一种远程原位监测土壤环境及腐蚀性的物联网系统的制作方法

本发明涉及金属土壤腐蚀技术领域，特别是指一种远程原位监测土壤环境及腐蚀性的物联网系统。

背景技术：

土地作为人类社会生存与发展的基础资源，构成了诸多基础设施，如油气管道等的外部环境，可能会对埋地结构物，尤其是金属构件造成腐蚀损伤，进而引起重大的工程事故。因此，关于金属土壤腐蚀的研究历来受到广大学者和工程从业人员的重视。

土壤具有复杂的气/液/固三相结构，其理化性质众多且相互影响。同时，由于油气电“公共走廊”与超、特高压直流输电线路等的大规模建设，土壤中存在大量的交直流干扰，使其对于埋地金属构件的腐蚀性更趋复杂。已有大量的研究致力于探讨土壤的各项理化性质包括交直流干扰与其腐蚀性之间的关系，并在此基础上制定了相关的土壤腐蚀性评价方法，主要有德国din50929标准和美国的ansi21.5标准。前者综合了与土壤腐蚀性有关的12项理化指标，先把土壤各项理化性质指标评分，再根据分值评出土壤腐蚀性。这种方法具有较高的科学性，得到日益广泛地认同。ansi21.5标准采用了类似的评判方法。工程应用中，实现跟踪监测土壤环境数据并依据相关标准对其腐蚀性进行实时评估，对于了解埋地金属构件的腐蚀情况进而保障结构物安全具有重要的实践意义。

以往评估埋地金属构件在工作环境中腐蚀情况多采用现场埋样、周期观察测量的方式。这种方式虽然能够真实地反映不同时间节点构件的腐蚀情况，但无法实现实时监测；同时，在此过程中一般只能采集到有限的环境数据，对其平均水平进行估计，难以全面跟踪环境数据的长期变化；另外，现场埋样需要耗费大量的人力物力。基于此，本发明提供了一套用以远程原位监测土壤腐蚀环境极其腐蚀性的物联网系统，通过获取大量的埋地金属构件现场环境数据，对土壤腐蚀性进行综合评估，同时通过测量电阻探针的变化直观反映金属构件的腐蚀情况。

技术实现要素：

本发明提供一种远程原位监测土壤环境及腐蚀性的物联网系统，解决以往难以全面跟踪土壤环境数据与在线腐蚀监测的问题。

该系统包括环境参数监测装置、土壤腐蚀性监测装置、腐蚀速率监测装置、远程控制装置和野外供电装置，环境参数监测装置、土壤腐蚀性监测装置、腐蚀速率监测装置和野外供电装置经采集卡与远程控制装置通信。

其中，环境参数监测装置用于原位测量土壤温度、湿度，包括温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器埋入土壤中，采集卡通过接线端子与温度传感器和湿度传感器连接，从而测量并缓存数据，再根据指令将数据传输到远程控制装置中。

土壤腐蚀性监测装置用于原位测量土壤电位梯度、结构物对地电位、通过结构物的电流，包括参比电极和电流互感器；其中，土壤电位梯度测量需在埋地结构物附近相互垂直方向上各选取两个点，两点间距均为20m；各点去除表面浮土后埋入参比电极，电极周围需踩实；参比电极在埋入之前需进行校对，校对方法为将二者共同埋入同一地点，测量其电位差；后期计算土壤梯度时需减去相关两参比电极之间的偏差。结构物对地电位测量一端连接结构物，一端连接附近参比电极，参比电极的埋设方法同土壤电位梯度测量，即先去除浮土然后埋入电极，电极周围需踩实。通过结构物的电流采用电流互感器测量，结构物穿过线圈中心。采集卡通过接线端子与结构物、参比电极和电流互感器连接，从而测量并缓存数据，再根据指令将数据传输到远程控制装置中。

腐蚀速率监测装置用于原位测量腐蚀探针电阻，包括测试探针和校准探针，测试探针与校准探针放置与同一地点，采集卡通过接线端子与探针连接，从而测量并缓存数据，再根据指令将数据传输到远程控制装置中。

采集卡主芯片采用arm系列stm32芯片，gprs芯片为sim800l，测量电路自主设计，具有接收上位机指令，按照设定时间和周期采集、缓存并上传土壤温度、湿度、电位梯度、结构物对地电位、通过结构物的电流、腐蚀探针电阻等数据，兼具过载保护、绝缘保护、通信保护、抗干扰、抗腐蚀、自动重连等功能。

远程控制装置包括服务器与控制软件，用于设定、下达指令，接收、显示、存储数据及硬件报警。其中，控制软件自主开发，可在windows7/10操作系统运行。

野外供电装置采用光伏发电系统，用于野外现场对监测装置进行供电。

温度传感器将土壤温度信息转换为电流或电压信号，测量范围-50～80℃，精度±0.2℃；湿度传感器将土壤湿度信息转换为电流或电压信号，测量范围0～100％，精度±5％。

测试探针和校准探针由结构物同种材料制成，一个测试探针和一个校准探针为一组，其中，测试探针直接裸露在环境里面，校准探针由绝缘耐蚀材料包覆，与测试探针置于同一环境。

远程控制装置和采集卡之间通过gprs通信、组网，一台远程控制装置垂直控制多个位于不同地点的采集卡。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该系统能够获取不同时节的土壤环境数据，便于综合评估其腐蚀性；远程、原位的特点避免了现场测试所需人力物力的消耗，提高了经济效益；腐蚀探针阻值的变化能够实时反映服役现场金属构件的腐蚀情况，便于失效预测与寿命评估，实现了对野外土壤环境及其腐蚀性的远程原位监测。

附图说明

图1为本发明的远程原位监测土壤环境及腐蚀性的物联网系统的结构示意图；

图2为图1中数据采集卡与传感器的连接方式与布局示意图；

图3为本发明的远程控制装置土壤腐蚀性质监测软件工作界面。

其中：1-温度传感器；2-湿度传感器；3-参比电极一；4-参比电极二；5-参比电极三；6-参比电极四；7-参比电极五；8-结构物；9-电流互感器；10-测试探针；11-校准探针；12-采集卡；13-光伏发电系统；14-组网。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种远程原位监测土壤环境及腐蚀性的物联网系统。

如图1所示，该系统包括环境参数监测装置、土壤腐蚀性监测装置、腐蚀速率监测装置、远程控制装置和野外供电装置，环境参数监测装置、土壤腐蚀性监测装置、腐蚀速率监测装置和野外供电装置通过gprs无线数据传送与远程控制装置通信。

其中，环境参数监测装置用于原位测量土壤温度、湿度，用以按照设定时间采集、缓存并上传土壤环境的温度与湿度。包括温度传感器1和湿度传感器2，温度传感器1和湿度传感器2埋入土壤中，采集卡12通过接线端子与温度传感器1和湿度传感器2连接，从而测量并缓存数据，再根据指令将数据传输到远程控制装置中。

土壤腐蚀性监测装置用于原位测量土壤电位梯度、结构物对地电位、通过结构物的电流，用以按照设定时间采集、缓存并上土壤电位梯度、结构物对地电位及通过结构物的电流。包括参比电极和电流互感器9，其中，土壤电位梯度测量需在埋地结构物附近相互垂直方向上各选取两个点，两点间距均为20m；各点去除表面浮土后埋入参比电极一3、参比电极二4、参比电极三5、参比电极四6，电极周围需踩实；参比电极在埋入之前需进行校对，校对方法为将二者共同埋入同一地点，测量其电位差；后期计算土壤梯度时需减去相关两参比电极之间的偏差。结构物对地电位测量一端连接结构物8，一端连接附近参比电极五7，参比电极的埋设方法同土壤电位梯度测量，即先去除浮土然后埋入电极，电极周围需踩实。通过结构物的电流采用罗氏线圈微分电流互感器9测量，结构物穿过线圈中心。采集卡12通过接线端子与结构物、参比电极和电流互感器连接，从而测量并缓存数据，再根据指令将数据传输到远程控制装置中。

土壤电位梯度与结构物对地电位测试均采用长效参比电极便于野外长期服役。

土壤电位梯度计算公式：

式中：——直流电位梯度，mv/m；

v1-v2——两点之间的电位差，mv；

l1-l2——两点间距，m。

结构物对地电位即其相对于参比电极的电位差。

测量通过结构物的电流，交流或脉冲信号采用罗氏线圈电流互感器或pearson电流互感器，直流信号采用霍尔传感器。

腐蚀速率监测装置用于原位测量腐蚀探针电阻，用以按照设定时间采集、缓存并上传探针电阻，进而通过阻值变化计算其腐蚀速率。包括测试探针10和校准探针11，测试探针10与校准探针11放置与同一地点，采集卡12通过接线端子与探针连接，从而测量并缓存数据，再根据指令将数据传输到远程控制装置中。

测试探针10和校准探针11由结构物同种材料制成，一个测试探针和一个校准探针为一组，以消除环境因素(主要是温度)带来的偏差。其中，测试探针直接裸露在环境里面，校准探针由绝缘耐蚀材料包覆，与测试探针置于同一环境。

采集卡12可直接测量得到探针阻值，根据测试探针与校对探针阻值之差可确定测试样在该环境下的腐蚀量与腐蚀速率，具体计算过程如下：

式中：rtest——实验探针电阻，ω；

rcali——校正探针电阻，ω；

ρ——材料电阻率，ω·cm；

l——探针长度，mm；

r——探针半径，mm；

δr——腐蚀量，mm。

(注：电阻探针只对均匀腐蚀有效，不适用于发生局部腐蚀的情况。)

上述监测装置的采集卡12具有接收上位机(即远程控制装置)指令，按照设定时间采集、缓存并上传土壤温度、湿度、电位梯度、结构物对地电位、通过结构物的电流、探针电阻等数据，兼具过载保护、绝缘保护、通信保护、抗干扰、抗腐蚀、自动重连等性能。

远程控制装置包括服务器与控制软件，用于设定、下达指令，接收、显示、存储数据及硬件报警。下达指令包括设置采集时长、周期、采样率等。

野外供电装置采用光伏发电系统13，用于野外现场对监测装置进行供电。便于野外安装，兼具环保、节能功效。

温度传感器将土壤温度信息转换为电流或电压信号，测量范围-50～80℃，精度±0.2℃；湿度传感器将土壤湿度信息转换为电流或电压信号，测量范围0～100％，精度±5％。

远程控制装置和采集卡12之间通过gprs通信、组网14，一台远程控制装置垂直控制多个位于不同地点的采集卡。

在具体使用中，监测软件界面如图3所示，使用前，首先联系运营商在上、下位机之间实现gprs通信。

根据野外现场光照情况合理设置太阳能电池板方位，连接并启动。

采集卡按图2所示连接完毕，开启上位机操作软件，系统上电，在配置界面设置网络连接的服务器ip；确认设置正常后，先采用手动模式测试通信和硬件有无异常；若数据显示一切正常则可以转换为自动采集模式。

自动采集可采取两种模式：循环采集和定时采集。其中，循环采集可以设置采集时间、采集时长、采样速率、采集周期，以实现一段时期内的定时采集；定时采集可以自由设置每次采集的时间、时长、采样速度。

采集数据可选择以表格或者图形显示。

采集完毕，保存数据至本地硬盘。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。