一种埋地管道阴极保护断电电位检测装置

摘要

本发明是一种埋地管道阴极保护断电电位检测装置。它包括探头和测试仪；测试仪由微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、A/D转换电路、液晶显示、时钟、存储器、总线和电源模块组成；接探头参比电极引线和试片引线的电压采样输出接运放电路，运放电路输出接A/D转换，A/D转换输出接微处理器输入；微处理器的按键输入接电压采样，微处理器的输出也接运放电路和A/D转换，电压采样还与管道相连；液晶显示、存储器通过SPI总线与微处理器连接；时钟通过I2C总线与微处理器连接；电源与微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、液晶显示、时钟、存储器连接。本发明真实、快捷、高精度、操作简单、成本较低、安装维护便利。

权利要求

1.一种埋地管道阴极保护断电电位检测装置,包括探头和测试仪两部分;所述探头主体为圆柱ABS塑料桶，主要由探头试片（6）、半透膜（7）、纯铜棒（4）、饱和硫酸铜溶液（5）、试片引出线（1）、参比电极引出线（2）和用来添加硫酸铜溶液的盖（3）组成，其中纯铜棒（4）和饱和硫酸铜溶液（5）作为一个Cu/CuSO4参比电极；其特征是测试仪由微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、A/D转换电路、液晶显示、时钟、存储器、总线和对各模块供电的电源模块组成;接探头参比电极引线和试片引线的电压采样输出接运放电路，运放电路输出接A/D转换，A/D转换输出接微处理器输入;微处理器的按键输入接电压采样,微处理器的输出也接运放电路和A/D转换，电压采样还与管道相连;液晶显示、存储器通过SPI总线2

与微处理器连接;时钟通过IC总线与微处理器连接;电源与微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、液晶显示、时钟、存储器连接,为其供电;电压采样三根导线分别与管道、探头参比电极引线和探头试片引线连接，通过按键输入，探头试片（6）与管道连接，电压采样探头试片（6）和管道联通时的通电电位V1，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换处理，并在存储器中储存和显示屏中显示；按键输入断开探头试片（6）与管道，根据设置的断电周期和延时时间，电压采样探头试片（6）和管道联通时的断电电位V2，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换处理，并在存储器中储存和在液晶显示；测试仪根据不同的断电周期和延时时间测量的不同结果，绘制电位图形，并在液晶显示中显示，并同时存储器中储存；所有测量工作时候，时钟同步工作。

2.根据权利要求1所述的一种埋地管道阴极保护断电电位检测装置,其特征是测试仪部分的电原理由微处理器、模拟信号输入模块、电源模块三部分组成;模拟信号输入模块与微处理器连接,电源模块与微处理器和模拟信号输入模块连接；其中模拟信号输入模块包括电压采样、运放电路和A/D转换电路；

所述微处理器由微处理器、串口通信模块、液晶显示、存储器、时钟组成,其内固化有程序;Flash存储器AT45DB081B的23脚与微处理器P3.2端连接，4脚与微处理器P3.1端连接，5脚与微处理器P0.0连接，6脚与微处理器P0.2连接，7脚与微处理器P0.1连接；液晶显示LMB018的5脚与微处理器P3.3，8脚与微处理器P3.4连接，18脚与微处理器P0.2端连接，17脚与微处理器P0.0连接；时钟S3530A的1脚与微处理器P0.6连接，7脚与微处理器P1.0连接，6脚与微处理器P1.1连接；串口通信模块SP3223E的13、15脚分别接微处理器的30、29脚；

所述模拟信号输入模块包含3个输入信号，REF为参比电极，与一起的GND跳线相连；

测试引脚TEST_E连微处理器的P1.2脚，管道引脚PIPE_E连微处理器的P1.3脚；TEST_E与PIPE_E为微处理器独立管脚，除进行A/D转换外，还可连通，实现探头试片与管道相连；固态继电器J21由独立引脚CONNECT控制，连接微处理器P1.4脚；电压采样信号输入至芯片U13的3脚，经过放大，通过U17的6脚接入微处理器的P1.5脚，按键输入与微处理器P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6和P2.7连接；

所述电源模块的电原理为锂电池经J31输出7.2-8.4V直流电压,由Q31和Q32输出分别加到U32稳压器ADP3303-5、U34稳压器ADP3303-3.3的输入,其输出分别为+5V、+3.3V;由光电去耦合器TLP421手动控制测试仪通断；分别对微处理器和模拟信号输入模块供电；

通过U33电压变换器MAX660对运放电路供电-5V。

说明书

一种埋地管道阴极保护断电电位检测装置

技术领域

[0001] 本发明是一种埋地管道阴极保护断电电位检测装置，涉及金属材料的一般防蚀、测量电变量和管道系统技术领域。

背景技术

[0002] 阴极保护电位是管道是否受到有效阴极保护的重要判据。日常维护工作中所测量的电位是阴极保护通电电位。而根据GB21448中阴极保护准则，评判管道是否受到有效阴极保护的判据是管道的阴极保护极化电位，即断电电位。而通电电位是由IR降及断电电位组成的。因此，必须在测量过程中除去IR降才可以得到有效的断电电位。

[0003] 埋地管道阴极保护断电电位测量方法检索表明：测量埋地管道阴极保护断电电位主要有两大方法，试片断电法和GPS同步电流中断法。试片断电法通过中断与管道相连的埋地试片，测量并人工估读断电电位值，人为因素对结果影响较大。GPS同步电流中断法通过在恒电位仪输出端安装GPS同步电流中断器，可以选择万用表或配套数据采集器对断电电位进行测量，需要专业人员操作，并且当前相关设备均需进口，成本较高。

[0004] 国外已有多家公司开发出相应的通电/断电电位测量系统。这类系统基本上均由以下两部分组成：电流中断器及配套的电位测量仪。在测量通电/断电电位时，先在阴极保护恒电位仪输出端安装电流中断器，以周期性的中断阴极保护电流，然后再由专人携带电位测量仪进行通电/断电电位测量。

[0005] 中国专利ZL 03119386.2“阴极保护管道的管地电位和地表电位综合检测方法及装置”公开了一种阴极保护管道的管地电位和地表电位综合检测方法及装置。该方法采用至少各一个检测管地电位和地表电位的参比电极同时进行测量，并在测量过程中采用瞬间中断电流法或外加激励电流信号法消除IR降，将记录仪采集的测试数据经微机分析，确定真实的管地电位和地表电位。

[0006] ZL 200510114259.X“微功耗阴极保护电位数据自动采集器”涉及一种微功耗阴极保护电位数据自动采集器，配合GPS同步电流中断器，能在微功耗条件下进行长输管道上阴极保护通电电位、断电电位的自动判断和检测。

[0007] 基于电流中断器的上述测量系统在实际使用中存在以下的不足：

[0008] 第一，当管道受到杂散电流干扰时，因杂散电流的流动不受电流中断器的影响，所以测得的电位并非管道真实的极化电位；

[0009] 第二，由于上述设备比较昂贵，而且测量步骤繁琐，只能由受过专门培训的人员进行测量，而不能成为日常管理手段；

[0010] 第三，对于一条管道来说只能每隔几年进行一次通电/断电电位测量，所测数据仅能评判测量期间阴极保护系统运行情况，而日常的管理只能参照检测期间数据进行，不利于阴极保护系统日常维护。

[0011] 当前，我国管道运行企业一般每隔几年对管道进行一次通电/断电电位测量，对阴极保护系统进行断电电位评价，并确定出阴极保护系统通电电位运行参数，在日常工作中参照通电电位参数进行维护。

[0012] 从管理角度上讲，这种管理模式也存在着如下不足：因为阴极保护系统的运行是受外界环境影响比较大的，利用每几年进行一次测量所获得的参数对阴极保护系统进行日常管理，其中必然也存在着一些误差。如果要消除上述误差，就应使通电/断电电位电位测量成为日常维护手段，而这就需要配备大量通电/断电电位测量设备，并对日常工作人员进行专业培训。而上述方案而耗资巨大而不易施行。

[0013] 从技术角度上讲，现有的通电/断电电位测量系统在受到杂散电流干扰时，所测得的电位数据也将含有IR降成份，从而不能代表管道真实的极化电位。

[0014] 《计量技术》第11期(2008年12月31日)公开了一种“”辅助试片法管道阴极保护电位的精确测量”，其核心是一种高精度、低功耗且自动消除阴极保护电位中IR降影响的便携式数据采集模块。但该技术在杂散电流干扰区对控制通断电周期、延时时间及电位采样点的精确度还并不理想，并不像所说那样。

发明内容

[0015] 本发明的目的是发明一种真实、快捷、高精度、操作简单、成本较低、安装维护便利的埋地管道阴极保护断电电位检测装置。

[0016] 本发明提供一种可用于管道日常管理维护的基于试片法的便携式阴极保护通电/断电电位自动测量装置，它基于本身设计的检测装置进行。该装置在杂散电流干扰区，仍然可以测量出管道有效的极化水平。

[0017] 本发明的管道阴极保护断电电位检测是基于试片法的便携式阴极保护通电/断电电位自动测量方法，即接管道的引线、探头参比电极引线和探头试片引线三根导线接电压采样，电压采样的信号加到测试仪；电压采样探头试片和管道联通时的电压V1，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换等处理；通过按键控制断开探头试片与管道，测试仪根据前期设置的断电周期和延时时间，电压采样探头试片和管道断开时的电压V2，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换等处理；微处理器从存储器中获取电压数据V1和V2，V1即管道即时状态下的通电电位，V2即管道即时状态下的断电电位，测试仪根据不同的断电周期和延时时间测量的不同结果，绘制电位图形，并在液晶显示中显示，并同时存储器中储存。所有测量工作时候，时钟同步工作。

[0018] 相对于传统的断电试片法，本装置能精确的控制通断电周期，延时时间及电位采样点(探头的位置)。

[0019] 基于试片法的便携式阴极保护通电/断电电位自动测量检测装置主要包括探头和测试仪两部分。

[0020] 探头剖面示意图见图1所示，底面示意图见图2所示。主体为圆柱ABS塑料桶，由试片6和一个Cu/CuSO4参比电极组成，主要由试片6、半透膜7、纯铜棒4、内部为饱和硫酸铜溶液5、试片引出线1、参比电极引出线2和用来添加硫酸铜溶液的盖3组成。

[0021] 其中试片6的材料同地下管道选取同样材质，通常为16Mn钢；试片6用环氧树脂固定在探头底部，参比电极的半透膜位于探头底部中央；辅助电极的连接电缆和参比电极引出线2均通过探头中心从探头上部引出，间距约为1cm±2mm；根据管道涂层系统状况的不同，辅助电极表面涂覆不同种类和不同厚度的涂层。

[0022] 测试仪由微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、A/D转换电路、液晶显示、时钟、存储器、总线和对各模块供电的电源模块组成，原理框图如图3所示。接探头参比电极引线和试片引线的电压采样输出接运放电路，运放电路输出接A/D转换电路，A/D转换电路输出接微处理器输入；微处理器的按键输入接电压采样，微处理器的输出也接运放电路和A/D转换电路，电压采样还与管道相连；液晶显示、存储器通过SPI总线与微处理器连接；时2
钟通过IC总线与微处理器连接；电源与微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、液晶显示、时钟、存储器连接，为其供电。

[0023] 电压采样三根导线分别与管道、探头参比电极引线和探头试片引线连接，按下电源按键系统加电，通过按键输入，探头试片与管道连接，电压采样探头试片和管道联通时的电压V1，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换等处理，并在存储器中储存和显示屏中显示。按键输入断开探头试片与管道，根据设置的断电周期和延时时间，电压采样探头试片和管道联通时的电压V2，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换等处理，并在存储器中储存和在液晶显示。V1即管道即时状态下的通电电位，V2即管道即时状态下的断电电位，测试仪根据不同的断电周期和延时时间测量的不同结果，绘制电位图形，并在液晶显示中显示，并同时存储器中储存。所有测量工作时候，时钟同步工作。相对于传统的断电试片法，本装置和方法可以精确的控制通断电周期，延时时间及电位采样点(探头的位置)。

[0024] 测试仪部分的电原理如图4、图5、图6所示，由微处理器、模拟信号输入模块、电源模块三部分组成；模拟信号输入模块与微处理器连接，电源模块与微处理器和模拟信号输入模块连接。所述模拟信号输入模块包括电压采样、运放电路和A/D转换电路。

[0025] 微处理器的电原理如图4所示，由微处理器、串口通信模块、液晶显示、存储器、时钟组成，其内固化有程序；Flash存储器AT45DB081B的23脚与微处理器P3.2端连接，4脚与微处理器P3.1端连接，5脚与微处理器P0.0连接，6脚与微处理器P0.2连接，7脚与微处理器P0.1连接；液晶显示LMB018的5脚与微处理器P3.3，8脚与微处理器P3.4连接，18脚与微处理器P0.2端连接，17脚与微处理器P0.0连接；时钟S3530A的1脚与微处理器P0.6连接，7脚与微处理器P1.0连接，6脚与微处理器P1.1连接；串口通信模块SP3223E的13、15脚分别接微处理器的30、29脚。

[0026] 模拟信号输入模块的电原理如图5所示，包含3个输入信号，REF为参比电极，与一起的GND跳线相连；测试引脚TEST_E连微处理器的P1.2脚，管道引脚PIPE_E连微处理器的P1.3脚。TEST_E与PIPE_E为微处理器独立管脚，除进行A/D转换外，还可连通，实现探头试片与管道相连。固态继电器J21由独立引脚CONNECT控制，连接微处理器P1.4脚。电压采样信号输入至芯片U13的3脚，经过放大，通过U17的6脚接入微处理器的P1.5脚，按键输入与微处理器P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6和P2.7连接。

[0027] 电源模块的电原理如图6所示，锂电池经J31输出7.2-8.4V直流电压，由Q31和Q32输出分别加到U32稳压器ADP3303-5、U34稳压器ADP3303-3.3的输入，其输出分别为+5V、+3.3V；由光电去耦合器TLP421手动控制测试仪通断；分别对微处理器和模拟信号输入模块供电；通过U33电压变换器MAX660对运放电路供电-5V。

[0028] 本发明的微处理器与串口通信模块采用RS-232通信，微处理器与模拟开关、A/D转换、液晶显示和存储器采用SPI总线连接，微处理器与时钟采用I2C总线连接，微处理器与运算放大器采用导线连接。

[0029] 其中：

[0030] 微处理器选C8051F310类产品；串口通信模块选SP3223E类产品；液晶显示选LMB018类产品；存储器选AT45DB081B类产品；时钟选S3530A类产品；运算放大器选PVA3324类产品。

[0031] 各电气元件按图4、图5、图6连接好，同时按照电压采样用导线与探头试片、探头参比电极和管道三根导线连接，按下按键启动仪器，电压采样采集电压信号V后传输至运放电路，经U17芯片6端输入微处理器，并在存储器中存储和在液晶显示，即得通电电位；按下按键，探头试片与管道连接中断，微处理器控制电压采样延时时间，电压采样采集电压信号V1后传输至运放电路，经U17芯片6端输入微处理器，并在存储器中存储和在液晶显示，即得断电电位；采集到一定数值后，液晶显示数据图。

[0032] 本发明能通过探头，真实、快捷和高精度的测量管道阴极保护断电电位，即便在杂散电流干扰区，仍然可以测量出管道有效的极化水平，并且结构紧凑，系统造价低廉，操作简便，有利于一线员工的使用，可用于阴极保护系统的日常维护。

附图说明

[0033] 图1探头正面剖视图

[0034] 图2探头底部视图

[0035] 图3测量埋地管道阴极保护断电电位的装置原理框图

[0036] 图4微处理器电原理图

[0037] 图5模拟信号输入模块电原理图

[0038] 图6电源部分电原理图

[0039] 其中1-试片引出线 2-参比电极引出线

[0040] 3-盖 4-纯铜棒

[0041] 5-饱和硫酸铜溶液 6-试片

[0042] 7-半透膜

具体实施方式

[0043] 实施例.本例为试验样机。

[0044] 本管道阴极保护断电电位检测是基于试片法的便携式阴极保护通电/断电电位自动测量方法，即接管道的引线、探头参比电极引线和探头试片引线三根导线接电压采样，电压采样的信号加到测试仪；电压采样探头试片和管道联通时的电压V1，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换等处理；断开探头试片与管道，根据设置的断电周期和延时时间，电压采样探头试片和管道联通时的电压V2，经过运算放大器，传至微处理器进行A/D转换等处理；V1即管道即时状态下的通电电位，V2即管道即时状态下的断电电位，测试仪根据不同的断电周期和延时时间测量的不同结果，绘制电位图形，并在液晶显示中显示，并同时存储器中储存。所有测量工作时候，时钟同步工作。

[0045] 样机包括探头和测试仪两部分。探头剖面示意图见图1所示，底面示意图见图2所示。主体为圆柱ABS塑料桶，由试片6和一个Cu/CuSO4参比电极组成，主要由试片6、半透膜7、纯铜棒4、内部为饱和硫酸铜溶液5、试片引出线1、参比电极引出线2和用来添加硫酸铜溶液的盖3组成。

[0046] 其中试片6的材料同地下管道选取同样材质，通常为16Mn钢；试片6用环氧树脂固定在探头底部，参比电极的半透膜位于探头底部中央；辅助电极的连接电缆和参比电极引出线2均通过探头中心从探头上部引出，间距约为1cm±2mm；根据管道涂层系统状况的不同，辅助电极表面涂覆不同种类和不同厚度的涂层。

[0047] 测试仪由微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、A/D转换电路、液晶显示、时钟、存储器、总线和对各模块供电的电源模块组成，原理框图如图3所示。接探头参比电极引线和试片引线的电压采样输出接运放电路，运放电路输出接A/D转换电路，A/D转换电路输出接微处理器输入；微处理器的按键输入接电压采样，微处理器的输出也接运放电路和A/D转换电路，电压采样还与管道相连；液晶显示、存储器通过SPI总线与微处理器连接；时2
钟通过IC总线与微处理器连接；电源与微处理器、按键输入、电压采样、运放电路、液晶显示、时钟、存储器连接，为其供电。

[0048] 探头主体为直径5cm的圆柱ABS塑料桶，由试片6和一个Cu/CuSO4参比电极组成。试片6的材料同地下管道选取同样材质，为16Mn钢。试片6用环氧树脂固定在探头底部，参比电极的半透膜位于探头底部中央。辅助电极的连接电缆和参比电极引出线2均通过探头中心从探头上部引出，间距为1cm。根据管道涂层系统状况的不同，辅助电极表明涂覆不同种类和不同厚度的涂层。

[0049] 测试仪部分的电原理如图4、图5、图6所示，由微处理器、模拟信号输入模块、电源模块三部分组成。

[0050] 微处理器的电原理如图4所示，由微处理器、串口通信模块、液晶显示、存储器、时钟组成，其内固化有程序；Flash存储器AT45DB081B的23脚与微处理器P3.2端连接，4脚与微处理器P3.1端连接，5脚与微处理器P0.0连接，与微处理器P3.1连接，6脚与微处理器P0.2连接，7脚与微处理器P0.1连接；液晶显示LMB018的5脚与微处理器P3.3，8脚与微处理器P3.4连接，18脚与微处理器P0.2端连接，17脚与微处理器P0.0连接；时钟S3530A的1脚与微处理器P0.6连接，7脚与微处理器P1.0连接，6脚与微处理器P1.1连接；串口通信模块SP3223E的13、15脚分别接微处理器的30、29脚；

[0051] 模拟信号输入模块的电原理如图5所示，包含3个输入信号，REF为参比电极，与一起的GND跳线相连；测试引脚TEST_E连微处理器的P1.2脚，管道引脚PIPE_E连微处理器的P1.3脚。TEST_E与PIPE_E为微处理器独立管脚，除进行A/D转换外，还可连通，实现探头试片与管道相连。固态继电器J21由独立引脚CONNECT控制，连接微处理器P1.4脚。电压采样信号输入至芯片U13的3脚，经过放大，通过U17的6脚接入微处理器的P1.5脚，按键输入与微处理器P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6和P2.7连接；

[0052] 电源模块的电原理如图6所示，锂电池经J31输出7.2-8.4V直流电压，由Q31和Q32输出分别加到U32稳压器ADP3303-5、U34稳压器ADP3303-3.3的输入，其输出分别为+5V、+3.3V；由光电去耦合器TLP421手动控制测试仪通断；分别对微处理器和模拟信号输入模块供电；通过U33电压变换器MAX660对运放电路供电-5V。

[0053] 微处理器与串口通信模块采用RS-232通信，微处理器与模拟开关、A/D转换、液晶2
显示和存储器采用SPI总线连接，微处理器与时钟采用IC总线连接，微处理器与运算放大器采用导线连接。

[0054] 其中：

[0055] 微处理器选C8051F310；

[0056] 串口通信模块选SP3223E；

[0057] 液晶显示选LMB018；

[0058] 存储器选AT45DB081B；

[0059] 时钟选S3530A；

[0060] U16运算放大器选PVA3324；

[0061] 运算放大器U13、U15、U18选MAX406，运算放大器U17选AD602。

[0062] 各电气元件按图4、图5、图6连接好，同时按照电压采样用导线与探头试片、探头参比电极和管道三根导线连接，按下按键启动仪器，电压采样采集电压信号V后传输至运放电路，经U17芯片6端输入微处理器，并在存储器中存储和在液晶显示，即得通电电位；按下按键，探头试片与管道连接中断，微处理器控制电压采样延时时间，电压采样采集电压信号V1后传输至运放电路，经U17芯片6端输入微处理器，并在存储器中存储和在液晶显示，即得断电电位；采集到一定数值后，液晶显示数据图。

[0063] 本例能通过含有试片的探头，真实、快捷和高精度地检测埋地管道阴极保护断电电位，且结构紧凑和操作控制简便，是一种实用、可靠的埋地管道现场参数测量仪器，无需安装GPS同步电流中断器，无需专业人员操作，可在一线员工推广，用于阴极保护系统的日常维护。