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(dòng)脈，在國民經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(diǎn)。目前管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)采用的是人工周期性原位地表測(cè)試陰極保護(hù)電位，測(cè)試周期為1個(gè)月或2個(gè)月。由于是人工測(cè)試，工作強(qiáng)度大，測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性在很大程度上受測(cè)試環(huán)境、測(cè)試者個(gè)人條件等的限制，難于滿足對(duì)陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)的要求。

鑒于以上考慮，有必要采用陰極保護(hù)電位自動(dòng)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電位的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以提高陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，確保油氣管道的長期安全運(yùn)營。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

陰極保護(hù)自動(dòng)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(jì)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

模擬電壓信號(hào)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(cè)量直流電壓直接送到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，若測(cè)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行其他處理。單片機(jī)通過系統(tǒng)總線與存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。手持設(shè)備也通過相同的總線與存儲(chǔ)模塊和時(shí)鐘模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不直接與單片機(jī)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(cè)量電路部分

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

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

外部交直流信號(hào)首先通過二級(jí)RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)將交流信號(hào)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(jī)控制光耦打開跟隨器通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；如果為負(fù)電壓，單片機(jī)控制光耦打開反相器通道進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。二級(jí)RC濾波網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，主要是濾除管道上已知的50 Hz的工頻干擾。直流電壓測(cè)量精度為0.01 V。

1.2 真有效值測(cè)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(cè)信號(hào)VIN輸入端，工作時(shí)，被測(cè)信號(hào)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(cè)量精度0.1 V，測(cè)量速率快、工作頻率范圍寬，可以測(cè)量任意波形的真有效值，設(shè)計(jì)高精度真有效值RMS時(shí)，還應(yīng)考慮被測(cè)電壓的波峰因素Kp（波峰因數(shù)Kp是被測(cè)信號(hào)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(shí)CAV可取 33 μF；在AD736的量程擴(kuò)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(kuò)展電路來實(shí)現(xiàn)交流值的測(cè)量。交流測(cè)量部分采用的是AD736真有效值芯片的擴(kuò)展電路來實(shí)現(xiàn)管道交流0～100 V電壓的測(cè)量。較AD736本身來說，測(cè)量范圍擴(kuò)展，應(yīng)用面也變廣。

1.2.2 AD736典型應(yīng)用：測(cè)量范圍的擴(kuò)展及測(cè)量電路

交流電壓有效值的測(cè)量電路如圖4所示。

圖4 AD736拓寬測(cè)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(jí)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(jìn)行測(cè)量；C5為隔直電容，若C5=0.1 μF，耐壓大于400 V；采用4個(gè)精度為1%的金屬膜電阻實(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)換。后級(jí)是交流電壓有效值的測(cè)量電路[5]。

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換原理：量程的轉(zhuǎn)換是通過電阻分壓實(shí)現(xiàn)的，檔位控制是由單片機(jī)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(cè)量之前，先設(shè)定一個(gè)閾值50 mV。由于交流測(cè)量范圍為0～100 V，而AD736的量程為0～200 mV。交流檔的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)原理通過先將采集到的信號(hào)電壓衰減1 000倍，然后再與閾值進(jìn)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(hào)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(hào)電壓衰減1倍（PD2檔）[6]。

為了提高信號(hào)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(hào)的可靠性，軟件濾波將數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，從而屏蔽掉噪聲和干擾雜波信號(hào)，獲得可用的真實(shí)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(hào)的處理。論文中主要采取了眾數(shù)濾波，因?yàn)楸姅?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(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在控制交流換擋函數(shù)，選擇合適檔位進(jìn)行衰減，在交流測(cè)量部分1.2.2中4個(gè)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(jī)PD2-PD5相應(yīng)為1（初始化均為0），單片機(jī)通過以程序掃描的方式檢測(cè)測(cè)量檔位的子程序不斷檢測(cè)PD2-PD5端口，確定哪一位為高電平則選中對(duì)應(yīng)的檔位。

主程序完成初始化、（時(shí)鐘、看門狗、存儲(chǔ)器、中斷喚醒初始化、I2C初始化、）啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換、檢測(cè)檔位、數(shù)據(jù)顯示，AVR單片機(jī)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(jì)

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(cè)量狀態(tài)。中斷函數(shù)負(fù)責(zé)喚醒掉電狀態(tài)下單片機(jī)的重新啟動(dòng)。中斷服務(wù)函數(shù)中，負(fù)責(zé)模式的自動(dòng)切換。本采集器共有3種工作模式：分模式：每分鐘測(cè)量一次；時(shí)模式：每小時(shí)半點(diǎn)測(cè)量一次，如1:30，2:30，3:30等，以此類推；日模式：每天晚上12點(diǎn)測(cè)量一次。分時(shí)模式設(shè)置加密測(cè)量次數(shù)，測(cè)量完成后切換到日模式下工作。采用存儲(chǔ)器第6，7，8位來判斷分模式和時(shí)模式的測(cè)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(shí)模式的測(cè)量次數(shù)。

當(dāng)PB2引腳下降沿觸發(fā)INT2，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，單片機(jī)將會(huì)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(cè)量模式下 （設(shè)置某模式下測(cè)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(jì)數(shù)值（加密測(cè)量設(shè)定的數(shù)值）是否為零，為零切換到日模式，不為零，計(jì)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(cè)量次數(shù)的模式下測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

圖7 交直流干擾測(cè)量實(shí)驗(yàn)?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(cè)量模型，管地電位信號(hào)采集系統(tǒng)：由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的50 Hz的正弦交流信號(hào)外加直流偏置，信號(hào)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(shí)驗(yàn)電路連接完成后，設(shè)置采集器的工作模式：秒模式（每秒測(cè)量一次），連續(xù)測(cè)量一段時(shí)間，測(cè)量結(jié)束后，將采集器通過USB串口線與PC機(jī)相連，讀取采集器的數(shù)據(jù)，打包成excel文件格式存儲(chǔ)[8]。

3.2 直交流干擾測(cè)量數(shù)據(jù)

論文中開發(fā)的上位機(jī)軟件用于處理從實(shí)驗(yàn)取回?cái)?shù)據(jù)的下位機(jī)數(shù)據(jù)表中讀取的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)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(jìn)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(hào)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(cè)試結(jié)果如圖8（a），交流電壓的測(cè)試結(jié)果如圖 8（b）。

在上圖測(cè)量結(jié)果中，橫坐標(biāo)表示測(cè)量時(shí)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(jì)算得到直流、交流的平均值：VDC=1.9820 V，VAC=7.1050 V；萬用表測(cè)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(duì)比滿足了量程和測(cè)量精度的要求。

4 測(cè)量結(jié)果分析

自動(dòng)電位采集裝置研制的直流電位測(cè)量電路和交流真有效值擴(kuò)展電路，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道交直流干擾的自動(dòng)采集和測(cè)量，通過對(duì)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(dòng)，實(shí)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(cè)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了埋地管道環(huán)境中陰極保護(hù)電位自動(dòng)采集裝置的研制。該裝置應(yīng)用于管道具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）測(cè)得的陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)可靠性高

2）電位測(cè)量過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化

3）對(duì)陰極保護(hù)干擾的日常評(píng)判和監(jiān)測(cè)成為可能

陰極保護(hù)電位自動(dòng)采集系統(tǒng)是重要的獲取管道保護(hù)信息的系統(tǒng)。利用陰極保護(hù)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(hù)自動(dòng)采集的設(shè)計(jì)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(duì)大批數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和方差的計(jì)算，便于對(duì)比分析，再結(jié)合陰極保護(hù)準(zhǔn)則和交流干擾程度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而確定管道的交流干擾程度和管道保護(hù)狀況，這對(duì)管道雜散電流干擾情況研究和腐蝕維護(hù)有重要的指導(dǎo)意義。

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