监测阴极保护测试桩中杂散电流干扰的装置的制作方法

本实用新型涉及一种管道防腐技术，尤其是一种借助于GPRS网络和 GPS授时、定位系统的监测阴极保护测试桩中杂散电流干扰的装置。

背景技术：

钢制石油管道是石油化工行业油品输送必不可少的容器设施，但在运行过程中，经常会遭受内、外环境介质的腐蚀，从而埋下安全隐患。阴极保护技术是一种防止或抑制被保护金属构筑物发生电化学腐蚀的技术。通过对被保护的金属施加一定的阴极电流，使被保护金属的电位负于某一电位值，使其上的阳极反应得到抑制，从而使金属的腐蚀得到控制。

在管道的腐蚀事故中，由于阴极保护不到位，导致管道出现腐蚀泄露的情况非常多。一旦这些管道出现泄露，将造成严重的安全事故。但是，目前国内一些公司的阴极保护系统处于无人管理、系统闲置状态，阴极保护系统仅在安装初期做过测试与维护，当后期阴极保护系统失效时，业主并不能立即知晓管道及储罐现场情况，缺乏系统化监控管理及补救措施。再有，安装了阴极保护系统之后，基本上采取人工巡查，人工记录与维护等人为监控检测手段作业形式，对于阴极保护系统使用过程中因时因地、随着地理环境、运作年限、设备老化等隐性变化导致的保护效能下降，数据虚假、缺失等现象既无法及时发现，更不能及时纠正处理。

除此之外，我们知道，在土壤中会存在杂散电流，且这种在土壤中的杂散电流会通过管道某一部位进入管道，在管道中移动一段距离后再从管道中离开回到土壤中，这些电流离开管道的地方就会发生腐蚀，以此形成了管道中的杂散电流腐蚀，目前国内采用的阴极保护系统中对此都没有相应的保护措施。

综上所述表明：国内在石油化工的地下管线中虽然采用了阴极保护技术，然而，由于技术本身存在着众多不完善的地方，管道及储罐的业主无法及时知晓阴极保护的真实现状，在管理和实际运行中也无法对运行中的保护系统进行实时的监控和调整，且没有针对杂散电流做相应的措施，存在极大的安全隐患。

因此，如何解决输油管线阴极保护系统中存在的问题，寻求更为可靠的阴极保护系统成为本领域技术人员应该努力解决的一大课题。

本实用新型的目的：旨在提出一种全新的可实现对埋设于地下、用于监测阴极保护测试桩中杂散电流干扰的装置。

技术实现要素：

这种监测阴极保护测试桩中杂散电流干扰的装置，包括测试桩和设置在测试桩内的杂散电流干扰的装置，所述测试桩包括：测试桩包括：桩帽，标志桩，安放于标志桩内部的杂散电流监测装置、接地线以及分别与杂散电流监测装置连接的参比电极、极化探头以及地下管道；所述地下管道与第一极化试片电连接，第二极化试片设置于所述地下管道附近，所述测试桩通过所述极化探头探测所述第一极化试片、所述第二极化试片与所述地下管道相对于所述参比电极间的电位值；

所述杂散电流监测装置中包括：测试桩中央处理器、数据采集模块、电源模块、GPS模块、GPRS模块、震荡电路、以及看门狗电路；所述数据采集模块、电源模块、GPS模块、GPRS模块以及震荡电路分别与测试桩中央处理器电连接；

所述数据采集模块中包括：用于采集杂散电流的霍尔电流传感器、将采集到的杂散电流进行放大的运放电路、将放大后的杂散电流转换为电压真有效值的真有效值转换电路以及将所述电压真有效值转换为数字信号的模拟数字转换器，所述霍尔电流传感器分别与参比电极和地下管道连接，所述运放电路与霍尔电流传感器连接，真有效值转换电路与运放电路连接，模拟数字转换器分别与真有效值转换电路和测试桩中央处理器电连接。

在所述数据采集模块中，采用型号为HBC-AS5的霍尔电流传感器采集杂散电流，所述霍尔电流传感器的信号输入端分别与极化探头和地下管道连接、信号输出端与运放电路连接。

在所述数据采集模块中，所述运放电路中包括一运算放大器、隔直电容以及接地电阻，其中:

所述隔直电容的两端分别与运算放大器的正输入端及霍尔电流传感器的信号输出端连接，接地电阻的两端分别与运算放大器的负输入端和地连接，运算放大器的输出端分别与负输入端连接和真有效值转换电路的信号输入端连接。

在所述数据采集模块中，所述真有效值转换电路中采用型号为AD637的单片真有效值转换器将经运放电路放大后的杂散电流转换为电压真有效值。

所述数据采集模块中还包括：

分别与所述极化探头、参比电极以及地下管道连接，用于抑制地下管道中瞬态尖峰脉冲、同时将输入的模拟信号经过分压调整至所述数据采集模块可采集的范围内的防护电路与所述防护电路连接，用于滤除输入模拟信号中的交流干扰信号低通滤波电路；

与所述低通滤波器和测试桩中央处理器电连接，用于将经过所述低通滤波器的输入模拟信号转换为数字信号、同时将所述数字信号发送至所述测试桩中央处理器中进行处理的模拟数字转换器；

与所述模拟数字转换器连接，用于为所述模拟数字转换器提供基准电压的·；

分别与所述极化探头、地下管道和测试桩中央处理器电连接，用于控制所述第一极化试片和所述地下管道之间的连接线通断的继电器。

所述数据采集模块中包括三路防护电路及分别与所述三路防护电路连接的三路低通滤波电路，其中：

第一路防护电路分别与第一路低通滤波电路、参比电极以及第二极化试片电连接；

第二路防护电路分别与第二路低通滤波电路、参比电极以及地下管道电连接；

第三路防护电路分别与第三路低通滤波电路、参比电极以及第一极化试片电连接；

第一路低通滤波电路、第二路低通滤波电路以及第三路低通滤波电路分别与模拟数字转换器电连接；

所述继电器的四个接口分别与第一极化试片、地下管道以及测试桩中央处理器的对应接口电连接。

所述三路防护电路中分别包括压敏电阻D5、放电管DS1、自恢复保险丝 F1、瞬态抑制二极管D6、共模抑制电感CL1、第一电容C、第二电容C12、第一分压电阻R23以及第二分压电阻R22；其中：压敏电阻D5和放电管DS1 并连连接，且正极与模拟信号的正输入端连接、负极与参比电极(14)端连接，所述自恢复保险丝F1的第一端与所述模拟信号的正输入端连接，第二端与所述瞬态抑制二极管的负极连接，所述瞬态抑制二极管的正极接所述模拟信号的负输入端连接，所述第一电容并联在所述瞬态抑制二极管D6的两端；所述共模抑制电感CL1的第一端和第二端分别与所述瞬态抑制二极管D6的负极和正极连接；所述第二电容C12并联连接在所述共模抑制电感的第三端和第四端；所述第一分压电阻R23和所述第二分压电阻R22串联连接，且所述串联连接的第一分压电阻R23和所述第二分压电阻R22并联连接在所述第二电容C12的两端，所述第二分压电阻R22两端的电压信号作为经过所述防护电路的输出。

所述电源模块中包括：用于给所述杂散电流监测装置供电的锂电池、用于将所述锂电池输入的电压转换为3.3V的第一电源电路、用于将所述锂电池输入的电压转换为5V的第二电源电路以及第一电源控制电路和第二电源控制电路，其中：

所述第一电源电路分别与锂电池、继电器、第一电源控制电路以及测试桩中央处理器电连接，所述第一电源控制电路与GPS模块连接，所述第二电源控制电路分别与锂电池和第二电源电路电连接，所述第二电源电路分别与 GPRS模块、模拟数字转换器以及基准电压源电连接。

根据以上技术方案提出的这种监测阴极保护测试桩中杂散电流干扰的装置，具有以下优点：

在该杂散电流监测装置中，通过一霍尔电流传感器采集土壤中的杂散电流，并将采集到的杂散电流经由运放电路放大后将其转换为电压真有效值，后转换为相应的数字量进入测试桩中央处理器中进行处理，以此实现对土壤中杂散电流的实时监测，为阴极保护系统提供数据依据，提高阴极保护系统的可靠性，以便根据监测到的数据及时采集相应的措施。

附图说明

图1为本实用新型采用的测试桩的结构示意图；

图2为本实用新型的杂散电流监测装置的原理图；

图3为本实用新型的霍尔电流传感器电路图；

图4为本实用新型运放电路图；

图5为本实用新型真有效值转换电路；

图6为本实用新型防护电路图；

图7为本实用新型低通滤波电路图；

图8为本实用新型模拟数字转换器电路图；

图9为本实用新型基准电压源电路图；

图10为本实用新型3.3V电源电路图；

图11为本实用新型5V电源电路图；

图12为本实用新型电源控制电路图；

图13为本实用新型继电器控制电路图；

图14为本实用新型GPRS模块电路图；

图15为本实用新型看门狗电路图。

图中：1-测试桩 2-地下管道 9-桩帽 10-标志桩 11-杂散电流监测装置 12-接地线 13-极化探头 14-参比电极 17-数据采集模块 18-基准电压源 19-模拟数字转换器 20-测试桩中央处理器 21-GPS模块 22-GPRS模块 23-震荡电路 24-看门狗电路26-电源模块 27-继电器。

具体实施方式

以下结合说明书附图进一步阐述本发明，并给出本实用新型的实施例。

本实用新型提供了一种监测阴极保护测试桩中杂散电流干扰的装置，如图1所示，测试桩1，包括：桩帽9、标志桩10、安放于标志桩10内部的杂散电流监测装置11、接地线12以及分别与杂散电流监测装置11连接的参比电极14、极化探头13及地下管道2；地下管道2与第一极化试片电连接，第二极化试片设置于地下管道2附近，测试桩1通过极化探头13探测第一极化试片、第二极化试片与地下管道2相对于参比电极14间的电位值。

如图2所示，杂散电流监测装置11中包括：测试桩中央处理器20、数据采集模块17、为杂散电流监测装置11供电的电源模块26、GPS模块21、实现与外部通信的GPRS模块22、震荡电路23以及看门狗电路2624，其中，数据采集模块17、电源模块26、GPS模块21、GPRS模块22以及震荡电路 23分别与测试桩中央处理器20连接。

进一步来说，数据采集模块17中包括：用于采集杂散电流的霍尔电流传感器、将采集到的杂散电流进行放大的运放电路、将放大后的杂散电流转换为电压真有效值的真有效值转换电路以及将电压真有效值转换为数字信号的模拟数字转换器19，霍尔电流传感器分别与参比电极和地下管道连接，运放电路与霍尔电流传感器连接，真有效值转换电路与运放电路连接，模拟数字转换器19分别与真有效值转换电路和测试桩中央处理器20连接。

其中，在数据采集模块17中，采用型号为HBC-AS5的霍尔电流传感器 U3采集杂散电流，其根据霍尔效应原理，能够在电隔离的条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，且使用+5V直流供电。参见图3，该霍尔电流传感器U3的正信号输入端IN+和负信号输入端IN-分别与参比 REF和地下管道连接A+、信号输出端VO与运放电路连接，将采样杂散电流信号转换成电压信号ACI后输出到运放电路。

参见图4，运放电路中包括一运算放大器U2、隔直电容C4以及接地电阻R6，其中，隔直电容C4的两端分别与运算放大器U2的正输入端及霍尔电流传感器U3的信号输出端连接，接地电阻R6的两端分别与运算放大器 U2的负输入端和地连接，运算放大器U2的输出端分别与负输入端连接和真有效值转换电路的信号输入端连接。具体，杂散电流信号经过霍尔电流传感器U3转换成电压信号后，经过隔直电容C4进入运算放大器U2中进行处理，最后输出ACI_IN到真有效值转换电路。在一个具体实施例中，运放电路由 OP1177AR型号的运算放大器组成等比例放大电路，且隔直电容C4的容量为 0.1μF(微法)，接地电阻的阻值为20K(千欧姆)。

参见图5，真有效值转换电路中采用型号为AD637的单片真有效值转换器将经运放电路放大后的杂散电流转换为电压真有效值。具体，AD637是一款高准确度的单片真有效值转换器，当输入电压有效值0-2V时，最大非线性误差≤0.22％，其能计算任何复杂波形的真有效值、平方值、均方值、绝对值，并有分贝输出，量程为60dB。AD637外围电路设计中使用滑动变阻器 RC1/RC2可以进行零点调节和对输出真有效值的校准。

另外，本实用新型采用的型号为STM32L073RZT6的高性能低功耗的单片机作为测试桩中央处理器20的电路图，其正常工作模式时需要3.3V的供电电压，待机工作模式时功耗为0.43uA，掉电模式功耗为0.1uA，且本发明选用的处理芯片从待机状态到唤醒时间不超过3.5us。当然，在本发明中还可以选用其他型号的低功耗中央处理器20，譬如：PIC、STM8L、C8051系列低功耗单片机(如STM8L101F2、PICC72、C8051F等)。

进一步参见图2，在数据采集模块17中还包括：

分别与极化探头、参比电极以及地下管道连接，用于抑制地下管道中瞬态尖峰脉冲、同时将输入的模拟信号经过分压调整至数据采集模块17可采集的范围内的防护电路；

与防护电路连接，用于滤除输入模拟信号中的交流干扰信号低通滤波电路；

与低通滤波器和测试桩中央处理器20连接，用于将经过低通滤波器的输入模拟信号转换为数字信号、同时将数字信号发送至测试桩中央处理器20 中进行处理的模拟数字转换器19；

与模拟数字转换器19连接，用于为模拟数字转换器19提供基准电压的基准电压源18；

分别与极化探头、地下管道和测试桩中央处理器20连接，用于控制第一极化试片和地下管道之间的连接线通断的继电器27。

其中，该数据采集模块17中包括三路防护电路及分别与三路防护电路连接的三路低通滤波电路，其中：第一路防护电路(图示中的防护电路1)分别与第一路低通滤波电路(图示中的低通滤波电路1)、参比电极及第二极化试片(图示中的极化试片2)电连接；第二路防护电路(图示中的防护电路2) 分别与第二路低通滤波电路(图示中的低通滤波电路2)、参比电极及地下管道电连接；第三路防护电路(图示中的防护电路3)分别与第三路低通滤波电路(图示中的低通滤波电路3)，参比电极及第一极化试片(图示中的极化试片1)电连接；三路低通滤波电路分别与模拟数字转换器19电连接；继电器27的四个接口分别与第一极化试片、地下管道及测试桩中央处理器20的对应接口电连接。

图6为本发明中杂散电流监测装置的三个防护电路图，包括压敏电阻D5、放电管DS1、自恢复保险丝F1、瞬态抑制二极管D6、共模抑制电感CL1、第一电容C、第二电容C12、第一分压电阻R23以及第二分压电阻R22，其中，压敏电阻D5和放电管DS1并连连接，且正极与模拟信号的正输入端(图示中A+端)连接、负极与参比电极端(图示中的REF端)连接；自恢复保险丝F1的第一端与模拟信号的正输入端(图示中A+端)连接，第二端与瞬态抑制二极管D6的负极连接，瞬态抑制二极管D6的正极接负输入端(图示中AGND端)，第一电容C并联在瞬态抑制二极管D6的两端；共模抑制电感CL1的第一端和第二端分别与瞬态抑制二极管D6的负极和正极连接；第二电容C12并联连接在共模抑制电感CL1的第三端和第四端；第一分压电阻 R23和第二分压电阻R22串联连接，且串联连接的第一分压电阻R23和第二分压电阻R22并联连接在第二电容的两端，第二分压电阻R22两端的电压信号作为经过预防护处理的输出。具体地，在实际应用中，三路防护电路的模拟信号的正输入端(图示中的A+端)分别接第二极化试片、管道以及第一极化试片，负输入端(AGND)皆接参比电极端。在一个具体实施例中，压敏电阻D5的型号为07D220K，放电管DS1的型号为CG75MS，自恢复保险丝 F1的型号为TRF250-120，瞬态抑制二极管D6的型号为SMBJCA，第一电容 C和第二电容C12的型号为GRM31BR72J102KW01L；共模抑制电感CL1为电感量为4.7mH型号为50475C的电感器，第一分压电阻R23的阻值为10M，第二分压电阻R22的阻值为2M。在本技术方案中，输入模拟信号经过了压敏电阻、放电管、自恢复保险丝、瞬态抑制二极管和共模抑制电感的预处理之后进入由第一分压电阻和第二分压电阻组成的分压电路中，将信号调整至模拟数字转换器19可采样的范围；同时本发明提供的防护电路还能保护测试桩设备免受雷电过电压、操作过电压、工频瞬态过电压冲击而损坏。

图7为杂散电流监测装置的低通滤波电路图，具体为巴特沃斯二阶低通滤波器或切比雪夫低通滤波器。在具体实施例中，采用是巴特沃斯二阶低通滤波器，用于滤除输入模拟信号中的交流干扰信号，低通滤波电路的输入端与防护电路中第二分压电阻的输出连接。当然，在本发明中，还可以使用别种型号的低通滤波器，只要其能实现本发明的目的，都包括在本发明的内容中。

图8为杂散电流监测装置的模拟数字转换器电路图；模拟数字转换器19 型号为AD7799，它是24位三路差分模拟输入Σ-△型数模转换器，这种型号的模拟数字转换器19适合高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内部集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号，具体地，均方根噪声最小为27nV，典型功耗为380μA。具体地，在实际应用中，低通滤波电路的输出端分别与图示中模拟输入端AIN1+和AIN1-端或AIN2+和AIN2- 端或AIN3+和AIN3-端连接。

此外，模拟数字转换器19采用REF191型号的精密带隙基准电压源18，如图9所示，其精度高达到2mv，温度系数5Pppm，功耗低于45μA。具体地，AD_REF基准电压由电源芯片REF191ESZ转换而成，为模拟数字转换器19提供稳定精确的基准电压，即当输入模拟信号经过防护电路和低通滤波电路处理之后，模拟数字转换器19即将其转换为数字信号，最后将数字信号输入测试桩中央处理器20中进行处理。在实际应用中模拟数字转换器19也可以选用ADS1296、ADS131E06等24位高精度模数转换器来替代。

电源模块26中包括：用于给杂散电流监测装置供电的锂电池、用于将锂电池输入的电压转换为3.3V的第一电源电路(参见图10)、用于将锂电池输入的电压转换为5V的第二电源电路(参见图11)以及第一电源控制电路和第二电源控制电路(参见图12)，其中，第一电源电路分别与锂电池、继电器27、第一电源控制电路以及测试桩中央处理器20电连接，第一电源控制电路与GPS模块21连接，第二电源控制电路分别与锂电池和第二电源电路电连接，第二电源电路分别与GPRS模块22、模拟数字转换器19以及基准电压源18电连接。具体，第一电源电路(图2中3.3V电源电路)采用型号为MAX884ESA的电源模块26得出3.3V供电，用于测试桩中央处理及GPS 模块21、串口转换芯片、看门狗电路26等供电。第二电源电路(图2中5V 电源电路)采用型号为WR2050S-1WR2的电源模块26，将电池供电经过隔离后输出稳定的+5V和-5V电压。电源控制电路(上述第一电源控制电路和第二电源控制电路)为采用双N和P沟道MOSFET组成的型号为IRF7309 的控制芯片，可实现GPS模块21、GPRS模块22、模拟数字转换器、基准电压源18等的通断，具体地，当这些耗电量较大的芯片在不需要电源供电情况下的完全关断，以达到降低功耗的目的。

参见图13，继电器27的型号为G6S-2F-3V，用于实现地下管道2和第一极化试片之间的连接线的接通和断开。

GPS模块21为UBLOX或M8729GPS芯片，或由UM220-Ⅲ北斗和GPS 双模芯片组成。具体地，在本技术方案中采用UBLOX高精度GPS授时芯片，通过卫星实现对沿地下管道2分布的测试桩的定位和精准的授时，且本技术方案采用的GPS授时芯片搜星速度快，灵敏度高，授时精度高，可达10ns。当然，在本技术中不限于上述芯片，还可以选用台湾长天M8729等其他型号的GPS芯片或UM220-III北斗和GPS双模芯片等只要其其能实现本发明的目的，都可以包括在本发明的内容中。

参加图14，GPRS模块22为3G GPRS DTU模块，实现信息的无线传输至阴极保护监控中心的主服务器中，包括采集数据的上传和指令的接收。本发明采用的GPRS模块22，宽电压供电，支持掉线自动连接，支持呼叫唤醒功能，支持数据加密协议。在具体实施例中，采用振鸿伟业的3G GPRS DTU 模块实现功能，其宽电压供电、支持掉线自动连接、支持呼叫唤醒功能以及支持数据加密协议。当然亦可采用其他型号的GPRS/CDMA DTU模块，本模块采用RS232和单片机进行串口通信，所以需将单片机串口的TTL电平转换成RS232电平，转换芯片采用MAX3232ESE，3.3V供电。

参见图15，看门狗电路26主芯片的型号为MCP13-29，可在遇到程序跑飞或电压突降时实现测试桩中央处理器20复位的目的，且可以保护测试桩中央处理器20免于在低压运行情况下而造成的损坏。

以上仅是对本实用新型提出的技术方案的的具体实施例进行了详细描述，但本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该系统进行的等同修改和替代也都在本技术方案的范畴之中。因此，在不脱离实用新型的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。