Способ измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения
METHOD FOR MEASUREMENT OF POLARIZING POTENTIAL OF METAL UNDERGROUND STRUCTURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах электрохимической защиты подземных стальных  сооружений от коррозии, в частности для измерения поляризованного потенциала подземного сооружения.
Известны способы и устройства для измерения поляризационного потенциала подземного сооружения, использующие, как минимум два  электрода сравнения, расположенных вдоль продольной стороны исследуемого сооружения, которое периодически поляризуют от внешнего источника постоянного или переменного тока, измеряют в разные промежутки времени значения потенциала для каждого из электродов сравнения, а также разность потенциалов между ними,  после чего, используя результаты измерений, рассчитывают по определённой формуле значение поляризационного потенциала (патенты RU на изобретение №2069861, №2209439, №2269784, №2287832, 2350971). патенты JP на изобретения №7318529, 7209237.
Общими недостатками указанных выше способов и устройств измерения поляризационного потенциала стального подземного сооружения являются: сложный и трудоёмкий алгоритм проведения измерений, требующий применения математических вычислений значения потенциала по результатам проведённых замеров; необходимость дополнительной поляризации контролируемого сооружения переменным или постоянным катодным током с применением специализированного оборудования (источника питания, генератора сигналов, коммутаторов, дополнительных электродов сравнения); увеличение погрешности измерения за счёт дополнительной погрешности математических вычислений, выполняемых для определения  значения потенциала по результатам проведённых замеров; сложность реализации в составе системы автоматического регулирования потенциала, встроенной в катодную станцию; высокая погрешность измерения при импульсном характере выходного сигнала катодной станции, обусловленная отсутствием синхронизации между процессом измерения и выходным  сигналом катодной станцией; низкая точность измерения в зоне действия помех, создаваемых блуждающими токами.
Известны способы и устройства для измерения поляризационного потенциала подземного сооружения, осуществляющие периодическую поляризацию вспомогательного датчика до потенциала контролируемого сооружения, измерение в интервалах между циклами поляризации вспомогательного датчика текущего значения его потенциала, оставшегося после его отключения от контролируемого сооружения (патент ФРГ №3707791, патенты RU на изобретение №2023053, №2229704, №2513666).
Общими недостатками данных способов и устройств измерения поляризационного потенциала стального подземного сооружения являются: высокая погрешность измерения потенциала при импульсном характере выходного сигнала катодной станции, обусловленная отсутствием синхронизации между процессом измерения и выходным  сигналом катодной станции, так как момент измерения потенциала может случайным образом совпасть, либо с максимальным, либо с минимальным значением выходного импульсного сигнала катодной станции; низкая эффективность контроля сигнала помехи, снижающая достоверность результатов измерения потенциала в зоне действия помех, создаваемых блуждающими токами.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является способ измерения потенциала подземного сооружения и устройство для его осуществления (патент РФ №2421737), характеризующийся циклическим повторением совокупности действий, именуемой циклом измерения, состоящим из фазы поляризации, фазы задержки и фазы измерения, при этом: в течение фазы поляризации осуществляют поляризацию дополнительного электрода, используемого в качестве датчика потенциала, а в течение фазы задержки и фазы измерения исключают возможность такой поляризации; длительность фазы задержки устанавливают достаточной для исключения омической составляющей потенциала; длительность фазы измерения  устанавливают достаточной для измерения и регистрации поляризационной составляющей потенциала, а разность потенциалов, между электродом сравнения и датчиком потенциала, измеренную в течение фазы измерения, регистрируют в качестве поляризационного потенциала, наряду с этим, контролируют  изменение сигнала помехи, формируют порог разрешения измерения потенциала, а измерение поляризационной составляющей потенциала осуществляют, если значение сигнала помехи не превышает порога разрешения измерения потенциала,
Недостатками ближайшего аналога являются: высокая погрешность измерения потенциала при импульсном характере выходного сигнала катодной станции, обусловленная отсутствием синхронизации между процессом измерения и выходным сигналом катодной станции; низкая оперативность реагирования на изменение уровня сигнала помехи, снижающая достоверность результатов измерения.
Задачей заявляемого изобретения является – повышение качества защиты сооружения при импульсном характере выходного сигнала источника катодного тока.
Технический результат, отвечающий сформулированной выше задаче, заключается в повышении точности измерения поляризационного потенциала и повышении качества контроля сигнала помехи при импульсном характере выходного сигнала источника катодного тока.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения, характеризующимся циклическим повторением совокупности действий, именуемой циклом измерения, состоящим из фазы поляризации, фазы задержки и фазы измерения, при этом: в течение фазы поляризации осуществляют поляризацию дополнительного электрода, используемого в качестве датчика потенциала, а в течение фазы задержки и фазы измерения исключают возможность такой поляризации; длительность фазы задержки устанавливают достаточной для исключения омической составляющей потенциала; длительность фазы измерения устанавливают достаточной для измерения и регистрации поляризационной составляющей потенциала, а разность потенциалов, между электродом сравнения и датчиком потенциала, измеренную в течение фазы измерения, регистрируют в качестве поляризационного потенциала, наряду с этим, контролируют изменение сигнала помехи, формируют порог разрешения измерения потенциала, а измерение поляризационной составляющей потенциала осуществляют, если значение сигнала помехи не превышает порог разрешения измерения потенциала, согласно заявляемому изобретению, поляризацию датчика потенциала при импульсном выходном сигнале катодной станции осуществляют во время действия импульса выходного сигнала катодной станции; начало фазы задержки синхронизируют с окончанием выходного импульса катодной станции, а окончание фазы измерения синхронизируют с окончанием паузы между импульсами выходного сигнала катодной станции, при этом контроль  изменения сигнала помехи и формирование сигнала разрешения или блокировки измерения потенциала осуществляют аппаратными средствами на протяжении всех фаз цикла измерения потенциала.
Причинно-следственная связь между введенными в способ измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения, существенными признаками, и техническим результатом заключается в следующем:
1. Благодаря строгой синхронизации цикла измерения потенциала с выходным импульсным сигналом катодной станции исключена непредсказуемость совпадения фазы измерения потенциала с различными фазами (импульс или пауза) выходного импульсного сигнала катодной станции, в результате чего измерение поляризационной составляющей потенциала осуществляют только во время паузы между импульсами выходного сигнала катодной станции, что существенно повышает точность измерения потенциала.
2. Осуществление контроля изменения сигнала помехи на протяжении всех фаз цикла измерения потенциала, а не только в течение фазы поляризации, как это реализовано в ближайшем аналоге, существенно повышает эффективность слежения за изменением уровня сигнала помехи, а реализация аппаратными средствами операций выделения переменной составляющей сигнала помехи, преобразования её к виду, удобному для сравнения с заданным пороговым уровнем, и формирования сигнала разрешения или блокировки измерения потенциала, существенно повышает оперативность реагирования средств реализации заявляемого способа на изменение сигнала помехи, что существенно повышает достоверность результата измерения.
Таким образом, исключение любого из вновь введённых существенных признаков не позволит достичь указанного выше технического результата.
Заявителем не были обнаружены источники информации об устройстве, имеющем всю совокупность отличительных существенных признаков, отражённых в формуле на заявляемое изобретение. Из чего сделан вывод, что предлагаемое техническое 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  заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное 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 отражена функциональная схема устройства, используемого для реализации заявленного способа.
Позициями на Фиг.1 обозначены: 1 - процессор, 2 - блок  программирования, 3 - блок индикации, 4 - формирователь цикла измерения, 5 - первый измерительный усилитель, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - второй измерительный усилитель, 8 - фильтр верхних частот, 9 - выпрямитель, 10 - компаратор, 11 - клемма синхронизации; 12 - ключ поляризации, 13 - ключ измерения, 14 - накопитель заряда, 15 - клемма подключения электрода сравнения, 16 - клемма подключения датчика потенциала, 17 - клемма подключения сооружения.
Устройство измерения поляризационного потенциала подземного стального сооружения, которое может быть использовано для реализации заявляемого способа, содержит: процессор 1, первый порт которого соединён с блоком программирования 2, второй порт соединён с блоком индикации 3; формирователь цикла измерения 4, подключённый своим входом к третьему порту процессора 1; первый измерительный усилитель 5, выход которого соединён с входом аналого-цифрового преобразователя 6, соединённого своим выходным портом с четвёртым портом процессора 1; второй измерительный усилитель 7, соединённый своим выходом с входом фильтра верхних частот 8; выпрямитель 9, соединённый своим входом с выходом фильтра верхних частот 8, а выходом - с первым входом компаратора 10, выход которого соединён с пятым портом процессора 1, а второй вход подключён к шестому порту процессора 1, седьмой порт которого является входом синхронизации процесса измерения потенциала выходным сигналом катодной станции и подключён к клемме синхронизации 11; ключ поляризации 12, соединённый своим управляющим входом с первым выходом формирователя цикла измерения 4; ключ измерения 13, соединённый своим управляющим входом со вторым выходом формирователя цикла измерения 4; накопитель заряда 14, соединённый своим первым выводом с первым входом первого измерительного усилителя 5 и с первым выводом ключа измерения 13; клемма подключения электрода сравнения 15, соединённая со вторым выводом накопителя заряда 14, со вторым входом первого измерительного усилителя 5 и с первым входом второго измерительного усилителя 7;  клемма подключения датчика потенциала 16, соединённая с первым выводом ключа поляризации 12 и  со  вторым выводом ключа измерения 13; клемма подключения сооружения 17, соединённая со вторым входом второго измерительного усилителя 7 и со вторым выводом ключа поляризации 12.
Работа устройства, реализующего заявляемый способ измерения потенциала, осуществляется следующим образом.
Процесс измерения потенциала носит циклический характер, а каждый цикл измерения потенциала состоит из совокупности действий, именуемых: фаза поляризации, фаза задержки и фаза измерения, при этом  в соответствии с сигналом синхронизации, поступающим на седьмой порт процессора 1, начало фазы поляризации совпадает с началом импульса выходного сигнала катодной станции, а окончание фазы поляризации совпадает с окончанием импульса выходного сигнала катодной станции,
Начало фазы задержки совпадает с окончанием импульса выходного сигнала катодной станции, а суммарная длительность фазы задержки и фазы измерения не превышает длительность паузы между импульсами выходного сигнала катодной станции. В течение фазы поляризации по сигналу, поступающему с первого выхода формирователя цикла измерения 4, ключ поляризации 12 переводится в замкнутое состояние и соединяет клемму подключения датчика потенциала 16 с клеммой подключения сооружения 17. В результате этого к моменту окончания  фазы поляризации потенциал датчика потенциала сравнивается с потенциалом сооружения. При этом, на всём протяжении фазы поляризации ключ измерения 13 удерживается сигналом со второго выхода формирователя цикла измерения 4 в разомкнутом состоянии. После окончания фазы поляризации ключ поляризации 12 переводится в разомкнутое состояние и остаётся в разомкнутом состоянии на всём протяжении фазы задержки. При этом на всём протяжении фазы задержки ключ измерения 13 также удерживается в разомкнутом состоянии. В течение фазы задержки происходит естественное уменьшение заряда, накопленного на датчике потенциала в течение фазы поляризации. При этом потенциал сооружения включает омическую и поляризационную составляющие, скорости спада которых существенно различаются. Именно омическая составляющая потенциала уменьшается значительно быстрее потенциальной составляющей. Назначение фазы задержки состоит в том, чтобы к началу фазы измерения поляризационного потенциала омическая составляющая потенциала уменьшилась до уровня допустимой погрешности измерения поляризационного потенциала. После окончания фазы задержки включается ключ измерения 13, соединяя клемму подключения датчика потенциала 16 с первым выводом накопителя 14. Так как второй его вывод постоянно подключен к клемме подключения электрода сравнения 15, то оставшийся после фазы задержки заряд на датчике потенциала переносится на накопитель 14. Разность потенциалов между обкладками накопителя 14, представляющую  собой поляризационную составляющую потенциала, считывается  первым измерительным усилителем 5 и преобразуется аналого-цифровым преобразователем 6 в цифровой вид поляризационного потенциала, поступающий на четвёртый порт процессора 1. Кроме этого, на протяжении всех фаз цикла измерения потенциала, включая фазу поляризации, фазу задержки и фазу измерения, с помощью второго измерительного усилителя 7, фильтра верхних частот 8 и выпрямителя 9 осуществляется выделение и выпрямление переменной оставляющей наведённого на сооружение сигнала помехи, присутствующего между клеммой подключения сооружения 17 и клеммой подключения электрода сравнения 15. После выпрямления однополярный  пульсирующий сигнал помехи подаётся на первый вход компаратора 10, на втором входе которого поддерживается постоянное напряжение, соответствующее порогу разрешения измерения потенциала. В результате сравнения пульсирующего сигнала помехи и постоянного напряжения порога разрешения измерения потенциала на выходе компаратора 10 формируется сигнал, по которому процессор 1, либо блокирует процесс  измерения, если значение помехи превышает порог измерения, либо разрешает измерение, если значение помехи не превышает порог измерения. В связи с аппаратной реализацией выделения переменной составляющей помехи, её преобразования и сравнения с порогом измерения, повышается быстродействие выполнения данных операций и оперативность слежения за изменением сигнала помехи.
Для выбора электронных компонентов, используемых при реализации заявляемого способа необходимо оценить количественные временные характеристики цикла измерения потенциала и составляющих его компонентов: фазы поляризации, фазы задержки, фазы измерения.
В соответствии с рекомендациями ГОСТ 9.602-2005 и в большинстве серийных приборов «ПКИ-02», «Орион ИП-01», «ИПП-01 Менделеевец», Мультиметр цифровой специализированный 43313, используемых при эксплуатации подземных стальных сооружений общепринятыми считаются следующие временные параметры цикла измерения потенциала: общий цикл измерения – от 15 млсек до 20 млсек, фаза поляризации – от 5 млсек до 15 млсек, фаза задержки измерения - от 0,2 млсек до 1,6 млсек, фаза измерения - от 3 млсек до 4 млсек. В то же время, измеренные на реальных трубопроводах авторами заявляемого способа, значения времени спада омической составляющей потенциала сооружения не выходили за пределы диапазона: от 0,05 млсек до 0,8 млсек. В связи с тем, что быстродействие современных электронных компонентов позволяет осуществлять измерение поляризационного потенциала, включая аналого-цифровое преобразование и регистрацию  результата измерения в памяти процессора 1, за время порядка 10-20 мкс, суммарное время фазы задержки и фазы измерения не превышает 1 млсек. В то же время при частоте выходного импульсного сигнала катодной станции в диапазоне частот от 10 Гц до 100 Гц и минимальном значении длительности поляризации (5 млсек), осуществляемой в течение длительности выходного импульса катодной станции, минимальная длительность паузы между импульсами выходного сигнала катодной станции составляет 5 млсек. Это существенно больше суммарного времени фазы задержки и фазы измерения (1 млсек.). Таким образом, даже при максимальной частоте (100 Гц) выходного импульсного сигнала катодной станции обеспечивается возможность синхронизации цикла измерения поляризационного потенциала с выходным импульсным сигналом катодной станции, что подтверждает возможность реализации заявляемого способа.
Ниже приведён один из вариантов реализации узлов устройства, отображённого на Фиг.1.
Процессор 1 может быть построен на базе микроконтроллера ATMEGA644PA-AU; в качестве блока программирования 2 и блока индикации 3 может быть использован, либо ноутбук, либо специализированный дисплей с сенсорной клавиатурой; формирователь цикла измерения 4, может быть построен на базе микроконтроллера ATMEGA48Р-20AU; первый измерительный усилитель 5 и второй измерительный усилитель 7 могут быть построены на базе инструментального усилителя INA132; аналого-цифровой преобразователь 6 построен на базе микросхемы AD7685; фильтр верхних частот 8 может быть выполнен по схеме фильтра Саллена и Кея на базе прецизионного операционного усилителя ОР177 и набора прецизионных резисторов и конденсаторов; выпрямитель 9 может быть выполнен на базе операционного усилителя ОР177, двух диодов Шоттки 1N5819 и набора точных резисторов по схеме точного выпрямителя с компенсацией падения напряжения на диоде; компаратор 10 может быть выполнен на базе микросхемы LM6511; в качестве ключа поляризации 12 и ключа измерения 13 могут быть использованы оптронные ключи СРС1020 или СРС1019; в качестве накопителя заряда 14 может быть использован высокостабильный керамический конденсатор с низким ТКЕ емкостью 1мкФ; в качестве клемм внешних подключений 11, 15, 16 и 17 могут быть использованы винтовые клеммники типа DG350-02P или DG350-03P.
Вышеизложенные сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения  выполнена следующая совокупность условий:
1. Средство, воплощающее заявляемый способ  при его осуществлении, может быть использовано в системах электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии, в частности для измерения поляризованного потенциала подземного сооружения.
2. Средство, воплощающее заявляемый  способ при его осуществлении, способно  обеспечить достижение технического результата, заключающегося
в повышении точности измерения поляризационного потенциала и повышении качества контроля сигнала помехи при импульсном характере выходного сигнала источника катодного тока.
Для заявляемого способа, в том виде, в котором он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью средств, описанных в заявке, следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».