专利名称：牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到牺牲阳极阴极保护系统中使用的测试桩改进，属于电化学领域。
背景技术：
阴极保护也称为电化学保护。它的工作原理是利用外界的电源提供电子，使得被保护介质中的金属结构避免腐蚀。阴极保护分为外加电流保护和牺牲阳极保护两种。测试桩是阴极保护工程中不可缺少的配套设施。
测试桩的作用是监测显示阴极保护系统中被保护的金属结构的保护电位(或保护电流)，从而得到被保护金属结构的保护参数信息。1999年1月，胡士信主编并由化学工业出版社出版的《阴极保护手册》，对于测试桩构造、类型和使用范围进行了详细说明。测试桩主要用于地下管道管理维修，可检测管道电位、电流、交流干扰和绝缘性能。测试桩壳体由水泥、钢管、玻璃钢或者塑料制作。测试桩设有铭牌，可以提供桩的里程位置、功能及管理者信息。优点是阴极保护系统投产后，设置测试桩可以提供地下管道的阴极保护信息。不足的是，牺牲阳极阴极保护测试桩只设置了供测量仪器在测量时接线用的接线端子，没有固定的仪器来显示被保护金属结构的保护参数信息。
外加电流阴极保护的方法大多利用了工业电网电源，经过整流提供电流实施阴极保护。外加电流保护中测试桩(站)的仪器直接显示了保护电位、保护电流和输出电压等(根据要求选定)被保护金属结构的信息参数。正是因为在外加电流保护测试桩(站)的仪器中，由于使用了这个工业电网的电源，才实现了测量目的。而在牺牲阳极阴极保护系统中，也可以借用这种外加电流阴极保护设备测量的成熟技术方法，但是主要问题在于，阴极保护技术的实施，在有工业电网的地区，使用外加电流阴极保护，在没有业电网的地区，只能使用牺牲阳极阴极保护。牺牲阳极阴极保护系统的特点是用于荒漠野外，远离市电，测试桩没有外电源驱动仪表，因此，测量仪器的电源供给是个难点。
所以现有技术采用的做法是，在进行日常管理维护巡检时，由技术人员携带测量保护参数信息的仪器、开启测试桩的工具和打磨端子的工具材料；测量前要打开测试桩小门，对端子进行打磨；再连接仪器进行测量；测量完后还要恢复原状。这种方法主要不足在于①技术人员巡检时需要携带测量金属结构的保护参数信息的仪器；②技术人员巡检时需要带开启测试桩的工具，要进行开箱，对锈蚀的端子的部分打磨，用仪器表笔接触端子进行连接，测量数据，进行记录，最后关箱、恢复原状，操作起来比较麻烦；③由于用仪器表笔接触端子进行连接时存在接触点，容易产生较大的测量误差。
发明内容
本实用新型的目的和任务为了克服现有技术存在的①技术人员巡检时需要携带必要的仪器设备和工具；②技术人员巡检时操作麻烦；③接触点易产生测量误差的不足，并提供一种巡检时不必携带仪器设备和工具，操作简单不产生接触点测量误差的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，特提出本实用新型的技术解决方案。
本实用新型的基本思路是根据外加电流阴极保护设备测量仪器原理和优点，保留并改进了测试桩的测量仪器，使其直接显示被保护金属结构的参数信息特征；在无法使用工业电网电源条件下，利用了牺牲阳极阴极保护系统中，在土壤等介质中产生电位差，而该电位差经过偶合能够生成腐蚀电流的特点，经过电压变换器将这种腐蚀电流变换成为测量仪器使用的直流5V电源。
本实用新型所设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，其系统包括牺牲阳极[2]、参考电极[3]、被保护的阴极[4]、各个电极至测试桩的连接电缆[5]和由测试桩壳体[6]、接线板[10]及设置在接线板上的阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]、参考电极接线端子[9]所构成的测试桩[1]。其特征在于在测试桩[1]的壳体[6]内，设有与接线板[10]上的阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]和参考电极接线端子[9]相连通，并安装有与工作开关电路[23]相连接的检测按钮[13]和带有显示板[11]的测量仪器[12]；测量仪器[12]所使用的电源，是由牺牲阳极[2]和被保护的阴极[4]之间，在介质中偶合产生的腐蚀电流通过接线端子[7]和[8]提供。
本实用新型的进一步特征在于安装有检测按钮[13]和显示板[11]的测量仪器[12]，是由阻抗变换电路[21]、数字电压表电路[22]、工作开关电路[23]和电源变换电路[24]构成，其中，工作开关电路[23]的输出端[37]与电源变换电路[24]的输入端[36]相连接，而它的输出端[35]分别以5V直流电压与阻抗变换电路[21]的电源端[40]和数字电压表电路[22]的电源端[34]相连接，阻抗变换电路[21]的输出端[32]与数字电压表电路[22]的输入端[33]相连接；测量仪器[12]的工作开关电路[23]负输入端[39]与阴极接线端子[7]相连接，工作开关电路[23]的正输入端[38]与阳极接线端子[8]相连接，而测量仪器[12]的阻抗变换电路[21]输入端[31]与参考电极接线端子[9]相连接，按下检测按钮[13]后，工作开关电路[23]导通，腐蚀电流驱动测量仪器[12]，在显示板[11]上显示出被保护金属结构的保护参数信息。
本实用新型所设计的自供电式测试桩，当工作开关电路[23]处于断开时，腐蚀电流不流经测量仪器[12]，因此测量仪器[12]不工作，而牺牲阳极阴极保护系统处于通常的工作状态；当按下测试桩壳体[6]上的检测按钮[13]时，工作开关电路[23]处于接通，经过电源变换电路[24]的变换，输出了仪器需求的5V直流电压，测量仪器[12]处于检测状态。
测试桩[1]中接线板[10]上的参考电极接线端子[9]连接到阻抗变换电路[21]的输入端[31]，经过具有高阻抗输入特性的阻抗变换[21]电路阻抗变换后，使得具有高阻抗输入特性的阻抗变换[21]电路与参考电极[9]阻抗相匹配，以提高测量的精确性，然后，阻抗变换[21]的输出端[32]连接到数字电压表电路[22]的信号输入端[33]，在数字电压表电路[22]的显示板[11]上，显示出被保护金属结构的保护参数信息。
本实用新型设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，利用了牺牲阳极阴极保护系统，自己能够产生电的原理；利用埋地金属结构和比它自然电位更低的金属(称为牺牲阳极)在介质中产生的电位差；该电位差经过外导线的连接，偶合生成腐蚀电流，结果腐蚀了(牺牲了)那种电位更低的金属，保护了埋地金属结构。
本实用新型设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩利用以上原理，设计了由阻抗变换电路[21]、数字电压表电路[22]、工作开关电路[23]、电源变换电路[24]和电路连接共同组成了测量仪器[12]。完成对保护电位和保护电流的测量显示。腐蚀电流输出到电源变换电路[24]输入端，经过电源变换电路输出了5V直流电压。5V直流电压再送到阻抗变换电路[21]和数字电压表电路[22]的电源输入端[40]和[34]，为这两部分电路提供的电能。
牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，巧妙地利用了牺牲阳极阴极保护系统，其本身具有电能的工作原理，从而解决了在无工业电网电源条件下，采用牺牲阳极阴极保护的系统中，被保护金属结构的保护参数信息的测量仪器的电源问题。
本实用新型的主要优点是①可以在牺牲阳极有效期内不需要进行保养修理，巡检时不必携带仪器设备，开启测试桩的工具，进行开箱、连接导线和关箱工作，只需要按动按钮，即可直接读取被保护金属结构的保护参数信息；②因为不存在用仪器表笔接触端子进行连接，所以不会产生接触引起的测量误差；③由于利用了牺牲阳极保护原有设施发出腐蚀电流提供测量仪表电源，所以经济适用，节省时间95％，减少劳动强度。
以下结合附图，进一步说明本实用新型的细节。
本实用新型共设5幅附图。
图1是本实用新型所设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩正视剖面结构示意图；图2是本实用新型所设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩的外形结构示意图；图3是本实用新型所设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩的电路原理框图示意图；图4是牺牲阳极阴极保护系统整体结构示意图；图5是现有技术牺牲阳极阴极保护系统中使用的测试桩正视剖面结构示意图。
分别说明如下；图1是本实用新型所设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩正视剖面结构示意图图中显示，测试桩是由壳体[6]、设在壳体内的接线板[10]和带有数字显示板[11]和检测按钮[13]构成的测量仪器[12]。测量仪器[12]的电源和输入端，是通过连接电缆[5]分别连接到阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]和参考电极接线端子[9]上。
图2是本实用新型设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩的外型立体结构示意图图中显示，测试桩壳体[6]的外形是方拄形结构，连接电缆[5]从壳体[6]内引出，壳体[6]正面设有显示板窗口[15]和检测按钮[13]，按下检测按钮[13]后，便可透过显示板窗口[15]，在显示板上看见所显示的结果。
图3是本实用新型所设计的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩的电路原理框图示意图图中黑圆点符号分别表示的是，阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]和参考电极接线端子[9]；而用方框表示的分别是，阻抗变换电路[21]、数字电压表电路[22]、工作开关电路[23]和电源变换电路[24]；图中，实线箭头表示腐蚀电流或经过变换成为测量仪器电源，并且向仪器供电的方向；虚线箭头表示腐蚀数据信号传输方向，最后在数字电压表电路[22]的显示板[11]上，显示出牺牲阳极阴极保护系统中被保护金属结构的保护参数信息。
测量仪器[12]供电方向沿实线箭头的流程进行牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩是利用了腐蚀电流，该腐蚀电流由各个电极至测试桩的电缆线，引到阴极接线端子[7]和阳极接线端子[8]。阴极接线端子[7]接到工作开关电路[23]的负输入端[39]阳极接线端子[8]接到工作开关电路[23]的正输入端[38]，当需求测量时，工作人员按下检测按钮[13]，此时便接通工作开关电路[23]，腐蚀电流从工作开关电路[23]的输出端[37]，输出到电源变换电路[24]的输入端[36]，经过电源变换电路[24]的变换输出了仪器需求的5V直流电压，电源变换电路[24]输出端[35]，连接到阻抗变换[21]电路电源端[40]和数字电压表电路[22]的电源端[34]。5V直流电压为其该两部分电路提供的电能。
腐蚀数据传输方向是按虚线箭头的流程进行测试桩中接线板上的参考电极接线端子[9]，连接到阻抗变换电路[21]的输入端[31]，经过具有高阻抗输入特性的阻抗变换电路[21]阻抗变换后，具有高阻抗输入特性的阻抗变换电路[21]就与参考电极[9]阻抗相匹配了，因此就具有了高的测量精确性，然后，阻抗变换[21]的输出端[32]连接到数字电压表电路[22]的信号输入端[33]，在数字电压表电路[22]的显示板[11]，就显示出被保护金属结构的保护参数信息。
阻抗变换电路[21]、数字电压表电路[22]、工作开关电路[23]和电源变换电路[24]共同组成了测量仪器[12]，通过腐蚀电流的供电，完成被保护金属结构的保护参数信息测量显示。
图4是牺牲阳极阴极保护系统整体结构示意图图中显示，埋设在地面[14]以下的牺牲阳极[2]和被保护的阴极[4]相隔一定距离，参考电极[3]紧靠保护的阴极[4]，它们通过各自的连接电缆[5]分别与测试桩[1]内的接线板上的三个端子相连，测试桩[1]的上半截处于地面之上，而测试桩[1]的下半截处于地面之下。
图5是牺牲阳极阴极保护系统中现有技术采用的测试桩正视剖面结构示意图图中显示各个电极通过连接电缆线[5]，与测试桩壳体[6]内的接线板[10]上的阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]和参考电极接线端子[9]相连接。这3个接线端子[7]、[8]、[9]在测量被保护金属结构的保护参数信息时，必须将测量仪器的表笔连接到其3个接线端子上，才能测量使用。
具体实施方式
特别适合野外牺牲阳极阴极保护配套使用。
大连市1997年引碧入连的直径2米自来水输水管道牺牲阳极阴极保护工程，在全长83公里的野外，设立了20多座牺牲阳极阴极保护测试桩，巡检管道的工作人员要每周2次巡检。要携带测量被保护金属结构的保护参数信息的仪器和开启测试桩的工具和打磨端子的工具材料，每到一座测试桩处，工作人员测量前使用工具打开测试桩小门，对端子进行逐个地打磨，再连接仪器的表笔到各个端子，进行测量，测量完后还要恢复原状。然后记录数据，结果还可能出现测量误差，这个过程需要约20分钟。为了解决这一问题，采用本实用新型所提出的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，具体如下测试桩[1]具体外形尺寸为长0.26米、宽0.26米、高1.5米，壳体壁厚0.02米，地下部分0.5米，不设检测小门。内部设有接线板[10]和带有显示板[11]和检测按钮[13]的测量仪器[12]。测量仪器[12]的电源和输入端连接到阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]和参考电极接线端子[9]上。检测按钮[13]在测试桩[1]的表面可以触摸到，显示板[11]的显示信息，可在测试桩[1]外面透过显示板窗口[15]的强化玻璃上清楚看到。
其测量步骤可分三步第一步，按下检测按钮[13]，向测量仪器[12]供电；第二步，看显示板[11]的显示读数、记录；第三步，松开检测按钮[13]，测量结束。这个过程只需要大约1分钟。
其内部工作过程是第一步，按下检测按钮[13]时，工作开关电路[23]接通，腐蚀电流从工作开关电路输出端[37]输出到电源变换电路[24]的输入端[36]，经过电源变换电路[24]的变换输出了仪器需求的5V直流电压，电源变换电路[24]输出端[35]连接到阻抗变换电路[21]电源端[40]和数字电压表电路[22]电源端[34]。5V直流电压为其阻抗变换电路[21]和数字电压表电路[22]分电路提供的电能；第二步，数字显示和记录，腐蚀数据传输通过测试桩[1]中接线板[10]上的参考电极接线端子[9]连接到阻抗变换电路[21]的输入端[31]，经过具有高阻抗输入特性的阻抗变换电路[21]阻抗变换后，具有高阻抗输入特性的阻抗变换电路[21]就与参考电极[9]阻抗相匹配了，因此就具有了高的测量精确性，然后，阻抗变换电路[21]的输出端[32]连接到数字电压表电路[22]信号输入端[33]，在数字电压表电路[22]显示板[11]上，显示出被保护金属结构的保护参数信息，并记录；第三步，断开检测按钮[13]，测量仪器停止工作，测量结束。
结果分析①测量所需时间，以前是20分钟，现在是1分钟，仅仅是原来的5％；②原来需要携带测量金属结构的保护参数信息的仪器和开启测试桩的工具，现在不必携带，减轻了技术人员体力劳动；③过去要使用工具进行开箱，对锈蚀的端子的部分打磨，用仪器表笔接触端子进行连接，测量数据，进行记录，最后关箱、恢复原状，操作起来比较麻烦，现在只需要按下检测按钮[13]，看显示板[11]的显示读数、记录，松开检测按钮[13]，简化了操作；④过去用仪器表笔接触端子进行连接，现在接触点已经在内部焊牢，消除了测量的接触误差；⑤过去测试桩[1]内部不设测量仪器[12]，现在设置了测量仪器[12]。这样有望为将来进行无人巡检打下基础，更有发展前途。
权利要求1.牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，系统包括牺牲阳极[2]、参考电极[3]、被保护的阴极[4]、连接电缆[5]和由测试桩壳体[6]、阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]、参考电极接线端子[9]及接线板[10]构成的测试桩[1]，其特征在于a)测试桩[1]的壳体[6]内，设有与接线板[10]上的阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]和参考电极接线端子[9]相连通，并安装有与工作开关电路[23]相连接的检测按钮[13]和显示板[11]的测量仪器[12]；b)测量仪器[12]所使用的电源，是由牺牲阳极[2]和被保护的阴极[4]之间，在介质中偶合产生的腐蚀电流通过接线端子[7]和[8]提供。
2.根据权利要求1所述的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，其特征在于安装有检测按钮[13]和显示板[11]的测量仪器[12]，该测量仪器是由阻抗变换电路[21]、数字电压表电路[22]、工作开关电路[23]和电源变换电路[24]所构成，其中，工作开关电路[23]输出端[37]与电源变换电路[24]的输入端[36]相连接，电源变换电路[24]输出端[35]，分别以5V直流电压与阻抗变换电路[21]的电源端[40]和数字电压表电路[22]的电源端[34]相连接，阻抗变换电路[21]的输出端[32]与数字电压表电路[22]的信号输入端[33]相连接。
3.根据权利要求1或2所述的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，其特征在于，测量仪器[12]的工作开关电路[23]的负输入端[39]与阴极接线端子[7]相连接，工作开关电路[23]的正输入端[38]与阳极接线端子[8]相连接，而测量仪器[12]的阻抗变换电路[21]的输入端[31]与参考电极接线端子[9]相连接，按下检测按钮[13]，工作开关电路[23]导通，腐蚀电流向测量仪器[12]供电。
专利摘要电化学领域中的牺牲阳极阴极保护系统中使用的自供电式测试桩，系统包括牺牲阳极[2]、参考电极[3]、被保护的阴极[4]、连接电缆[5]和由壳体[6]、阴极接线端子[7]、阳极接线端子[8]、参考电极接线端子[9]及接线板[10]构成的测试桩[1]，特征在接线板[10]上，安装带有检测按钮[13]和显示板[11]的测量仪器[12]；测量仪器[12]与接线板[10]上的接线端子[7]、[8]、[9]相连接；其电源由腐蚀电流提供。优点在牺牲阳极有效期内不需要保养修理；巡检人员不必携带仪器设备，工具和导线，不会产生接触测量误差；利用腐蚀电流提供测量仪表电源，省时间95％，减轻劳动强度，经济适用，为实现自动巡检打下基础。
文档编号G01R19/00GK2720449SQ200420070538
公开日2005年8月24日 申请日期2004年9月3日 优先权日2004年9月3日
发明者任厚珉 申请人:大连理工大学