胡 俊

（湖北省天然氣發(fā)展有限公司，湖北武漢 436000）

在長距離輸送管道的陰極保護電流檢測中，以集磁環(huán)法為基礎的電流檢測系統(tǒng)是目前最為常用的陰極保護電流檢測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，特根據(jù)陰極保護電流、干擾以及噪聲的具體特性進行了三路高精度、低噪聲的信號調理電路設計，并將相應的數(shù)字信號處理算法合理應用其中。在對相關的檢測數(shù)據(jù)進行處理之后，該系統(tǒng)會將其實時顯示給用戶，以此來實現(xiàn)長距離輸送管道陰極保護電流的實時、精準檢測。因此，在長距離輸送管道陰極保護電流檢測中，相關單位一定要對該系統(tǒng)加以合理設計和應用，以發(fā)揮出其充分的技術優(yōu)勢，滿足陰極保護電流的實際檢測需求。

1 集磁環(huán)法電流檢測的基本原理

在通過集磁環(huán)法進行電流檢測的過程中，主要是將霍爾效應作為基礎，借助于霍爾傳感器來進行長距離輸送管道陰極保護中的電流檢測。通常來講，如果管道中的陰極保護電流強度是I，在與管道之間距離是r的位置上，其磁感應強度B可通過以下公式來進行計算：

在通過該方法進行電流檢測的過程中，其主要的工作原理是將具有變磁場特征的集磁環(huán)設置在長輸管道周圍，集磁環(huán)外徑用R表示，內徑用r表示，沿著管道徑向的寬度用d表示，則有d=R-r，沿著管道軸向的集磁環(huán)厚度用h表示。假設磁環(huán)的半徑平均值是r0，磁感應強度是B，集磁環(huán)中的介質材料所具有的磁導率相對值是μr，介質內部的磁場強度是H，空氣所具有的磁導率接近真空，為μ0，集磁環(huán)開口位置的氣隙磁場強度是H0，且μr的值遠超出μ0的值。磁環(huán)垂直于管道，假設長輸管道陰極保護電流是I，集磁環(huán)開口位置的氣隙寬度是L，則其磁感應強度和電流之間的關系可通過以下公式來進行計算：

因為集磁環(huán)應用材料為軟磁鋼，其磁導率相對值通常可達到幾千甚至是上萬，這與μr的值遠超過1且μr的值遠超過2πr0的標準完全相符，所以可將B近似計算為：

通過式（1）和（3）的對比可以發(fā)現(xiàn)，集磁環(huán)可有效聚集管道周圍的磁場。因此，將霍爾傳感器布設在集磁環(huán)的開口位置，對氣隙磁場進行測量，這樣便可測量出管道陰極保護電流。而在具體應用中發(fā)現(xiàn)，集磁環(huán)自身的材料特征、形狀以及設置的位置都會對其集磁效果產生影響?；诖?，在本次的集磁環(huán)電流檢測系統(tǒng)設計與應用中，所選的霍爾傳感器和集磁環(huán)參數(shù)如表1所示。

表1 本次集磁環(huán)電流檢測系統(tǒng)設計與應用中所選的霍爾傳感器和集磁環(huán)參數(shù)

2 基于集磁環(huán)法的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)應用分析

2.1 系統(tǒng)總體方案分析

在本次所研究的基于集磁環(huán)法的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)中，主要的組成部分包括信號采集電路、電源電路、主控制電路以及液晶顯示系統(tǒng)。其中，信號采集電路的主要組成部分是霍爾傳感器、信號調理電路、前置交流放大電路以及A/D轉換電路；電源電路主要是給各種芯片供電，以此來維持其正常工作；主控制電路屬于內嵌形式的信號處理電路，其主要的組成部分包括DSP處理電路、SD卡儲存電路以及通信電路；液晶顯示系統(tǒng)主要通過ARM內核處理器中的STM3203RCT15來實現(xiàn)單獨控制。

2.2 系統(tǒng)硬件及其應用分析

2.2.1 信號采集電路及其應用分析

在該系統(tǒng)中，前置形式的放大電路應用的是低功耗、低噪聲和高精度形式的儀表放大器，借助于這種放大器，可讓來自霍爾傳感器中的電信號被放大。將一級跟蹤電路加設到儀表放大器后面，便可在整體電路中達到良好的緩沖作用，使前級輸出阻抗中所產生的消耗得以有效降低。因為該系統(tǒng)需要對三種特征不同的信號進行采集，所以其信號調理電路共有三路，通過這三個電路，便可實現(xiàn)不同特征信號的有效提取。

第一路電路可對陰極保護電流信號進行調理，在該電路中，低通濾波電路共有十階，這些電路都是將正反饋形式的二階低通有源濾波器作為基礎，借助于容值和阻值的調整來實現(xiàn)截止頻率的控制，通?？蓪⑵淇刂圃?.1Hz左右，使阻抗衰減被控制在30dB以上，讓交流信號得以有效濾除，并實現(xiàn)有用信號的進一步放大。

第二路電路可對50Hz形式的工頻干擾進行十階帶通調理，該電路主要由兩級形式的二階低通有源濾波以及三級形式的二級低通有源濾波電路組成。其通帶中心頻率是50Hz。借助于該電路，可以將低于30Hz和超過80kHz的頻率衰減控制在15dB及以上。

第三路電路可對雜散噪聲進行調理，它會對直流信號和工頻干擾之外的所有噪聲信號進行采集，這些信號先從隔直電容中通過，再從UAF42型有源濾波芯片所組成的八階50Hz陷波電路通過。在此過程中，USF42輔助運放會將高通濾波器與低通濾波器中的輸出值相加，這樣便可實現(xiàn)陷波器的有效獲得。

在獲得了三路調理電路中的輸出信號和相應的參考電壓信號之后，模數(shù)轉換電路會將其輸入AD7734形式的A/D高精度轉換芯片中進行模數(shù)轉換。在完成模數(shù)轉換之后，再將轉換好的數(shù)字信號輸入DSP處理器。

2.2.2 主控制電路及其應用分析

在該電流檢測系統(tǒng)中，主控制電路不僅可對整體系統(tǒng)的正常運行進行控制，同時也可以借助于相應的算法來進行數(shù)據(jù)的處理。在主控制電路中，其主芯片應用的是TI企業(yè)研發(fā)的TNS320F28355型DSP處理器，借助于該處理器，可對采集到的信號進行數(shù)字化處理，同時也可以借助于USART串口通信將相應的數(shù)據(jù)從主控制芯片傳輸?shù)絇C端以及液晶顯示系統(tǒng)，讓采集到的頻域波形以及時域波形得以實時顯示。在此過程中，主控制電路也可以將數(shù)據(jù)儲存到SD卡中，以此來為后續(xù)的相關數(shù)據(jù)分析和處理提供足夠便利。

2.2.3 液晶顯示電路及其應用分析

按照具體的設計要求，該系統(tǒng)中應用的液晶顯示器為HS240128-1型。因為液晶顯示器具有較大的電量消耗，所以其電路板為單獨控制形式，且具有獨立的供電電源。在該液晶顯示屏中，主控制芯片應用的是ST企業(yè)研發(fā)的STM32F103RCT16型ARM32位內核處理器。借助于該處理器中自帶的TXD以及RXD串行接口，便可對來自DSP28335中需要進行顯示的數(shù)據(jù)進行接收，并使其達到實時顯示的效果。

2.3 信號處理算法及其應用分析

在該電流檢測系統(tǒng)中，雖然可借助于相應的硬件信號調理電路將所需信號頻率之外的信號濾除掉，以實現(xiàn)信噪比的最大化提升，但是通帶內部依然很可能有其他形式的雜波或者是噪聲信號存在。因此，為實現(xiàn)所需信號幅值的精準提取，在該系統(tǒng)的具體設計及其應用過程中，還需要借助于相應的軟件算法來實現(xiàn)通帶內部雜波和噪聲信號的進一步濾除，進而實現(xiàn)純凈信號的獲取。

基于此，在通過該系統(tǒng)進行50Hz工頻干擾信號的提取過程中，需要在其上截止頻率以及下截止頻率之間進行DFT交換處理，以此來實現(xiàn)信號頻譜圖的科學獲取。然后在通帶內部對最大的頻譜圖值進行搜索，以此來實現(xiàn)工頻干擾信號幅值的精準提取。在該系統(tǒng)的具體應用中，DFT變換可通過以下公式來加以表示：

在以上公式中，Xc(fck)是頻域信號；fck是與頻域信號相對應的數(shù)字頻率；x(n)是將直流分量去除之后的原始信號；n是時域信號采樣點的具體編號；k所代表的是頻域信號采樣點的具體編號；N所代表的是時域信號的總采樣點數(shù)；M是頻域信號的總采樣點數(shù)。

而在對時域信號進行計算時，其主要的計算公式如下：

在以上公式中，是時域信號所具有的頻率；所代表的是時域信號所具有的幅值；|Xc(fck)|max是幅值最大情況下的頻域信號所具有的幅值；fck-max是幅值最大條件下頻域信號所具有的數(shù)字頻率。在對雜散形式的噪聲信號進行提取時，可對通過第三路電路所采集到的信號x(n)進行FFT求解，這樣便可實現(xiàn)XN（k）的準確獲得。其公式如下：

其中是最大幅值；

然后便可通過以下公式對其功率譜密度進行求解：

2.4 系統(tǒng)調試和相關分析

在對本次所研究的基于集磁環(huán)法的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)進行調試時，主要方法是通過該系統(tǒng)進行陰極保護電流檢測測試，以此來實現(xiàn)其應用性能的科學檢驗。通過檢驗發(fā)現(xiàn)，在通過該系統(tǒng)進行長距離輸送管道陰極保護電流檢測的過程中，其三條信號調理電路的具體調試結果如表2所示。

表2 該系統(tǒng)測試中的三條信號調理電路具體調試結果

由此可見，該系統(tǒng)中的調理電路與系統(tǒng)的設計及其實際應用需求完全相符。

2.5 實驗結果和相關分析

為進一步確保該電流檢測系統(tǒng)的應用效果，本次研究中，特將該系統(tǒng)應用到了實驗室中的管道電流檢測模擬實驗裝置中，將不同電流融入集磁環(huán)中心法線方向上的導線里，并分別借助于該系統(tǒng)以及高精度萬用表來進行電流測量。具體的測量結果對比情況如表3所示。

表3 本次系統(tǒng)實驗中所獲得的測量結果對比情況

通過上述的實驗數(shù)據(jù)與誤差分析可知，在通過該系統(tǒng)進行長距離輸送管道陰極保護電流檢測的過程中，其檢測結果和高精度萬用電表所獲得的檢測結果之間的誤差不超過10mA。由此可見，該系統(tǒng)對于陰極保護電流具有非常高的檢測精度。將該系統(tǒng)合理應用到長距離輸送管道的陰極保護電流檢測中，便可發(fā)揮出良好的檢測效果，以此來實現(xiàn)陰極保護電流及其防腐效果的良好檢測，盡最大限度確保長距離輸送管道的良好運行。

3 結束語

在對水、油、氣等的長距離輸送管道進行質量與安全管理的過程中，防腐保護與防腐檢測是一項關鍵內容。尤其是對于陰極保護形式的長距離輸送管道，相關單位更應該通過合理的技術措施來做好陰極保護電流檢測工作，以此來有效確定其保護情況，及時發(fā)現(xiàn)相應的問題，并使其得到及時處理。在此過程中，基于集磁環(huán)法的長距離輸送管道陰極保護電流檢測系統(tǒng)便可發(fā)揮出良好的檢測作用。基于此，一定要加強該系統(tǒng)的應用研究，明確集磁環(huán)法的主要應用原理，并將其合理應用到該系統(tǒng)中，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的科學設計與應用。這對于長距離輸送管道運行效果的保障、水、油、氣等的良好供應以及社會經(jīng)濟的發(fā)展都將起到非常積極的促進 作用。