Автономное устройство для катодной защиты подземных сооружений
SELF-CONTAINED DEVICE FOR CATHODIC PROTECTION OF UNDERGROUND STRUCTURES

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической защиты от коррозии подземных металлических протяженных сооружений.
Известно «Устройство для измерения составляющих потенциала подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе» (патент RU №2350971, МПК G01R 19/00), содержащее измерительный прибор, размещенный на стойке КИП, в состав которого входит: блок измерения и расчета, снабженный автономным источником питания, преобразователь аналоговых сигналов и блок сопряжения, имеющий встроенные клавиатуру и индикатор. Преобразователь аналоговых сигналов соединен через стойку КИП с металлическим подземным сооружением и соответствующими электродами сравнения. Внутри измерительного прибора преобразователь аналоговых сигналов связан через гальваническую развязку с блоком измерения и расчета, а также с аналоговыми измерительными каналами постоянного и переменного тока. Блок измерения и расчета обеспечивает измерения составляющих потенциала поочередным подключением входов измерительного прибора к соответствующим аналоговым измерительным каналам - в режиме измерения по постоянному току или в режиме измерения по переменному току.
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- отсутствие возможности дистанционного энергонезависимого контроля параметров электрохимической защиты сооружения;
- отсутствие измерения скорости коррозии подземных сооружений;
- отсутствие возможности энергонезависимой защиты труднодоступных для электроснабжения участков подземного сооружения в режиме автоматической стабилизации защитного потенциала.
Известен удаленный испытательный блок для катодной защиты, входящий в состав системы катодной защиты (патент US №20110238347 А1, номер заявки США 13/053970 «Приборы и системы для автоматизированного тестирования трубопровода»), содержащей удаленные испытательные устройства для измерения различных напряжений и токов в удаленных местах на катодно-защищенном трубопроводе. Удаленное испытательное устройство содержит: процессор, выполненный с возможностью сохранения результатов измерений в энергонезависимой памяти, беспроводной приемопередатчик для связи с другими удаленными испытательными устройствами или с компьютером центрального сервера, переключатель для измерения поляризационного потенциала методом поочередной коммутации вспомогательного датчика на сооружение или на вольтметр, измерительные средства для измерения тока шунта, тока вспомогательного датчика, напряжения переменного и постоянного тока.
Известен «Модуль дистанционного управления для катодной защиты» (патент ES №2028510, МПК G05D 7/06), содержащий: удаленный блок мониторинга для непрерывного контроля состояния трубопровода и локального отображения данных, входной блок дистанционного сигнала, модуль передачи сигналов состояния в центр дистанционного управления, а также средство ручного управления блоком мониторинга объекта, блок управления переключением режимов работы - с ручного на дистанционный, блок питания.
Общим недостатком удаленного испытательного блока и модуля дистанционного управления для катодной защиты является отсутствие возможности энергонезависимой защиты труднодоступных для электроснабжения участков подземного сооружения в режиме автоматической стабилизации защитного потенциала.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является выбранное за прототип «Автоматизированное устройство диагностики состояния подземных металлических сооружений» (патент RU на полезную модель №90215, МПК G01R 19/00), содержащее: измерительный прибор, размещенный на стойке контрольно-измерительного пункта с клеммными панелями для подключения кабелей к электродам сравнения и диагностируемому трубопроводу, в состав измерительного прибора входят блок измерения и расчета, преобразователь аналоговых сигналов, блок сопряжения, антенна, блок управления и связи, блок управления режимами работы устройства, при этом стойка контрольно-измерительного пункта состоит из металлического корпуса с откидной крышкой, контактного датчика открытия/закрытия крышки, замка, источника питания на солнечных батареях и аккумулятора для солнечных батарей, кроме того, к клеммным панелям подключен блок пластин-индикаторов скорости коррозии.
Основным недостатком известного устройства является отсутствие возможности энергонезависимой защиты труднодоступных для электроснабжения участков подземного сооружения в режиме автоматической стабилизации защитного потенциала.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении комплексной эффективности защиты подземных сооружений, особенно протяженных трубопроводов, имеющих, имеющих труднодоступные для электроснабжения участки.
Технический результат, отвечающий сформулированной выше задаче, заключается в обеспечении энергонезависимой защиты труднодоступных для электроснабжения участков подземного сооружения в режиме автоматической стабилизации защитного потенциала с возможностью дистанционного контроля и управления работой защитного устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в автономное устройство для катодной защиты подземных сооружений, содержащее: корпус в виде стойки контрольно-измерительного пункта с откидным кожухом, электронный блок, аккумулятор, клеммную панель, датчик и замок, размещенные на торцевом основании корпуса внутри откидного кожуха, на двухскатной крыше которого размещены солнечные панели, соединенные кабелем с электронным блоком; размещенные за пределами корпуса электрод сравнения и блок пластин-индикаторов скорости коррозии, подключенные с помощью кабелей к клеммной панели, к которой подключено и защищаемое сооружение, при этом электронный блок содержит: входной коммутатор, подключенный к клеммной панели, преобразователь сигналов, контроллер измерения и управления, приемопередатчик с встроенной антенной, интерфейс, оснащенный соединителем для подключения внешних устройств, согласно заявляемого изобретения введен протектор и размещенный на клеммной панели управляемый вентильный элемент в виде транзистора, эмиттер которого подключен через клеммную панель к защищаемому сооружению, коллектор подключен через клеммную панель к протектору, а база подключена к дополнительному выходу входящего в состав электронного блока контроллеру измерения и управления.
Причинно-следственная связь между техническим результатом и дополнительно введенными в устройство существенными признаками: протектором, управляемым вентильным элементом и оснащением контроллера измерения и управления дополнительным выходом, состоит в том, что подключение к сооружению протектора обеспечивает в пределах зоны его действия защиту сооружения от коррозии, а подключение протектора к сооружению через управляемый вентильный элемент позволяет с помощью электронного блока стабилизировать защитный потенциал сооружения на заданном уровне. При этом входящий в состав электронного блока приемопередатчик позволяет дистанционно контролировать состояние сооружения и управлять процессом стабилизации защитного потенциала сооружения. В связи в вышеизложенным наличие каждого из введенных существенных признаков необходимо для достижения указанного выше технического результата.
Заявителем не были обнаружены источники информации об устройстве, имеющем всю совокупность отличительных существенных признаков, отраженных в формуле на заявляемую полезную модель. Из чего сделан вывод, что предлагаемое решение отвечает критерию "НОВИЗНА".
Для проверки соответствия заявляемого изобретения критерию изобретательский уровень заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения. Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалистов явным образом из известного уровня техники. Несмотря на то, что все функционально самостоятельные отличительные признаки известны сами по себе, заявителем не обнаружено такое их сочетание, как это представлено в заявляемой совокупности. Из этого сделан вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИЙ УРОВЕНЬ».
Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг. 2 - вариант компоновки устройства.
1 - корпус в виде стойки контрольно-измерительного пункта.
2 - откидной кожух.
3 - электронный блок.
4 - аккумулятор.
5 - клеммная панель.
6 - датчик.
7 - замок.
8 - солнечные панели.
9 - электрод сравнения.
10 - блок пластин-индикаторов скорости коррозии.
11 - протектор.
12 - управляемый вентильный элемент.
13, 14, 15, 16, 17 - соединительные кабели
18 - входной коммутатор.
19 - преобразователь сигналов.
20 - контроллер измерения и управления.
21 - приемопередатчик.
22 - интерфейс.
Сущность заявленного технического решения
Автономное устройство для катодной защиты подземных сооружений, содержит: корпус 1 в виде стойки контрольно-измерительного пункта с откидным кожухом 2, электронный блок 3, аккумулятор 4, клеммную панель 5, датчик 6 и замок 7, размещенные на торцевом основании корпуса 1 внутри откидного кожуха 2, на двухскатной крыше которого размещены солнечные панели 8, соединенные кабелем с электронным блоком 3; электрод сравнения 9, блок пластин-индикаторов скорости коррозии 10, протектор 11 размещенные за пределами корпуса 1, управляемый вентильный элемент 12, размещенный на клеммной панели 5 и подключенный через ее клеммы: к электронному блоку 3, к протектору 11 и к защищаемому сооружению; соединительные кабели 13, 14, 15, 16 и 17 для подключения к клеммной панели 5, соответственно, электрода сравнения 9, блока пластин-индикаторов скорости коррозии 10, протектора 11, защищаемого сооружения в точке дренажа, защищаемого сооружения в точке измерения потенциала, при этом электронный блок 3 содержит, входной коммутатор 18, подключенный к клеммной панели 5, преобразователь сигналов 19, соединенный с выходом входного коммутатора 18, контроллер измерения и управления 20, соединенный с выходом преобразователя сигналов 19, а также соединенные с контроллером измерения и управления 20 приемопередатчик 21 с встроенной антенной и интерфейс 22, оснащенный соединителем для подключения внешних устройств.
Пример реализации заявляемого изобретения.
Автономное устройство для катодной защиты подземных сооружений, может быть выполнено с использованием следующих компонентов: в качестве корпуса 1 может быть использована стандартная стойка КИП, оснащенная штатной клеммной панелью 5, контактным датчиком 6, замком 7 и откидным кожухом 2, крыша которого доработана для установки солнечных панелей 8, обеспечивающих подзарядку аккумулятора 4, емкость и выходное напряжение которого определяются мощностью потребления электронного блока 3. Входной коммутатор 18 и преобразователь сигналов 19 могут быть выполнены на базе аналогового коммутатора МАХ4590, конфигурация 2×SPST, конденсатора типа К10-43В, компаратора на микросхеме LT311A, операционного усилителя ОР177А, микропроцессора Atmega168, а контроллер измерения и управления 20 выполнен на базе микроконтроллера PIC24FJ256GA106. Приемопередатчик 21 может быть выполнен на базе GSM модема типа GSM 1800, а интерфейс 22 может быть выполнен на базе микросхемы интерфейса МАХ485. Из всех компонентов, входящих в состав электронного блока 3 большую часть потребляемой энергии приходится на GSM модем, и то, только во время передачи сообщения (примерно 1 А). Однако, средний ток потребления электронного блока при вышеупомянутой элементной базе составляет: в активном режиме порядка 20 мА, а в спящем режиме, между сеансами приема/передачи данных, порядка единиц микроампер. При этом, типовое номинальное напряжение питания цифровых компонентов электронного блока 3 составляет 3,6 В, а для питания аналоговых узлов необходимо напряжение не менее +/- 5 В. Таким образом, для функционирования электронного блока 3 может быть использован аккумулятор напряжением 12 В и емкостью 5 А*час., а солнечная панель должна обеспечить напряжение 15 В и ток не менее 0,5 А. Например солнечная панель CHN10-36М, размером 290 мм × 290 мм, обеспечивает ток 0,55 А при выходном напряжении 18 В. В качестве электрода сравнения 9 может быть использован электрод сравнения модели - ЭНЭС-3М, оснащенный датчиком поляризационного потенциала производства Ставропольского радиозавода. В качестве блока пластин-индикаторов скорости коррозии 10 может быть использован датчик скорости коррозии - ДСК-1 производства Концерна «Энергомера», в качестве протектора 11 - магниевый протектор ПМУ10. В качестве управляемого вентильного элемента 12 должен быть применен транзистор с током коллектора не менее 0,8 А, коэффициентом усиления не менее 200. Этим требованиям удовлетворяет отечественный транзистор КT686F (1к=1,5 А, Кус=250-630), предельное коммутируемое напряжение не является критичным, так как для серийных приборов минимальное значение этого параметра заведомо больше требуемого.
Описание работы устройства.
Основным назначением устройства является измерение параметров сооружения и стабилизация его защитного потенциала на заданном уровне. Диапазоны измеряемых параметров и диапазон стабилизации поляризационного потенциала регламентированы нормативной документацией (ГОСТ ИСО 9.602-2005) и имеют следующие значения:
- поляризационный потенциал, Uпп (-3,2 В) - 0 В;
- суммарный потенциал Ucyм(-4,0 В) - 0 В;
- ток поляризации вспомогательного электрода Iп(- 10 мА) - (+10 мА);
- сопротивление Nk 0 Ом - 15 Ом.
- стабилизации поляризационного потенциала Уст Uпп (-0,85 В) - (-1,15 В)
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Аналоговые сигналы, формируемые электродом сравнения 9, блоком пластин-индикаторов скорости коррозии 10, защищаемым сооружением, поступают на входной коммутатор 18, а с его выхода - на преобразователь сигналов 19. Далее, преобразованные в цифровую форму результаты измерений поступают на контроллер измерения и управления 20, в энергонезависимой памяти которого содержится алгоритм работы всего электронного блока. Контроллер измерения и управления 20 подключен одним из портов к приемопередатчику 21, посредством которого обменивается данными с диспетчерским пунктом, передавая результаты измерения параметров сооружения, и получая команды управления. Еще один порт контроллера измерения и управления 20 подключен к интерфейсу 22, посредством которого обеспечивается передача результатов измерения непосредственно на внешним компьютер или на переносной носитель информации. Программирование контроллера измерения и управления 20 также осуществляется через интерфейс 22. Для стабилизации защитного потенциала сооружения используется порт контроллера измерения и управления 20, подключенный к входу управления управляемого вентильного элемента 12, через который протектор 11 соединен с защищаемым сооружением. Ток, протекающий от протектора 11 к защищаемому сооружению, зависит от разности потенциалов между базой и эмиттером транзистора 12, который используется в виде управляемого вентильного элемента 12. Изменяя разность потенциалов между базой и эмиттером транзистора 12, контроллер измерения и управления 20 может управлять током, отдаваемым протектором 11 защищаемому сооружению, изменяя тем самым его защитный потенциал. Значение уровня потенциала, которое должно поддерживаться контроллером измерения и управления 20 программируется, как через интерфейс 22, так и через приемопередатчик 21 с диспетчерского пункта.
Заявляемое техническое решение, в том виде, каким оно описано в материалах заявки, позволяет:
1. Обеспечить автономными техническими средствами энергонезависимую защиту труднодоступных для электроснабжения участков подземного сооружения в режиме автоматической стабилизации защитного потенциала сооружения в зоне действия входящего в состав устройства протектора.
2. Дистанционный контроль состояния удаленного подземного сооружения.
3. Дистанционное управление параметрами защиты удаленного сооружения
4. Построить более рациональное и экономное распределение средств защиты трубопровода, имеющего на пути его пролегания труднодоступные для электроснабжения участки.
Вышеизложенные сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:
- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в средствах защиты подземных металлических сооружений различного назначения, в том числе трубопроводов.
- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение технического результата, заключающегося в обеспечении энергонезависимой защиты труднодоступных для электроснабжения участков подземного сооружения в режиме автоматической стабилизации защитного потенциала с возможностью дистанционного контроля и управления работой защитного устройства.
Для заявляемого устройства, в том виде, в котором оно охарактеризовано в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью средств, описанных в заявке, следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.