一种阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的检测装置的制作方法

本实用新型涉及阴极保护技术，尤其涉及一种用于检测阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的装置。

背景技术：

阴极保护是石油、石化行业油品运输中保护埋设于地下的钢质石油管道，有效抑制腐蚀的重要手段。在管道的腐蚀事故中，由于阴极保护不到位，导致地下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。在实际运行过程中，正确的维护对于保护效果的好坏起着至关重要的作用，因而用于监测阴极保护参数的测试桩成为了管道维护中必不可少的设备。

目前，虽然使用测试桩检测管道中的阴极保护参数较为普遍，如，在外国的一些公司采用阴极保护有线监控，其将数据并入SCADA系统(数据采集与监控系统)。当然，也有采用部分无线远程监控与检测的阴极保护系统，但是在这些应用系统中，仍然存在以下问题：

高压直流输电系统主要通过架空线和海底电缆长距离地输送电能，为了提高输送功率和接地极的运行效率，直流输电一般采用双极线路。高压直流输电系统接地极对金属管道安全运行的主要影响为腐蚀。接地极产生的强大电流通过地下管道防腐层破损处或排流装置进入地下管道后，将沿着地下管道传送至阴极保护系统，导致阴极保护系统不能正常运行，甚至造成恒电位仪损坏。

因此，监测高压直流输电干扰显得尤为重要，而目前大多数阴极保护测试桩并没有相应的监控装置。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的：旨在提供一种阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的检测装置，能够实现对阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的实时监控。

本实用新型提供的一种阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的检测装置，包括：处理器、所述处理器的输入端与模拟数字转换器的输出端电连接，所述模拟数字转换器的输入端分别与第一二阶低通滤波电路、第二二阶低通滤波电路、第三二阶低通滤波电路的输出端电连接；所述第一二阶低通滤波电路的输入端与第一防护电路的输出端电连接，所述第一防护电路的输入端分别接第一极化试片、参比电极；所述第二二阶低通滤波电路的输入端与第二防护电路的输出端电连接，所述第二防护电路的输入端分别接地下管道、参比电极；所述第三二阶低通滤波电路的输入端与第三防护电路的输出端电连接，所述第三防护电路的输入端分别接第二极化试片、参比电极；所述第一极化试片与所述地下管道电连接，所述第二极化试片设置在所述地下管道附近；所述处理器的输入端还通过电源控制模块与继电器的输出端电连接，所述继电器的输入端分别接所述地下管道、第一极化试片；所述处理器的输入端还与光耦开关模块的输出端电连接，所述光耦开关模块的输入端接所述地下管道、参比电极。

进一步，所述光耦开关模块包括：二级滤波电路和光耦开关，所述二级滤波电路的输入端分别接所述地下管道、参比电极，所述二级滤波电路的输出端与所述光耦开关的输入端电连接，所述光耦开关的输出端与所述处理器的输入端电连接。

进一步，所述电源控制模块包括：锂电池、第一电源电路、第二电源电路、第一电源控制电路和第二电源控制电路，所述锂电池的输出端分别与所述第一电源电路、第二电源控制电路的输入端电连接；所述第一电源电路的输出端与所述第一电源控制电路的输入端电连接，所述第二电源控制电路的输出端与所述第二电源电路的输入端电连接；所述第一电源电路的输出端还与微处理器电的输入端连接。

进一步，所述电源控制模块还包括：基准电压源，所述基准电压源的输入端与所述第二电源电路的输出端电连接，所述基准电压源的输出端与所述模拟数字转换器的电源输入端电连接。

进一步，还包括：通信模块，所述通信模块包括GPS模块、GPRS模块，所述GPS模块、GPRS模块分别与所述处理器通信连接。

进一步，还包括：电平转换电路，所述GPRS模块上的RS232通信接口通过所述电平转换电路与所述处理器通信连接。

进一步，还包括：震荡电路和看门狗电路，所述震荡电路、看门狗电路分别与所述处理器电连接。

根据以上技术方案提出的这种阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的检测装置，至少具有以下优点：

1.在本实用新型中，通过光耦开关模块采集高压直流输电干扰信号，当地下管道中存在高压直流输电干扰信号时，可立即唤醒处理器，为管理者提供实时可靠的高压直流输电干扰信息，以提醒管理者是否需要对高压直流输电干扰产生的影响采取必要的措施，从而减少高压直流输电干扰的危害。

2.在本实用新型中，通过继电器控制第一极化试片和地下管道之间的连接线的通断，准确地实现断电电位的测量，有效地消除IR降和杂散电流的干扰，将其作为计算地下管道保护率的数值准确、无误差；

3.在本实用新型中，通过电源控制电路控制GPS模块，GPRS模块，模拟数字转换器，以及基准电压源中供电的通断，使得本实用新型提供的智能测控器具有自动唤醒功能，完成测量任务后自动进入休眠状态，节省电能；正常情况下可使用3年。

附图说明

图1为本实用新型中阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的检测装置的电路原理框图；

图2为本实用新型中处理器的电路图；

图3为本实用新型中防护电路的电路图；

图4为本实用新型中二阶低通滤波电路的电路图；

图5为本实用新型中光耦开关模块电路的电路图；

图6为本实用新型中模拟数字转换器电路的电路图；

图7为本实用新型中第一电源电路的电路图；

图8为本实用新型中第二电源电路的电路图；

图9为本实用新型中第一、二电源控制电路的电路图；

图10为本实用新型中基准电压源电路的电路图；

图11为本实用新型中电平转换电路的电路图；

图12为本实用新型中看门狗电路图；

图13为本实用新型中继电器的电路图。

图中：

11-第一防护电路 12-第二防护电路 13-第三防护电路

21-第一二阶低通滤波电路 22-第二二阶低通滤波电路

23-第三二阶低通滤波电路

30-模拟数字转换器 40-处理器 51-二级滤波电路

52-光耦开关 60-继电器 71-锂电池

72-第一电源电路 73-第二电源控制电路 74-第一电源控制电路

75-第二电源电路 76-基准电压源 81-GPS模块

82-GPRS模块 91-看门狗电路 92-震荡电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型进行具体的描述。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图提出具有同等功能的电路结构附图。

如图1所示，一种阴极保护测试桩中高压直流输电干扰的检测装置，包括处理器40、所述处理器40的输入端与模拟数字转换器30的输出端电连接，所述模拟数字转换器30的输入端分别与第一二阶低通滤波电路21、第二二阶低通滤波电路22、第三二阶低通滤波电路23的输出端电连接；所述第一二阶低通滤波电路21的输入端与第一防护电路11的输出端电连接，所述第一防护电路11的输入端分别接第一极化试片、参比电极；所述第二二阶低通滤波电路22的输入端与第二防护电路12的输出端电连接，所述第二防护电路12的输入端分别接地下管道、参比电极；所述第三二阶低通滤波电路23的输入端与第三防护电路13的输出端电连接，所述第三防护电路13的输入端分别接第二极化试片、参比电极；所述第一极化试片与所述地下管道电连接，所述第二极化试片设置在所述地下管道附近；所述处理器40的输入端还通过电源控制模块与继电器60的输出端电连接，所述继电器60的输入端分别接所述地下管道、第一极化试片；所述处理器40的输入端还与光耦开关52模块的输出端电连接，所述光耦开关52模块的输入端接所述地下管道、参比电极。

进一步，所述光耦开关52模块包括：二级滤波电路51和光耦开关52，所述二级滤波电路51的输入端分别接所述地下管道、参比电极，所述二级滤波电路51的输出端与所述光耦开关52的输入端电连接，所述光耦开关52的输出端与所述处理器40的输入端电连接。

进一步，所述电源控制模块包括：锂电池71、第一电源电路72、第二电源电路75、第一电源控制电路74和第二电源控制电路73，所述锂电池71的输出端分别与所述第一电源电路72、第二电源控制电路的输入端电连接；所述第一电源电路72的输出端与所述第一电源控制电路74的输入端电连接，所述第二电源控制电路73的输出端与所述第二电源电路75的输入端电连接；所述第一电源电路72的输出端还与微处理器40电的输入端连接。

进一步，所述电源控制模块还包括：基准电压源76，所述基准电压源76的输入端与所述第二电源电路75的输出端电连接，所述基准电压源76的输出端与所述模拟数字转换器30的电源输入端电连接。

进一步，还包括：通信模块，所述通信模块包括GPS模块81、GPRS模块82，所述GPS模块81、GPRS模块82分别与所述处理器40通信连接。

进一步，还包括：电平转换电路，所述GPRS模块82上的RS232通信接口通过所述电平转换电路与所述处理器40通信连接。

进一步，还包括：震荡电路92和看门狗电路91，所述震荡电路92、看门狗电路91分别与所述处理器40电连接。

本实用新型中阴极保护测试桩包括桩帽、标志桩、安放于标志桩内部的检测装置、接地线、极化探头，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，所述参比电极相对于所述地下管道的电位值。

具体地，在本实用新型中，在检测装置延伸出4根航空端子连接线，通过标志桩侧面的圆孔分别连接在极化探头的两个连接点、参比电极和地下管道的连接点上。其中，极化探头为圆环形，型号为ANKO-TC-CSE-III，上面有两个小的圆形凹面，两个凹面分别对应的两个点分别接数据采集电路的第一极化试片和第二极化试片的连接点，且数据采集电路通过管道连接线与地下管道的焊点连接；本实用新型中使用的参比电极为永久参比电极，可以埋于地下长期工作，性质稳定。

作为具体实施方式，在本实用新型中采用型号为STM32L073RZT6的高性能超低功耗的32位单片机作为处理器40，其电路图如图2所示，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，且本实用新型选用的处理器40从待机状态到唤醒时间不超过3.5us。

当然，在本实用新型中还可以选用其他型号的低功耗处理器40，譬如：PIC、STM8L、C8051系列低功耗单片机(如STM8L101F2、PIC16C72、C8051F等)，只要其能实现本实用新型的目的，都应包括在本实用新型可选用的处理器40。

具体地，如图3所示，为本实用新型中防护电路图，第一、第二、第三防护电路分别包括第一稳压二极管D5、第二稳压二极管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C15，第二电容C12，第一分压电阻R23，以及第二分压电阻R22，其中，所述第一稳压二极管D5的阴极与模拟信号(图示中A+端)的正输入端电连接，所述第一稳压二极管D5的阳极与模拟信号(图示中REF端)的负输入端电连接；所述第二稳压二极管DS1的阴极与所述第一稳压二极管D5的阴极电连接，所述第二稳压二极管DS1的阳极与所述第一稳压二极管D5的阳极电连接；自恢复保险丝F1的第一端与所述第二稳压二极管DS1的阴极电连接，第二端与瞬态抑制二极管D6的阴极连接，瞬态抑制二极管D6的阳极与所述第二稳压二极管DS1的阳极电连接，第一电容C15并联在瞬态抑制二极管D6的两端；共模抑制电感CL1的第一输入端和第二输入端分别与瞬态抑制二极管D6的阴极和阳极连接；第二电容C12并联连接在共模抑制电感CL1的第一输出端和第二输出端；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C12的两端，第二分压电阻R22两端的电压信号作为经过防护处理的输出。

具体地，在实际应用中，三路防护电路(第一、第二、第三防护电路)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，地下管道，以及第一极化试片，负输入端(REF)皆接参比电极端。更进一步的，在本实用新型中，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SMBJ15CA，第一电容C15的型号为GRM31BR72J102KW01L；第二电容C12的容量值为1000pF,两端可承受的电压为630V；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499K，第二分压电阻R22的阻值为10K。在本实用新型中，输入模拟信号依次经过了第一稳压二极管，第二稳压二极管，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模块可采样的范围；同时本实用新型提供的防护电路还能保护阴极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。地下管道上存在各种瞬态尖峰脉冲和交流干扰，信号在进入采样之前经过防护预处理和滤波处理措施。本设备的防护预处理电路由PPTC自恢复保险丝、瞬态抑制二极管、共模抑制电感等组成，可有效抑制瞬态脉冲。

进一步地，低通滤波器为巴特沃斯二阶低通滤波器或切比雪夫低通滤波器。具体地，在本实用新型中，采用的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，其电路图如图4所示，二阶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，在本实用新型中，还可以使用别种型号的低通滤波器，只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中。

进一步地，模拟数字转换器30型号为AD7799，它是24位三路差分模拟输入Σ-△型数模转换器，如图6所示，这种型号的模拟数字转换器30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，二阶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；输出端AD-SCLK，AD-SIMO及AD-SOMI分别接处理器40中PA5,PA7，及PA6。所述的模拟数字转换器30采用REF191型号的精密带隙基准电压源76，其精度高达到2mv，温度系数5Pppm，功耗低于45μA。具体地，当输入模拟信号经过防护电路和二阶低通滤波电路处理之后，模拟数字转换器30即将其转换为数字信号，最后将数字信号输入处理器40中进行处理。

所述模拟数字转换器30的输出端与数字隔离器的输入端电连接，所述数字隔离器的型号为ADuM130x的三通道数字隔离器，该三通道数字隔离器是一种基于磁耦隔离技术的通用型三通道数字隔离器。采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能、功耗、体积等各方面都有光电隔离器件无法比拟的优势。

在实际应用中所述的模拟数字转换器30也可以选用ADS1296、ADS131E06等24位高精度模数转换器来替代。

进一步地，所述二级滤波电路51包括滤波电容C3、滤波电容C5，所述滤波电容C3的一端通过电阻R5与参比电极电连接，所述滤波电容C3的另一端与地下管道电连接；所述滤波电容C5的一端通过电阻R6与所述滤波电容C3的一端电连接，所述滤波电容C5的另一端与所述滤波电容C3的另一端电连接。所述光耦开关52的输入端与所述滤波电容C5的两端电连接，所述光耦开关52的输出端与处理器40电连接。

进一步地，所述光耦开关52采用型号为CPC1008N的光耦开关52。高压直流输电干扰监测采集信号经过两级滤波后，进入光耦CPC1008N的输入端，光耦的输出端接单片机的外部中断，当高压直流输电干扰达到一定数值后光耦导通，光耦的输出端产生中断信号唤醒休眠的单片机。

具体地，第一电源电路72(3.3V电源电路)中包括型号为MAX884ESA的电源电路，如图7所示，将锂电池71提供的7.4V电源电压转换为3.3V的电源电压。第二电源电路75(5V电源电路)中包括型号为WR2050S-1WR2的电源电路，图8所示，将锂电池71提供的7.4V电源电压转换为+5V、-5V的电源电压。

进一步地，第一电源控制电路74和第二电源控制电路73均采用双N和P沟道MOSFET组成的型号为IRF7309的控制芯片，如图9所示，可实现GPS模块81、GPRS模块82、模拟数字转换器30、基准电压源76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。在实际应用中，电源控制电路中的端口VCC_CTL与处理器40中的端口TXPC12/ATINCLK连接。

进一步地，继电器60的型号为G6S-2F-3V，如图13所示，用于实现地下管道和第一极化试片之间的连接线的的接通和断开。

进一步地，GPS模块81为UBLOX或M8729GPS芯片，或由UM220-Ⅲ北斗和GPS双模芯片组成。具体地，在本实用新型中采用UBLOX高精度GPS授时芯片，通过卫星实现对沿地下管道分布的阴极保护测试桩的定位和精准的授时，且本实用新型采用的GPS授时芯片其搜星速度快，灵敏度高，授时精度高，可达10ns。当然，在本实用新型中不限于上述芯片，还可以选用UM220-III北斗和GPS双模芯片等只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中。

作为本实用新型的具体实施方式，本实用新型提供的阴极保护测试桩使用卫星(GPS、北斗)统一授时，对于一条地下管道上的所有阴极保护测试桩进行可以同时断电、同时采集通电电位、断电电位和自然电位，采集断电0.05～0.3秒时各测试桩的电位数据，并通过GPRS芯片将上述数据上传到，当然，在本实用新型中，断电采集时间可以在阴极保护智能监控系统(用于实现对智能测控器的远程操控)设定修改。

进一步地，GPRS模块82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。本实用新型采用的GPRS模块82，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。当然，本实用新型中，还可使用其他型号的模块，如GPRS/CDMA DTU、3G的WCDMA、TD-SCDMA、EVDO、DTU模块等，只要其能实现本实用新型的目的，都包括在本实用新型的内容中。

进一步地，电平转换电路采用型号为MAX3232ESE的电平转换芯片，3.3V供电，如图11所示，将单片机串口的TTL电平转换成RS232电平，GPRS模块82上的RS232通信接口和单片机进行串口通信。

进一步地，数据存储模块的型号为FM26LC64的存储芯片，未在图中示出。具体地，当GPRS信号不好的时候可将数据暂时存储在此存储器中，待信号好的时候再发送到远程监控平台上。

进一步地，看门狗电路91，更进一步地，看门狗电路91的型号为MCP1316-29的看门狗芯片，如图12所示，可实现遇到程序跑飞或电压突降时复位处理器40的目的，且可以保护处理器40免于在低压运行情况下而造成的损坏。具体地，在实际应用中，看门狗芯片的电压检测端WDI接处理器40的接口PB5连接。

进一步地，震荡电路92，具体地，可根据远程监控系统授时，或GPS模块81授时。具体的，GPS模块81授时是在每次上电后。远程监控系统授时是在GPS无信号持续一个月以上时间之后。

阴极保护测试桩中高压直流输出电干扰的检查装置具体工作过程描述如下：首先，光耦开关52模块由于高压直流输电干扰达到一定数值后光耦开关52模块导通而产生的触发信号，来唤醒休眠状态的处理器40。当处理器40唤醒后，即通过电源控制模块给GPRS模块82、GPS模块81、防护电路、二阶滤波电路、模拟数字转换器30等供电。在这里，当GPS模块81和GPRS模块82通电后，两个模块等待一定时间，如50秒至其稳定，则GPRS模块82自动连接至远程监控平台，GPS模块81开始搜星直至成功。值得注意的是，GPRS模块82与远程监控平台连接成功后，处理器40接收远程监控平台发送的GPRS命令。

处理器40通过常闭继电器60断开平时一直被其连接在一起的第一极化试片和地下管道，并在预设时间，如100ms后启动测量对第一极化试片与参比电极通道的测量，测量完成后立刻启动对地下管道信号和参比电极通道的测量，最后启动第二极化试片与参比电极通道的测量。此时测得的第一极化试片相对参比电极的电位为断电电位，地下管道信号相对参比电极的电位为通电电位，第二极化试片相对参比电极的电位为自然电位。测量完成后立即通过常闭继电器60重新将第一极化试片和地下管道连接在一起。然后处理器40从模拟数字转换器30读取测量结果后将其做处理后，通过GPRS模块82将测得的数据发送至远程监控平台。最后处理器40通过电源控制模块给GPRS模块82、GPS模块81、数据采集模块断电，并进入休眠模式，等待下一次的唤醒，一个工作流程结束。

更进一步地，第二极化试片和参比电极分别连接防护电路的正负输入端，其信号输出进入低通滤波器,信号经过低通滤波后进入模拟数字转换器30通道1，信号经过模拟数字转换后通过I2C接口传入处理器40。

地下管道和参比电极分别连接防护电路的正负输入端，其信号输出进入低通滤波器,信号经过低通滤波后进入模拟数字转换器30换器通道2，信号经过模拟数字转换后通过I2C接口传入处理器40。

第一极化试片和参比电极分别连接防护电路的正负输入端，其信号输出进入低通滤波器,信号经过低通滤波后进入模拟数字转换器30换器通道3，信号经过模拟数字转换后通过I2C接口传入处理器40。

作为本实用新型的具体实施方式，地下管道上的阴极保护测试桩设置以及检测装置的间距可依照地形、环境的变化而定，在地形起伏较为复杂的环境中，所设置的阴极保护测试桩以及检测装置的设置距离可以在1～5公里之间做出选择；且在腐蚀情况较为严重的管段，可以适当的缩短本实用新型提供的智能测试桩的距离，采用密集型设置。

作为本实用新型的另一种实施方式，为了延长锂电池71的使用寿命，在检测装置中设有唤醒系统，具体地，光耦开关52电路检测到高压直流输电干扰达到一定数值后，光耦开关52电路导通，唤醒休眠的处理器40；高压直流输电干扰低于一定数值后，光耦开关52电路关断，处理器40自动进入休眠状态。

以上对实用新型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实用新型的范畴之中。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。