0 引言

    隨著我國(guó)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速推進(jìn)以及人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，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(shè)和維護(hù)被納入了“十三五”時(shí)期國(guó)家重大工程建設(shè)項(xiàng)目，將新增管道4萬(wàn)公里，規(guī)劃到2020年我國(guó)天然氣管道將達(dá)到10.4萬(wàn)公里^[3]。數(shù)以萬(wàn)公里的埋地鋼制天然氣管道的安全運(yùn)行是關(guān)乎國(guó)計(jì)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(guó)內(nèi)外主要采用外加防腐層的物理防護(hù)和陰極保護(hù)的化學(xué)防護(hù)兩類方法來(lái)防止天然氣管道被腐蝕^[4]。陰極保護(hù)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(guān)鍵防腐機(jī)制，可以通過(guò)測(cè)量陰極保護(hù)電位的方法，來(lái)判斷管道陰極保護(hù)措施是否還在正常運(yùn)行。

    目前，天然氣管道陰極保護(hù)電位測(cè)量成熟的外檢測(cè)方法有：直接測(cè)量法、密間隔電位測(cè)量法（CIPS）、直流電壓梯度法（DCVG）、管中電流測(cè)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(cè)量法通常采用萬(wàn)用表測(cè)量管道和參比電極之間的電位，其沒(méi)有考慮IR降，測(cè)量值與真實(shí)陰極保護(hù)電位存在誤差^[6]；DCVG和CIPS聯(lián)合使用可以得到陰極保護(hù)電位值，可以對(duì)管道腐蝕狀態(tài)做全面評(píng)價(jià)，但其要連接電纜線沿管道長(zhǎng)距離行走，并且兩個(gè)參比電極在移動(dòng)測(cè)試過(guò)程中若與大地接觸不充分，也會(huì)影響測(cè)量值。試片斷電法是結(jié)合并精簡(jiǎn)多種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)提出的一種測(cè)量方法，其從電阻和電流兩個(gè)方面共同考慮消除IR降，測(cè)量出管道真實(shí)陰極保護(hù)電位^[7]。試片斷電法在國(guó)外應(yīng)用較多，在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用處于開(kāi)始階段，許多燃?xì)夤艿罊z測(cè)單位把從國(guó)外進(jìn)口的DCVG/CIPS儀器簡(jiǎn)化重組后當(dāng)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(cè)量主機(jī)是分離的，并且每次只能設(shè)置并測(cè)量到一個(gè)延時(shí)值對(duì)應(yīng)的斷電電位，操作復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于試片斷電法的天然氣管道防腐檢測(cè)儀，操作簡(jiǎn)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(cè)儀測(cè)量示意圖如圖1所示，測(cè)量系統(tǒng)由3部分構(gòu)成，分別為參比電極、試片和檢測(cè)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(cè)管道相同材質(zhì)的合適大小的鋼片，其裸露點(diǎn)模擬管道被腐蝕點(diǎn)，試片應(yīng)盡量靠近管道。檢測(cè)儀器有A、B、M和N 4個(gè)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(cè)天然氣管道或者管道測(cè)試樁上，另一端連接試片，M接頭和N接頭構(gòu)成一對(duì)測(cè)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(shí)分兩個(gè)階段，分別測(cè)量通電電位和斷電電位。第一階段管道和試片通過(guò)A、B兩接頭連接在一起，讓陰極保護(hù)對(duì)裸露的試片起作用，保持5 s后，通過(guò)M、N兩接頭測(cè)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(kāi)A、B兩接頭，使試片和管道分離，然后連續(xù)測(cè)量并存儲(chǔ)20 ms～500 ms步進(jìn)為20 ms的多個(gè)V_off電壓(即斷電電位)，最后通過(guò)分析得到真實(shí)的天然氣管道陰極保護(hù)電位。檢測(cè)儀器有手動(dòng)和自動(dòng)2種模式，手動(dòng)模式下，按一次測(cè)量，得到一組數(shù)據(jù)；自動(dòng)模式下，自動(dòng)測(cè)量和存儲(chǔ)，每10 s為一周期重復(fù)上面兩個(gè)階段，最大能測(cè)量和存儲(chǔ)72 h的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    研制的管道防腐檢測(cè)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(hào)控制處理部分和外圍存儲(chǔ)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(gè)儀器的最關(guān)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(hào)進(jìn)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(hào)，然后用組合濾波電路去除大部分噪聲信號(hào)，程控放大電路對(duì)信號(hào)做進(jìn)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(hào)。

    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(chǎng)實(shí)測(cè)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(hào)很大，雖然AD8422兩輸入端差值最高可達(dá)40 V，但其壓擺率只有0.8 V/μs，為了保護(hù)器件和降低輸入級(jí)噪聲，前端采用4個(gè)二極管D6、D7、D8、D9對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限壓處理。鋼制天然氣管道長(zhǎng)度很長(zhǎng)，射頻信號(hào)很容易耦合進(jìn)來(lái)，R7、R8、C9～C11構(gòu)成低頻濾波電路，對(duì)射頻干擾進(jìn)行壓制。R9的數(shù)值控制AD8422對(duì)輸入信號(hào)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(shí)不會(huì)讓有用信號(hào)超過(guò)量程。C12和C13兩個(gè)電源濾波電容在制板時(shí)盡量靠近相應(yīng)芯片引腳。濾波器電路使用低偏置電流、低峰峰值噪聲的運(yùn)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(shí)防止了后續(xù)的混疊現(xiàn)象產(chǎn)生。

    調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入一個(gè)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(dòng)態(tài)輸入范圍，差分信號(hào)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(gè)低阻抗差分輸出的運(yùn)算放大器，有利于驅(qū)動(dòng)ADC在數(shù)據(jù)采集期間，快速穩(wěn)定輸入信號(hào)，同時(shí)起到隔離的作用。電路圖如圖4所示，REF/DGC#、RDL/SDI、CHAIN 3個(gè)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(gè)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(gè)引腳與微控制器連接，控制時(shí)序并輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。天然氣鋼制管道大多埋在地下，而大地中充斥著高強(qiáng)度的工頻干擾信號(hào)，要想檢測(cè)出真實(shí)的天然氣管道陰極保護(hù)電位，必須要在電路中濾出工頻干擾信號(hào)。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(fù)采樣40 000次平均輸出結(jié)果，來(lái)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(cè)試輔助試片上的通電電位V_on和斷電電位V_off，來(lái)計(jì)算出管道陰極保護(hù)電位，需要斷路裝置電路連接或者斷開(kāi)管道和試片。目前，通用的方法是采用簧片繼電器實(shí)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(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題，繼電器的簧片吸合延時(shí)比較大，并且延時(shí)一致性比較差，有時(shí)相同位置的兩次測(cè)量結(jié)果存在時(shí)間軸位移現(xiàn)象，簧片的生命周期也有限，不適合應(yīng)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(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)的最新版本采用MOSFET光電繼電器，其通斷延時(shí)在100 μs以內(nèi)，比毫秒級(jí)別的測(cè)量少一個(gè)數(shù)量級(jí)，不影響測(cè)量結(jié)果。

2.4 信號(hào)控制處理電路

    信號(hào)控制處理部分包括微處理器和大規(guī)模可編程邏輯器件(CPLD)兩個(gè)模塊，是系統(tǒng)的控制核心^[8-9]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)資源豐富。為了控制方便和考慮到后續(xù)儀器升級(jí)的需要，利用CPLD擴(kuò)展接口。

2.5 外圍電路

    外圍電路部分包括存儲(chǔ)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(fù)責(zé)系統(tǒng)中人機(jī)交互的。天然氣管道防腐檢測(cè)儀作為一種需要長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的便攜式設(shè)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(jí)LT8602電源轉(zhuǎn)換芯片，其靜態(tài)工作電流只有30 μA，體積小，長(zhǎng)寬都只有6 mm，單片集成了4個(gè)穩(wěn)壓器，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)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(gè)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(shè)定電源芯片開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)

    微處理器固件程序由以下4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn),具體實(shí)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(shí)器、中斷寄存器設(shè)置，ADC的啟動(dòng)引腳CNV設(shè)置為低電平。儀器內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)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(shè)置3個(gè)大的功能模塊組成，按鍵選擇，默認(rèn)是數(shù)據(jù)采集模塊，其他兩個(gè)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，流程圖中以數(shù)據(jù)采集為例詳細(xì)說(shuō)明。

    (3)數(shù)據(jù)采集。設(shè)置CNV為高電平啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，通過(guò)檢測(cè)引腳BUSY是否為高電平來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，一次采樣結(jié)束后，計(jì)數(shù)器值N加1，直到計(jì)數(shù)值累計(jì)到40 000，設(shè)置SCK和SDO引腳讀取V_on數(shù)據(jù)。斷路裝置斷開(kāi)，以20 ms為步進(jìn)延時(shí)值，重復(fù)上面判斷過(guò)程，讀取相應(yīng)延時(shí)對(duì)應(yīng)的V_off數(shù)據(jù)，然后對(duì)此組數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，得到真實(shí)值。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的天然氣管道防腐檢測(cè)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，圖7顯示了對(duì)比測(cè)試結(jié)果，本系統(tǒng)儀器20 ms步進(jìn)延時(shí)自動(dòng)累加，只做了1次測(cè)試得到了全部結(jié)果，國(guó)外儀器需要重復(fù)設(shè)置延時(shí)，測(cè)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(cè)量的V_on為-1.41 V，國(guó)外儀器為-1.42 V，兩者幾乎沒(méi)有誤差，可能是測(cè)量時(shí)間的先后次序、外部噪聲變化導(dǎo)致的。

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

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

5 結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的天然氣管道防腐檢測(cè)儀性能上達(dá)到了加拿大管道防腐檢測(cè)國(guó)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(jiǎn)便，能實(shí)時(shí)檢測(cè)并存儲(chǔ)埋地鋼制天然氣管道的陰極保護(hù)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(xué) 電信工程學(xué)院，湖北 武漢430074）