數(shù)據(jù)的下位機數(shù)據(jù)表中讀取的數(shù)據(jù)，并對其進行相應(yīng)的處理，主要包括如下功能：

*讀取數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)；

*將讀取到得數(shù)據(jù)進行分析保存至數(shù)據(jù)庫；

*將數(shù)據(jù)保存成excel文件；

設(shè)定信號發(fā)生器輸出頻率為50 Hz，幅度為10 V，偏置1 V的波形，直流電壓的測試結(jié)果如圖8（a），交流電壓的測試結(jié)果如圖 8（b）。

在上圖測量結(jié)果中，橫坐標(biāo)表示測量時間以秒為單位，縱坐標(biāo)表示交直流的幅值，單位是V。通過計算得到直流、交流的平均值：VDC=1.9820 V，VAC=7.1050 V；萬用表測試結(jié)果：直流 VDC′=1.9875 V，交流 VAC′=7.149 V；直流誤差，交流誤差；通過對比滿足了量程和測量精度的要求。

4 測量結(jié)果分析

自動電位采集裝置研制的直流電位測量電路和交流真有效值擴展電路，通過實驗測量，該電路實現(xiàn)了對管道交直流干擾的自動采集和測量，通過對數(shù)據(jù)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)基本在合理的范圍內(nèi)波動，實現(xiàn)了預(yù)先規(guī)定的交流精度0.1 V和直流精度0.01 V和量程的要求，誤差控制在合理的范圍之內(nèi)。

圖8 交直流測試數(shù)據(jù)圖Fig.8 AC and DC test data chart

5 結(jié) 論

本文通過合理的設(shè)計，實現(xiàn)了埋地管道環(huán)境中陰極保護電位自動采集裝置的研制。該裝置應(yīng)用于管道具有如下優(yōu)點：

1）測得的陰極保護電位數(shù)據(jù)可靠性高

2）電位測量過程實現(xiàn)自動化

3）對陰極保護干擾的日常評判和監(jiān)測成為可能

陰極保護電位自動采集系統(tǒng)是重要的獲取管道保護信息的系統(tǒng)。利用陰極保護電位采集系統(tǒng)采集的直流電位、交流電位，數(shù)據(jù)表明，該裝置能夠滿足埋地鋼制管道下陰極保護自動采集的設(shè)計要求，并可利用軟件將得到的數(shù)據(jù)以曲線圖形的形式呈現(xiàn)出來；還可以對大批數(shù)據(jù)進行均值和方差的計算，便于對比分析，再結(jié)合陰極保護準(zhǔn)則和交流干擾程度的評價準(zhǔn)則對測量的數(shù)據(jù)進行分析，進而確定管道的交流干擾程度和管道保護狀況，這對管道雜散電流干擾情況研究和腐蝕維護有重要的指導(dǎo)意義。

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