СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING POTENTIAL OF UNDERGROUND STRUCTURE AND DEVICE FOR IMPLEMENTING SAID METHOD

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована в системах электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии, в частности для измерения поляризационного и суммарного потенциалов сооружений в зонах действия блуждающих токов. Заявляемые технические решения могут быть использованы при построении систем катодной защиты с автоматической стабилизацией потенциала.
Из уровня техники известны способы и устройства для измерения потенциала, имеющие достаточное быстродействие для применения в системах катодной защиты с автоматической стабилизацией потенциала, однако они, как правило, имеют большую погрешность при измерении потенциала в условиях присутствия индустриальных помех. Известны также способы и устройства для измерения потенциала, имеющие фильтры помех и позволяющие использовать их в условиях присутствия индустриальных помех, однако они в своем большинстве имеют низкое быстродействие и не могут быть использованы в системах катодной защиты с автоматической стабилизацией потенциала. Кроме того, общим недостатком данных технических решений является то, что при модуляции сигнала, поступающего с датчика потенциала, сигналом помехи погрешность измерении потенциала существенно возрастает.
Δ
Δ
Δ
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
В частности, известно устройство для измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения в зоне действия блуждающих токов (патент РФ на изобретение №2287832, МПК: G01R 19/00), содержащее измерительный прибор, связанный с двумя электродами сравнения и через контрольно-измерительный пункт - с металлическим подземным сооружением. Измерительный прибор снабжен системой сбора данных, позволяющей использовать блуждающий ток в качестве источника тока, и подключенными к ней автономным источником питания, разъемом и блоками управления, индикации, памяти, причем первый вход измерительного прибора соединен с контрольно-измерительным пунктом, а его второй и третий входы соответственно с первым и вторым электродами сравнения. Данное устройство реализует способ измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения в зоне действия блуждающих токов, для осуществления которого измерительный прибор подключают с помощью соединительных проводников к медно-сульфатным электродам сравнения, установленным в грунте вблизи трубопровода, а также к контрольно-измерительному пункту. С помощью блока управления оператор выбирает необходимый режим измерения, после чего производят измерение двух физических величин напряжений U и U, при этом измерение осуществляют одновременно и дважды в разные промежутки времени t и t. Первое измерение U и U выполняют в любой момент времени t. Следующие измерения U и U выполняются в момент времени t. Для обеспечения необходимых условий, которые влияют на точность измерения, запускают оба измерительных канала одновременно в моменты времени t и t. Порог срабатывания устройства для времени t составляет не менее ±10-15% от значения U, измеренного в момент времени t. В качестве результата измерения принимают значение, рассчитанное по формуле. Точность измерения поляризационного потенциала в зонах действия блуждающих токов повышается за счет быстродействия устройства.
Однако конструкция устройства характеризуется наличием сложной аппаратуры, в том числе компьютера, а также необходимостью в дополнительном электроде сравнения, а способ измерения поляризационного потенциала предполагает длительный процесс измерения потенциала. Указанные особенности не позволяют использовать данные устройство и способ в системах автоматической стабилизации потенциала.
эхз
вэ
эс
эхз
вэ
эс
Известно устройство измерения потенциалов электрохимической защиты подземного металлического объекта (патент РФ на изобретение №2308702, МПК: G01N 17/02), содержащее электрод сравнения, вспомогательный электрод, ключ поляризации, включенный между вспомогательным электродом и объектом, и измерительный блок с функцией измерения потенциалов на его измерительных входах относительно его общей шины, имеющий управляющий выход, соединенный с управляющим входом ключа поляризации, и выходную шину данных с аналоговой или цифровой формой представления информации, являющуюся выходом устройства. Названные электроды соединены с измерительными входами измерительного блока, а общая шина измерительного блока соединена с объектом, при этом измерительный блок снабжен функциями вычисления потенциалов электрохимической защиты объекта вида U=f(U, U), где U - вычисленное значение потенциала электрохимической защиты объекта; U - потенциал на измерительном входе блока, подключенном к вспомогательному электроду, при разомкнутом ключе поляризации; U - потенциал на измерительном входе блока, подключенном к электроду сравнения, при замкнутом или разомкнутом ключе поляризации.
R
R
R
эс
R
R
R
Δ
Способ измерения потенциала, реализуемый данным изобретением, характеризуется цикличностью и включает интервал поляризации Тп и интервал измерения Ти. В течение интервала поляризации Тп ключ поляризации замкнут (высокий уровень сигнала) и вспомогательный электрод поляризуется потенциалом объекта защиты. В начале интервала ток поляризации максимален, а в конце интервала спадает до нуля, при этом поляризационный потенциал вспомогательного электрода достигает установившегося значения и становится равным поляризационному защитному потенциалу объекта Uп. В течение интервала измерения Ти ключ поляризации разомкнут (низкий уровень сигнала) и вспомогательный электрод отключен от объекта. В этом интервале производится измерение потенциалов электродов, причем потенциалы измеряются относительно потенциала объекта. В начале интервала измерения потенциал вспомогательного электрода относительно объекта принимает значение: Uвэ=-(Uп+U)+Uп=-U, где U - омическая составляющая защитного потенциала объекта, т.е. становится равным омической составляющей поляризационного потенциала объекта с обратным знаком. Затем по причине деполяризации электрода Uвэ изменяется, стремясь к потенциалу электрода сравнения Uэс. Непосредственно после размыкания ключа поляризации вследствие переходных процессов на потенциал Uвэ накладывается напряжение помехи, поэтому измерение данного потенциала производится с задержкой Т относительно начала интервала Ти, необходимого для завершения переходного процесса. Зафиксированное устройством выборки и хранения значение Uвэ преобразуется аналого-цифровым преобразователем в код, который поступает в цифровое вычислительно устройство. Измерение потенциала Uэс электрода сравнения также производится в интервале Ти с целью исключения погрешности, вызванной падением напряжения на проводнике от протекания тока поляризации In в интервале поляризации Тп. При этом значение U определяется соотношением: Uэс=-(Uп+U)=-Uc, где Uc - суммарный защитный потенциал объекта. Зафиксированное значение Uвэ также преобразуется аналого-цифровым преобразователем в код, который поступает в цифровое вычислительное устройство. На основании измеренных значений потенциалов Uвэ и Uэс цифровое вычислительное устройство вычисляет значения потенциалов электрохимической защиты объекта - поляризационного защитного потенциала Uп, суммарного защитного потенциала Uc и омической составляющей U защитного потенциала по следующим соотношениям: Uп=Uвэ-Uэс; Uc=-Uэс; U=-Uвэ. Вычисленные значения потенциалов передаются по выходной шине.
Однако данные устройство и способ характеризуются низкой точностью измерения потенциала в зоне действия блуждающих токов, которые являются причиной модуляции измеряемого потенциала сигналом помехи. Особенно это проявляется при измерении суммарного потенциала.
Наиболее близкими к заявляемой группе изобретений является способ и устройство для измерения потенциалов подземных трубопроводов (патент на изобретение РФ №2229704, МПК: G01N 27/00, G01R 19/00). Устройство содержит электронный коммутатор, состоящий из электронных ключей поляризации и заряда, к входам которого подключены медно-сульфатный неполяризующийся электрод сравнения с датчиком потенциала и трубопровод, а выход подключен к конденсатору заряда, блок индикации, кнопку выбора длительности задержки. Устройство содержит также входной буфер поляризационного и суммарного потенциалов, блоки выделения поляризационного и суммарного потенциалов, преобразования отрицательного напряжения, аналого-цифровой преобразователь и центральный процессор. При этом выход коммутатора подключен к конденсатору заряда и входу входного буфера поляризационного потенциала, выход которого соединен с входом блока выделения поляризационного потенциала. К входам входного буфера суммарного потенциала подключен медно-сульфатный неполяризующийся электрод сравнения и трубопровод, выход соединен с входом блока выделения суммарного потенциала. Выход блока выделения суммарного потенциала соединен с одним из входов блока преобразования отрицательного напряжения, второй вход которого соединен с выходом блока выделения поляризационного потенциала, а выход соединен с входом аналого-цифрового преобразователя. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом данных центрального процессора. Выходы последнего соединены с входами управления электронного коммутатора и блоков выделения поляризационного потенциала, выделения суммарного потенциала, преобразования отрицательного напряжения, аналого-цифрового преобразователя и индикации, а один из входов - с выходом блока преобразования отрицательного напряжения. Кнопка выбора длительности задержки подключена к блоку центрального процессора. Способ измерения поляризационного потенциала подземного сооружения включает циклическую последовательность действий, состоящую из поляризации датчика потенциала с последующим измерением поляризационного потенциала с задержкой после окончания интервала поляризации, при этом поляризацию осуществляют в течение интервала времени, достаточного для выравнивания величины потенциала датчика до величины потенциала сооружения. Способ измерения суммарного потенциала подземного сооружения заключается в измерении разности потенциалов между электродом сравнения и датчиком потенциала, поляризованного до потенциала сооружения.
Недостатком известных способов и устройства является низкая точность измерения потенциала в зоне действия блуждающих токов, которые являются причиной модуляции измеряемого потенциала сигналом помехи, особенно это проявляется при измерении суммарного потенциала.
Задачей группы изобретений является повышение эффективности автоматической защиты подземных сооружений.
Технический результат достигается в повышении помехоустойчивости в процессе измерения потенциала подземных сооружений в режиме автоматической стабилизации потенциала в присутствии индустриальных помех.
Поставленная задача решается тем, что в способе измерения поляризационного потенциала подземного сооружения осуществляют циклическую последовательность действий, состоящую из поляризации датчика потенциала и последующего измерения поляризационного потенциала, производимого с задержкой после окончания поляризации, при этом поляризацию осуществляют в течение интервала времени, достаточного для выравнивания величины потенциала датчика до величины потенциала сооружения, при поляризации датчика потенциала измеряют амплитуду сигнала помехи, при этом формируют пороговое значение сигнала помехи, а поляризационный потенциал измеряют при значениях амплитуды сигнала помехи ниже порогового значения. Начало измерения поляризационного потенциала синхронизируют с моментом перехода текущего значения сигнала помехи через пороговое значение в направлении нулевого значения.
Поставленная задача также решается тем, что в способе измерения суммарного потенциала подземного сооружения осущестяляют циклическую последовательность действий, состоящую из измерения амплитуды сигнала помехи и последующего измерения разности потенциалов между электродом сравнения и датчиком потенциала, поляризованного до потенциала сооружения, при этом формируют пороговое значение сигнала помехи, а измерение разности потенциалов осуществляют при значениях амплитуды сигнала помехи ниже порогового значения. Начало интервала измерения разности потенциалов синхронизируют с моментом перехода текущего значения сигнала помехи через пороговое значение в направлении нулевого значения.
Поставленная задача также решается тем, что устройство для измерения потенциала подземного сооружения, включающее прерыватель поляризации, прерыватель измерения, накопитель с двумя выводами, тактовый генератор, измерительный усилитель, при этом первый коммутируемый вывод прерывателя поляризации соединен с внешним выводом устройства, предназначенным для измерения потенциала сооружения, а второй коммутируемый вывод соединен с внешним выводом устройства, предназначенным для измерения потенциала датчика потенциала, и с первым коммутируемым выводом прерывателя измерения, второй коммутируемый вывод которого связан с первым выводом накопителя и с первым входом измерительного усилителя, второй вход которого соединен со вторым выводом накопителя и с внешним выводом устройства, предназначенным для измерения потенциала электрода сравнения, при этом первый выход тактового генератора подключен к управляющему входу прерывателя поляризации, а второй его выход подключен к управляющему входу прерывателя измерения, причем выход измерительного усилителя является выходом устройства, согласно изобретению содержит блок измерения сигнала помехи, первый вход которого соединен с внешним выводом устройства, предназначенным для измерения потенциала сооружения, второй вход - с внешним выводом, предназначенным для измерения потенциала электрода сравнения, а выход подключен к дополнительно введенному измерительному входу тактового генератора, выполненного с возможностью программирования и снабженного входом программирования, являющимся внешним выводом устройства. Блок измерения сигнала помехи состоит из последовательно соединенных измерительного усилителя, полосового фильтра, выпрямителя.
Изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 приведены диаграммы, поясняющие алгоритм работы устройства.
Позициями на чертеже обозначены: 1 - прерыватель поляризации, 2 - прерыватель измерения, 3 - накопитель (элемент памяти), 4 - тактовый генератор, 5 - первый измерительный усилитель, 6 - второй измерительный усилитель, 7 - полосовой фильтр, 8 - выпрямитель, 9 - блок измерения сигнала помехи. Буквенными символами обозначены: МСЭ - электрод сравнения, ДП - датчик потенциала, TP - точка измерения потенциала защищаемого сооружения, ПРГ - вывод устройства для программирования параметров цикла измерения.
Устройство измерения потенциала в системе катодной защиты подземных сооружений содержит внешний вывод для подключения внешнего кабеля от электрода сравнения (МСЭ), внешний вывод устройства для подключения внешнего кабеля от датчика потенциала (ДП), внешний вывод устройства для подключения внешнего кабеля от точки измерения потенциала защищаемого сооружения (TP), внешний вывод устройства для программирования параметров цикла измерения (ПРГ), внешний вывод устройства, предназначенный для подключения устройства к системе катодной защиты (Вых), прерыватель поляризации 1, прерыватель измерения 2, накопитель 3, тактовый генератор 4, первый измерительный усилитель 5, блок измерения сигнала помехи 9, который может быть реализован, например, в виде второго измерительного усилителя 6, полосового фильтра 7 и выпрямителя 8. При этом первый вывод прерывателя поляризации 1 подключен к внешнему выводу "TP" заявляемого устройства и к первому входу второго измерительного усилителя 6, а второй вывод - к внешнему выводу "ДП" заявляемого устройства и к первому выводу прерывателя измерения 2. Второй вывод прерывателя измерения 2 связан с первым выводом накопителя 3 и с первым входом первого измерительного усилителя 5, второй вход которого соединен с вторым выводом накопителя 3, с внешним выводом "МСЭ" заявляемого устройства и со вторым входом второго измерительного усилителя 6. Выход первого измерительного усилителя 5 является внешним выводом "ВЫХ" заявляемого устройства. Выход второго измерительного усилителя 6 связан с входом полосового фильтра 7, выход которого соединен с входом выпрямителя 8, выход которого подключен к измерительному входу тактового генератора 4, первый выход которого подключен к управляющему входу прерывателя поляризации 1, а второй выход - к управляющему входу прерывателя измерения 2. Вход программирования тактового генератора 4 является внешним выводом "ПРГ" заявляемого устройства.
Конструкция заявляемого устройства обеспечивает его работу как в режиме измерения поляризационного потенциала, так и в режиме измерения суммарного потенциала.
Работа устройства, реализующего способ измерения поляризационного потенциала, осуществляется следующим образом.
Последовательность операций при измерении поляризационного потенциала носит циклический характер с чередованием интервалов времени, первый из которых именуется фазой измерения сигнала помехи, а второй, следующий за первым, - фазой измерения потенциала. Фаза измерения потенциала в свою очередь состоит из интервала времени, именуемого фазой задержки, и интервала времени, именуемого фазой накопления. При этом на протяжении фазы измерения сигнала помехи прерыватель поляризации 1 замкнут, а прерыватель измерения 2 разомкнут, на протяжении фазы задержки оба прерывателя разомкнуты, а на протяжении фазы накопления прерыватель поляризации 1 разомкнут, а прерыватель измерения 2 замкнут.
Временные параметры исходного цикла измерения жестко заданы в памяти контроллера тактового генератора 4 и не меняются в процессе работы. Второй измерительный усилитель 6, полосовой фильтр 7 и выпрямитель 8 предназначены для выделения из входного сигнала переменной составляющей сигнала помехи, возникающего при воздействии на сооружение блуждающих токов от посторонних источников электроэнергии (например, электрифицированного транспорта), и формирования на первом (аналоговом) входе тактового генератора 4 эквивалентного ей однополярного сигнала (эпюра 1, фиг.2). Встроенные в контроллер тактового генератора 4 технические средства осуществляют измерение текущего значения сигнала помехи, а также сравнение амплитуды сигнала помехи с пороговым значением, формируемым встроенным в тактовый генератор источником опорного напряжения (порог 1 на эпюре 1, фиг.2).
Если амплитуда сигнала помехи не превышает пороговый уровень, формируемый встроенным источником опорного напряжения, то помеха считается несущественной, и тактовый генератор формирует сигналы управления прерывателями 1 и 2 в соответствии с временными параметрами исходного цикла, хранящегося в памяти тактового генератора, если сигнал помехи превышает указанный пороговый уровень, то помеха считается существенной. В данном случае техническими средствами тактового генератора 4 сигнал на замыкание прерывателя измерения 2 формируется только при снижении сигнала помехи ниже порогового уровня, формируемого встроенным источником опорного напряжения. При этом измерение поляризационного потенциала происходит в интервале времени, в течение которого сигнал помехи принимает минимальное значение. Временные параметры цикла измерения могут меняться в процессе работы, так как синхронизированы с сигналом помехи.
Более детально работа устройства, реализующего способ измерения поляризационного потенциала, заключается в следующем.
Цикл измерения начинается с фазы измерения сигнала помехи, на протяжении которой прерыватель поляризации 1 замкнут (эпюра 2, фиг.2), а прерыватель измерения 2 разомкнут (эпюра 3, фиг.2). К окончанию данной фазы потенциал на входе ДП становится равным потенциалу на входе ТР. Минимальное нормированное значение фазы измерения сигнала помехи, которое может быть принято равным, например, 8 мс, формируется тактовым генератором 4 при условии, что на протяжении данной фазы текущее значение переменной составляющей сигнала помехи, наведенной на сооружение посторонними источниками, не превысило заданное пороговое значение (порогом синхронизации), хранящееся в памяти контроллера тактового генератора 4 (эпюра 1, фиг.2). Выбор минимального нормированного значения фазы измерения сигнала помехи обусловлен величиной полупериода сигнала помехи, в соответствии с которой генератор настроен на формирование сигналов управления прерывателем измерения и прерывателем поляризации. Измерение и преобразование сигнала помехи осуществляется вторым измерительным усилителем 6, полосовым фильтром 7, выпрямителем 8. Полосовой фильтр 7 пропускает на вход выпрямителя 8 сигнал помехи в диапазоне рабочих частот наиболее распространенных промышленных источников помех (от 10 Гц до 300 Гц). Выпрямитель 8 преобразует сигнал помехи в форму, доступную для обработки техническими средствами контроллера тактового генератора 4. Если сигнал помехи на протяжении нормированного минимального значения фазы измерения сигнала помехи хотя бы один раз превысил порог синхронизации, то окончание фазы измерения сигнала помехи и начало фазы измерения потенциала формируется тактовым генератором 4 только при условии, что текущее значение сигнала помехи не превышает порог синхронизации (см. эпюры 1, 2, 3 фиг.2). Если к моменту окончания нормированного значения фазы измерения сигнала помехи сигнал помехи становится меньше порога синхронизации, то длительность фазы поляризации устанавливается тактовым генератором 4 равной минимальному нормированному значению. Значение порога синхронизации может быть выбрано, например, равным 0,1 B, исходя из ослабления (примерно в 5-10 раз) сигнала помехи фильтром нижних частот, образуемым самим накопителем 3.
-8
-3
После окончания фазы измерения сигнала помехи начинается фаза задержки, на протяжении которой оба прерывателя 1 и 2 находятся в разомкнутом состоянии (эпюры 2 и 3, фиг.2). В течение данной фазы происходит естественное уменьшение омической и поляризационной составляющих потенциала, накопленного на протяжении фазы измерения сигнала помехи. Длительность фазы задержки (0,5 мсек) выбрана исходя из среднестатистической постоянной времени спадания омической составляющей потенциала (порядка 10 сек) и среднестатистической постоянной времени уменьшения поляризационной составляющей потенциала (порядка 10 сек). Это позволяет считать, что к окончанию фазы задержки доля омической составляющей потенциала является незначительной. Заявляемое устройство выполнено с возможностью программирования перед началом работы длительности любой из фаз цикла измерения, в том числе и фазы задержки. После окончания фазы задержки начинается фаза накопления (1,5 мсек), на протяжении которой прерыватель поляризации 1 разомкнут (эпюра 2, фиг.2), а прерыватель измерения 2 замкнут (эпюра 3, фиг.2). При этом в накопителе 3 формируется разность потенциалов между датчиком потенциала и электродом сравнения, которая преобразуется первым измерительным усилителем 5 в удобную для считывания форму сигнала, и на его выходе формируется значение поляризационного потенциала.
Таким образом, начало фазы измерения потенциала осуществляют либо через исходный нормированный интервал времени, если помеха на протяжении фазы ее измерения не превышала пороговое значение, либо синхронизируют с моментом уменьшения сигнала помехи ниже порогового значения, если она превышала в течение фазы ее измерения пороговое значение. При этом окончание фазы измерения всегда осуществляют через нормированное от начала фазы измерения время, а длительность фазы задержки и длительность фазы накопления также не меняют в процессе работы, однако могут программировать перед началом работы.
Работа устройства, реализующего способ измерения суммарного потенциала, осуществляется следующим образом.
Работа устройства для измерения суммарного потенциала аналогична последовательности действий, описанной при измерении поляризационного потенциала за исключением того, что в фазе измерения потенциала отсутствует фаза задержки. При этом прерыватель поляризации 1 постоянно замкнут как на протяжении фазы измерения сигнала помехи, так и на протяжении фазы измерения потенциала (эпюра 4, фиг.2), а прерыватель измерения 2 замкнут на всем протяжении фазы измерения потенциала (эпюра 5, фиг.2) и разомкнут на протяжении фазы измерения сигнала помехи. При этом в течение фазы измерения потенциала в накопителе 3 формируется текущее значение суммарного потенциала, представляющего собой разность потенциалов между потенциалом электрода сравнения и потенциалом сооружения.
Если на протяжении фазы измерения помехи сигнал помехи хотя бы один раз превысил порог синхронизации, то начало фазы измерения потенциала формируется тактовым генератором 4 после уменьшения сигнала помехи ниже порога синхронизации (см. эпюры 1, 4, 5 фиг.2). Если к моменту окончания фазы измерения помехи сигнал помехи уже меньше порога синхронизации, то длительность фазы измерения помехи формируется тактовым генератором 4 равной исходному нормированному значению. После окончания фазы измерения сигнала помехи начинается фаза измерения потенциала (2 мсек), на протяжении которой оба прерывателя 1 и 2 замкнуты (эпюры 4 и 5, фиг.2). В течение данной фазы в накопителе 3 формируется разность потенциалов между сооружением и электродом сравнения, которая преобразуется первым измерительным усилителем 5 в удобную для считывания форму сигнала, и на его выходе формируется значение суммарного потенциала.
Приведенные временные параметры цикла измерения выбраны с учетом рекомендаций ГОСТ 9.602-89.
Один из возможных вариантов реализации устройства
Было изготовлено заявляемое устройство, в котором в качестве прерывателя поляризации 1 был использован интегральный коммутатор с гальванически развязанным управлением PVG612, в качестве прерывателя измерения 2 - интегральный коммутатор с гальванически развязанным управлением CPC1035N, в качестве накопителя 3 - конденсатор SMD1206 luF, тактовый генератор 4 построен на базе программируемого контроллера PIC24FJ256GA 106, первый и второй измерительные усилители 5 и 6 - на базе операционного усилителя INA132, полосовой фильтр 7 - на базе операционного усилителя OP177GS, выпрямитель 8 - на базе операционного усилителя LM2914 и диодов LL4148.
Заявляемая группа изобретений обеспечивает решение поставленной задачи и достижение технического результата при использовании их в станциях катодной защиты металлических сооружений от коррозии с автоматической стабилизацией потенциала в зоне действия сильных индустриальных помех.