0 引言

    隨著我國新型城鎮(zhèn)化建設的快速推進以及人們環(huán)境保護意識的增強，天然氣作為一種清潔能源,，其使用量呈倍數(shù)增加^[1-2],。天然氣管道建設和維護被納入了“十三五”時期國家重大工程建設項目，將新增管道4萬公里,，規(guī)劃到2020年我國天然氣管道將達到10.4萬公里^[3],。數(shù)以萬公里的埋地鋼制天然氣管道的安全運行是關乎國計民生的大事，管道腐蝕泄露燃爆事故在管道安全事故中占大部分比例,，一旦發(fā)生危害巨大,。目前，國內(nèi)外主要采用外加防腐層的物理防護和陰極保護的化學防護兩類方法來防止天然氣管道被腐蝕^[4],。陰極保護是天然氣埋地鋼制管道的主要防腐措施,，也是的最后一道關鍵防腐機制,，可以通過測量陰極保護電位的方法,，來判斷管道陰極保護措施是否還在正常運行。

    目前,，天然氣管道陰極保護電位測量成熟的外檢測方法有：直接測量法,、密間隔電位測量法（CIPS）、直流電壓梯度法（DCVG）,、管中電流測量法（PCM）和皮爾遜法（Pearson）等^[5],。PCM 法和Pearson法只能判斷出管道有腐蝕，但不能確定腐蝕大小和狀態(tài),；直接測量法通常采用萬用表測量管道和參比電極之間的電位,，其沒有考慮IR降，測量值與真實陰極保護電位存在誤差^[6],；DCVG和CIPS聯(lián)合使用可以得到陰極保護電位值,，可以對管道腐蝕狀態(tài)做全面評價，但其要連接電纜線沿管道長距離行走,，并且兩個參比電極在移動測試過程中若與大地接觸不充分,，也會影響測量值。試片斷電法是結(jié)合并精簡多種測量方法的優(yōu)點提出的一種測量方法,，其從電阻和電流兩個方面共同考慮消除IR降,，測量出管道真實陰極保護電位^[7]。試片斷電法在國外應用較多,，在國內(nèi)實際應用處于開始階段,，許多燃氣管道檢測單位把從國外進口的DCVG/CIPS儀器簡化重組后當成試片斷電法儀器使用，比如加拿大CATH-TECH公司的Hexcorder MM(CIPS/DCVG)儀器,，但其斷路器和測量主機是分離的,，并且每次只能設置并測量到一個延時值對應的斷電電位,，操作復雜。本文設計并實現(xiàn)了基于試片斷電法的天然氣管道防腐檢測儀,，操作簡單高效,。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    基于試片斷電法的埋地鋼制天然氣管道防腐檢測儀測量示意圖如圖1所示，測量系統(tǒng)由3部分構(gòu)成,，分別為參比電極,、試片和檢測儀器。參比電極采用銅/硫酸銅溶液電極,，其電壓穩(wěn)定性高,。試片采用和被檢測管道相同材質(zhì)的合適大小的鋼片，其裸露點模擬管道被腐蝕點,，試片應盡量靠近管道,。檢測儀器有A、B,、M和N 4個電極接頭,，A接頭和B接頭共同完成斷路器的功能，一端接在待檢測天然氣管道或者管道測試樁上,，另一端連接試片,，M接頭和N接頭構(gòu)成一對測量電極，M接頭連接參比電極,，N接頭和B接頭一起連接試片,。

    儀器工作時分兩個階段，分別測量通電電位和斷電電位,。第一階段管道和試片通過A,、B兩接頭連接在一起，讓陰極保護對裸露的試片起作用,，保持5 s后,，通過M、N兩接頭測量參比電極和試片之間的V_on電壓(即通電電位),。第二階段完全斷開A,、B兩接頭，使試片和管道分離,，然后連續(xù)測量并存儲20 ms～500 ms步進為20 ms的多個V_off電壓(即斷電電位),，最后通過分析得到真實的天然氣管道陰極保護電位。檢測儀器有手動和自動2種模式,，手動模式下,，按一次測量，得到一組數(shù)據(jù)；自動模式下,，自動測量和存儲,，每10 s為一周期重復上面兩個階段，最大能測量和存儲72 h的數(shù)據(jù),。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    研制的管道防腐檢測儀器數(shù)據(jù)采集和控制電路框圖如圖2所示,，主要由4部分組成，分別是前端數(shù)據(jù)采集部分,、斷路裝置部分,、信號控制處理部分和外圍存儲顯示部分。

2.2 前端數(shù)據(jù)采集電路

    前端數(shù)據(jù)采集部分是整個儀器的最關鍵部分,，決定了儀器的精度和效果,，前端帶大量高壓多頻噪聲的管道輸入信號進入儀器后，先用高阻抗輸入低阻抗輸出的儀器放大器接收信號,，然后用組合濾波電路去除大部分噪聲信號,，程控放大電路對信號做進一步調(diào)理后送入高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

    儀器放大器采用高性能,、低噪聲的AD8422,，電路圖如圖3所示。現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn),，在地鐵軌道沿線和地下高壓輸電管廊附近的天然氣管道上,，瞬態(tài)干擾信號很大，雖然AD8422兩輸入端差值最高可達40 V,，但其壓擺率只有0.8 V/μs，為了保護器件和降低輸入級噪聲,，前端采用4個二極管D6,、D7、D8,、D9對輸入信號進行限壓處理,。鋼制天然氣管道長度很長，射頻信號很容易耦合進來,，R7,、R8、C9～C11構(gòu)成低頻濾波電路,，對射頻干擾進行壓制,。R9的數(shù)值控制AD8422對輸入信號的放大倍數(shù)，本電路中采用0.1%精度的19.6 kΩ電阻,放大倍數(shù)為2.01倍,，具有高共模抑制能力,，同時不會讓有用信號超過量程。C12和C13兩個電源濾波電容在制板時盡量靠近相應芯片引腳。濾波器電路使用低偏置電流,、低峰峰值噪聲的運算放大器ADA4625-1芯片,，電路結(jié)構(gòu)采用兩極Sallen-Key濾波器模型結(jié)構(gòu)，有效地濾出了噪聲頻段,，同時防止了后續(xù)的混疊現(xiàn)象產(chǎn)生,。

    調(diào)理后的信號進入一個24位高精度低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2380-24芯片中，其具有很大的動態(tài)輸入范圍,，差分信號輸入范圍為-5 V～+5 V,，超低功耗僅有28 mW。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端需要一個低阻抗差分輸出的運算放大器,，有利于驅(qū)動ADC在數(shù)據(jù)采集期間,，快速穩(wěn)定輸入信號，同時起到隔離的作用,。電路圖如圖4所示,，REF/DGC#、RDL/SDI,、CHAIN 3個引腳均接低電平,，表明芯片工作在單器件模式，數(shù)字增益壓縮功能以及SDO引腳被啟用,，R31,、R32、C33～C35構(gòu)成一個耦合濾波器,，大大消弱了AD8021組成的緩沖期的反射噪聲,，CNV、BUSY,、SCK,、SDO 4個引腳與微控制器連接，控制時序并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號,。天然氣鋼制管道大多埋在地下,，而大地中充斥著高強度的工頻干擾信號，要想檢測出真實的天然氣管道陰極保護電位,，必須要在電路中濾出工頻干擾信號,。LTC2380-24芯片內(nèi)自帶50 Hz平均濾波抑制模塊，本系統(tǒng)中采用采樣頻率為2 MHz,，重復采樣40 000次平均輸出結(jié)果,，來抑制50 Hz工頻以及其諧波成分。

2.3 斷路裝置電路

    試片斷電法要求測試輔助試片上的通電電位V_on和斷電電位V_off,，來計算出管道陰極保護電位,，需要斷路裝置電路連接或者斷開管道和試片。目前，通用的方法是采用簧片繼電器實現(xiàn)通或者斷,，本系統(tǒng)的早期版本也是采用OMRON公司的G2R系列簧片繼電器實現(xiàn),，但在實際測量中發(fā)現(xiàn)很多問題，繼電器的簧片吸合延時比較大,，并且延時一致性比較差,，有時相同位置的兩次測量結(jié)果存在時間軸位移現(xiàn)象，簧片的生命周期也有限,，不適合應用于室外連續(xù)工作的儀器中,。斷路裝置還可以用可控硅或者光電繼電器實現(xiàn)，本系統(tǒng)的最新版本采用MOSFET光電繼電器,，其通斷延時在100 μs以內(nèi),，比毫秒級別的測量少一個數(shù)量級，不影響測量結(jié)果,。

2.4 信號控制處理電路

    信號控制處理部分包括微處理器和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?CPLD)兩個模塊，是系統(tǒng)的控制核心^[8-9],，對數(shù)據(jù)進行處理并發(fā)送控制指令,。微處理器采用MICROCHIP公司的32位控制器芯片PIC32MX795F512L，主頻80 MHz,，外設資源豐富,。為了控制方便和考慮到后續(xù)儀器升級的需要，利用CPLD擴展接口,。

2.5 外圍電路

    外圍電路部分包括存儲器,、USB接口^[10]、LCD顯示,、鍵盤輸入以及電源轉(zhuǎn)換電路等模塊,，主要是負責系統(tǒng)中人機交互的。天然氣管道防腐檢測儀作為一種需要長期穩(wěn)定運行的便攜式設備,，其電源管理系統(tǒng)很重要，本系統(tǒng)中采用LINEAR公司的汽車工業(yè)級LT8602電源轉(zhuǎn)換芯片,，其靜態(tài)工作電流只有30 μA,，體積小，長寬都只有6 mm,，單片集成了4個穩(wěn)壓器,，轉(zhuǎn)換效率可達90%以上。儀器采用15 Ah的4節(jié)鋰電池供電^[11],，供電電壓范圍是14.4 V～16.8 V,，4個輸出電壓分別為12 V、5 V、3.3 V,、2.5 V,，R9為28.9 kΩ電阻，設定電源芯片開關頻率為2 MHz,。電源轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖5所示,。

3 系統(tǒng)軟件設計

    微處理器固件程序由以下4個步驟實現(xiàn),具體實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

    (1)系統(tǒng)初始化,。上電后,，PIC配置內(nèi)部寄存器和I/O口，包括定時器,、中斷寄存器設置,，ADC的啟動引腳CNV設置為低電平。儀器內(nèi)部自動校準數(shù)據(jù),。

    (2)功能選擇,。軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放,、參數(shù)設置3個大的功能模塊組成,，按鍵選擇，默認是數(shù)據(jù)采集模塊,，其他兩個功能相對簡單,，流程圖中以數(shù)據(jù)采集為例詳細說明。

    (3)數(shù)據(jù)采集,。設置CNV為高電平啟動ADC轉(zhuǎn)換,，通過檢測引腳BUSY是否為高電平來判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一次采樣結(jié)束后,，計數(shù)器值N加1,，直到計數(shù)值累計到40 000，設置SCK和SDO引腳讀取V_on數(shù)據(jù),。斷路裝置斷開,，以20 ms為步進延時值，重復上面判斷過程,，讀取相應延時對應的V_off數(shù)據(jù),，然后對此組數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，得到真實值,。

    (4)模式選擇,。采集數(shù)據(jù)功能下有手動采集和自動采集兩種模式，手動采集按一次采集按鈕只讀取一組數(shù)值,，自動模式連續(xù)采集到更換模式為止,。

4 實驗結(jié)果與分析

    為了驗證設計的天然氣管道防腐檢測儀的功能,，在相同環(huán)境下與本行業(yè)內(nèi)知名的加拿大Cathodic Technology Ltd的Hexcorder MM(CIPS/DCVG)儀器做了對比實驗，圖7顯示了對比測試結(jié)果,，本系統(tǒng)儀器20 ms步進延時自動累加,，只做了1次測試得到了全部結(jié)果，國外儀器需要重復設置延時,，測試了26次得到相同數(shù)量的結(jié)果,。

    從圖7中分析得到以下結(jié)論：

    (1)通電電位V_on一致。本系統(tǒng)儀器測量的V_on為-1.41 V,，國外儀器為-1.42 V,，兩者幾乎沒有誤差，可能是測量時間的先后次序,、外部噪聲變化導致的,。

    (2)斷電電位V_off隨延時變化的趨勢一致。兩種儀器的斷電電位曲線拐點都在70 ms延時處,，在100 ms延時以后趨于穩(wěn)定,。

    (3)測量結(jié)果相同。測得陰極保護電位都低于-0.85 V,，判斷此天然氣管道陰極保護效果良好^[12],。

5 結(jié)論

    實驗表明，本文設計的天然氣管道防腐檢測儀性能上達到了加拿大管道防腐檢測國際知名公司Cathodic Technology Ltd同類儀器Hexcorder MM(CIPS/DCVG)的同種功能水平,，并且操作簡便,，能實時檢測并存儲埋地鋼制天然氣管道的陰極保護電位，值得推廣使用,。

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作者信息:

朱  珺

（湖北廣播電視大學 電信工程學院,，湖北 武漢430074）