СРЕДСТВО ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ В ВОДЕ

Полезная модель относится к области применения электротехники и электроники в судостроении и может быть использована в системах катодной защиты от коррозии металлоконструкций, находящихся в воде, преимущественно, корпусов судов.
Для защиты подводной части корпусов морских судов от коррозии широко используются системы катодной защиты, которые обеспечивают поддержание требуемого защитного потенциала корпуса судна за счет автоматического регулирования электрического тока, протекающего между погруженным в воду анодом и корпусом судна.
Принцип действия систем катодной защиты (Коррозия и защита судов: Справочник / Люблинский Е.Я. и др. - Л.: Судостроение, 1987. - 376 с. Бибиков Н.Н., Люблинский Е.Я., Поварова Л.В. Электрохимическая защита морских судов от коррозии. - М.: Металлургия, 1987. - 96 с.) основан на способности металла, погруженного в морскую воду, переходить в пассивное состояние при смещении его потенциала в отрицательную сторону от стационарного значения.
Для эффективного функционирования системы катодной защиты должны обеспечивать как высокоточное задание требуемого значения защитного потенциала корпуса судна, так и высокоточное автоматическое поддержание текущего значения защитного потенциала на уровне его требуемого значения с ошибкой, не превышающей 1% от требуемого значения защитного потенциала, на основании сравнения текущего значения потенциала, снимаемого с установленного на корпусе судна электрода сравнения, с заданным требуемым значением.
Известны системы катодной защиты от коррозии металлоконструкции, преимущественно корпуса судна (RU 2110616 С1, 1998; RU 2110617 С1, 1998; RU 2215823 С1, 2003), которые в общей для них части содержат управляемый источник постоянного тока, отрицательный и положительный полюсы которого подключены к корпусу судна и аноду, соответственно, электрод сравнения, источник уставки защитного потенциала и блок управления, у которого первый, второй и третий входы подключены к корпусу судна, электроду сравнения и источнику уставки защитного потенциала, соответственно, а выход соединен со входом управляемого источника постоянного тока. При этом источник уставки защитного потенциала выполнен на основе параметрического стабилизатора напряжения в виде, по меньшей мере, одного полупроводникового стабилитрона с балластным резистором и регулирующего потенциометра, подключенного параллельно стабилитрону.
Наиболее близкой по технической сущности к настоящей полезной модели является известная система катодной защиты от коррозии корпуса корабля (RU 2618968 С1, 2017). Ближайший аналог содержит источник эталонного напряжения, отрицательный вывод которого соединен с корпусом корабля, электрод сравнения, аноды, дифференциальный операционный усилитель, первый вход которого соединен с положительным выводом источника эталонного напряжения, а второй вход - с электродом сравнения, измерительный операционный усилитель, первый вход которого соединен с выходом дифференциального операционного усилителя, и фазосдвигающий ШИМ-конвертор, вход которого соединен с выходом измерительного операционного усилителя, а выход опорного напряжения - со вторым входом измерительного операционного усилителя. Кроме того, ближайший аналог содержит высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого через последовательно включенный разделительный конденсатор подключена к выходам фазосдвигающего ШИМ-конвертора, а также последовательно соединенные выпрямитель, подключенный ко вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, и фильтр, который соединен положительным выводом с анодами, а отрицательным выводом - с корпусом корабля.
Вместе с тем, согласно современным достаточно высоким требованиям, системы катодной защиты корпуса судна от коррозии должны обеспечивать задание требуемого значения защитного потенциала в диапазоне 0,2-1,5 В с точностью ±0,01 В и поддержание текущего значения защитного потенциала на уровне его требуемого значения с ошибкой, не превышающей ±0,015 В, при функционировании в условиях широких диапазонов изменения рабочей температуры и предельной температуры, составляющих 60°С и 120°С, соответственно.
Использование в упомянутых выше аналогах параметрических стабилизаторов напряжения на основе полупроводникового стабилитрона с балластным резистором и регулирующего потенциометра в качестве источника эталонного напряжения и операционных усилителей для сравнения текущего значения потенциала, снимаемого с электрода сравнения, с заданным требуемым значением в виде эталонного напряжения, то есть элементов аналоговой электронной техники, работающих в условиях широкого диапазона изменения температуры, не позволяет обеспечить их соответствие современным требованиям по точности.
Кроме того, упомянутые выше аналоги не обеспечивают возможности контроля процесса осуществления катодной защиты, в том числе, с возможностью выявления обрыва цепи анода, а также защиты электронных элементов в случае превышения выходным током предельно допустимого значения, например, при коротком замыкании в выходной цепи.
В связи с указанными выше обстоятельствами потребовалось решение технической проблемы, которая при создании настоящей полезной модели заключалась в расширении арсенала технических средств для катодной защиты от коррозии находящихся в воде металлоконструкций, преимущественно, корпусов судов, отвечающих современным требованиям по обеспечению точности задания требуемого значения и поддержания текущего значения защитного потенциала корпуса металлоконструкции и возможности контроля процесса осуществления катодной защиты.
Следовательно, технический результат, достигаемый использованием настоящей полезной модели, заключается в реализации катодной защиты от коррозии находящихся в воде металлоконструкций.
Указанная техническая проблема решена и технический результат достигнут тем, что средство для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, электрод сравнения, анод, последовательно соединенные инвертор на основе широтно-импульсного модулятора (далее - ШИМ-инвертор), выпрямитель и фильтр, положительный вывод которого соединен с анодом, а отрицательный вывод выполнен с возможностью соединения с металлоконструкцией, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено контроллером, у которого первый вход подключен к электроду сравнения, второй вход выполнен с возможностью соединения с металлоконструкцией, а выход подключен к управляющему входу ШИМ-инвертора, блоком управления и индикации, который выполнен на основе микропроцессора и подключен входом-выходом к входу-выходу контроллера, датчиком напряжения, подключенным входами к выводам фильтра, а выходом к третьему входу контроллера, и датчиком тока, включенным в цепь отрицательного вывода фильтра, выполненного с возможностью соединения с металлоконструкцией, и подключенным выходом к четвертому входу контроллера.
Снабжение средства для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, контроллером, у которого первый вход подключен к электроду сравнения, второй вход выполнен с возможностью соединения с металлоконструкцией, а выход подключен к управляющему входу ШИМ-инвертора, блоком управления и индикации, который выполнен на основе микропроцессора и подключен входом-выходом к входу-выходу контроллера, датчиком напряжения, подключенным входами к выводам фильтра, а выходом - к третьему входу контроллера, и датчиком тока, включенным в цепь отрицательного вывода фильтра, выполненного с возможностью соединения с металлоконструкцией, и подключенным выходом к четвертому входу контроллера, обеспечивает расширение арсенала технических средств катодной защиты от коррозии находящихся в воде металлоконструкций.
При этом снабжение средства для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, контроллером, у которого первый вход подключен к электроду сравнения, а второй вход выполнен с возможностью соединения с металлоконструкцией, а также блоком управления и индикации, который выполнен на основе микропроцессора и подключен входом-выходом к входу-выходу контроллера, в отличие от упомянутых выше аналогов, дает возможность задания требуемого значения защитного потенциала и сравнения с его текущим значением не в аналоговом, а в цифровом виде, что обеспечивает более высокую точность как задания, так и сравнения потенциалов, в особенности, при функционировании в условиях широких диапазонов изменения температуры.
Кроме того, снабжение средства для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, контроллером, у которого выход подключен к управляющему входу ШИМ-инвертора, блоком управления и индикации, который выполнен на основе микропроцессора и подключен входом-выходом к входу-выходу контроллера, датчиком напряжения, подключенным входами к выводам фильтра, а выходом - к третьему входу контроллера, и датчиком тока, включенным в цепь отрицательного вывода фильтра, выполненного с возможностью соединения с металлоконструкцией, и подключенным выходом к четвертому входу контроллера, с одной стороны, позволяет оператору контролировать по показаниям элементов индикации блока управления и индикации процесс осуществления катодной защиты, в том числе, оценивать текущее значение потенциала, снимаемого с электрода сравнения, и выявлять обрыв или короткое замыкание в выходной цепи на основании сигналов с датчика тока и датчика напряжения. С другой стороны, это обеспечивает возможность защиты электронных элементов ШИМ-инвертора в случае превышения выходным током предельно допустимого значения, например, при коротком замыкании в выходной цепи.
На фиг. 1 показана структурная схема средства для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, где 1 - блок управления и индикации, 2 - контроллер, 3 - ШИМ-инвертор, 4 -выпрямитель, 5 - фильтр, 6 - датчик напряжения, 7 - датчик тока, 8 -электрод сравнения, 9 - анод и 10 - металлоконструкция.
На фиг. 2 приведена схема ШИМ-инвертора 3, где 11 - ШИМ-контроллер.
Средство для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, содержит (см. фиг. 1) контроллер 2 и последовательно соединенные ШИМ-инвертор 3, управляющий вход которого соединен с выходом контроллера 2, двухполупериодный выпрямитель 4 на основе полупроводниковых диодов и индуктивно-емкостной фильтр 5.
В качестве контроллера 2 может быть использован 32-разрядный микроконтроллер 1986 ВЕ91Т, который снабжен встроенной FLASH-памятью программ, оперативным запоминающим устройством, 12-разрядными аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, а также такими периферийными интерфейсами, как USB, CAN, UART, SPI и I2C.
Средство содержит электрод 8 сравнения, который установлен на металлоконструкции 10 и подключен к первому входу контроллера 2, являющемуся одним из входов его аналого-цифрового преобразователя, причем второй вход контроллера 2, являющийся входом противоположной полярности того же аналого-цифрового преобразователя, подключен к металлоконструкции 10. В качестве электрода 8 сравнения может быть использован традиционно применяемый в отечественном судостроении хлорсеребряный электрод сравнения.
Средство также содержит блок 1 управления и индикации, который выполнен на основе микропроцессора, снабжен цифровыми индикаторами и элементами управления, обеспечивающими ввод в цифровом виде, по меньшей мере, требуемого значения защитного потенциала, и подключен входом-выходом к входу-выходу контроллера 2.
В качестве микропроцессора блока 1 управления и индикации может быть использован 32-разрядный микроконтроллер 1986 ВЕ92У, который снабжен встроенной FLASH-памятью программ, оперативным запоминающим устройством, 12-разрядными аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, а также такими периферийными интерфейсами, как USB, UART, SPI и I2C.
Кроме того, средство содержит датчик 6 напряжения, подключенный входами к выводам фильтра 5, а выходом к третьему входу контроллера 2, являющемуся входом его аналого-цифрового преобразователя. В качестве датчика 6 напряжения может быть использован датчик малых токов типа ДМТ-10, одна из входных клемм которого подключена к отрицательному выводу фильтра 5, а другая - через резистор к положительному выводу фильтра 5. Номинал упомянутого резистора выбирают исходя из допустимых измеряемых значений тока датчика ДМТ-10 в диапазоне выходного напряжения фильтра 5. В результате выходной сигнал датчика тока ДМТ-10 будет соответствовать выходному напряжению фильтра 5.
Средство содержит датчик 7 тока, который включен в цепь отрицательного вывода фильтра 5, выполненного с возможностью соединения с металлоконструкцией 10, и подключен выходом к четвертому входу контроллера 2, являющемуся входом его аналого-цифрового преобразователя. В качестве датчика 7 тока может быть использован серийно изготавливаемый датчик тока типа ДТХ-Т (300А) с резистором, имеющим соответствующий диапазону измеряемых токов номинал и подключенным параллельно входным клеммам датчика тока ДТХ-Т (300А).
пит
пит
Как показано на фиг. 2, ШИМ-инвертор 3 содержит ШИМ-контроллер 11, вход которого является управляющим входом ШИМ-инвертора 3, а выходы нагружены первичными обмотками двух входных трансформаторов, ко вторичным обмоткам которых подключены мощные биполярные транзисторы двухтактного мостового каскада, которые, поочередно открываясь, обеспечивают протекание переменного тока, создаваемого постоянным напряжением U питания, через разделительный конденсатор и первичную обмотку выходного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выпрямителю 4. Постоянное напряжение U питания, на практике равное 500 В, получают, например, путем преобразования переменного трехфазного напряжения 380 В бортовой сети судна с помощью выпрямителя и фильтра (на чертежах не показаны).
В качестве ШИМ-контроллера 11 может быть использован мостовой быстродействующий резонансный контроллер фазового сдвига 1308ЕУ2Т.
Средство для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, работает следующим образом.
При включении средства оператор с помощью элементов управления блока 1 управления и индикации вводит в его микропроцессор в цифровом виде требуемое значение защитного потенциала, которое определяется такими текущими условиями эксплуатации судна, как скорость хода, соленость и температура морской воды, сохранность лакокрасочного покрытия и др., и контролирует введенное значение по показаниям цифрового индикатора блока 1 управления и индикации. Введенное требуемое значение защитного потенциала из микропроцессора блока 1 управления и индикации поступает в контроллер 2, где заносится в его оперативное запоминающее устройство.
Одновременно текущие значения защитного потенциала с электрода 8 сравнения и потенциала металлоконструкции 10 поступают на первый и второй входы контроллера 2, который своим входным аналого-цифровым преобразователем преобразует разность указанных потенциалов в цифровой код и заносит его в оперативное запоминающее устройство. Кроме того, цифровой код, соответствующий текущему значению защитного потенциала, из контроллера 2 поступает в микропроцессор блока 1 управления и индикации, который отображает его оператору с помощью цифрового индикатора.
Затем контроллер 2 вычисляет разность между требуемым и текущим значениями защитного потенциала и сравнивает ее с заданным значением.
При превышении разностью между требуемым и текущим значениями защитного потенциала заданного значения контроллер 2 формирует и подает на ШИМ-контроллер 11 ШИМ-инвертора 3 управляющий сигнал для изменения напряжения на выходе ШИМ-инвертора 3, обеспечивающего уменьшение разности между требуемым и текущим значениями защитного потенциала.
ШИМ-контроллер 11 ШИМ-инвертора 3 с постоянной частотой, имеющей значение, например, от 25 до 35 кГц, формирует прямоугольные импульсы.
Пока требуемое значение защитного потенциала превышает текущее значение защитного потенциала более, чем на заданное значение, соответствующий управляющий сигнал с контроллера 2 приводит к увеличению длительности импульсов, формируемых ШИМ-контроллером 11 ШИМ-инвертора 3, что вызывает повышение среднего за период значения напряжения на выходе ШИМ-инвертора 3.
Электрический ток, вызванный напряжением на выходе ШИМ-инвертора 3, выпрямляется выпрямителем 4, сглаживается фильтром 5 и замыкается через анод 9 и водную среду на металлоконструкцию 10, вызывая увеличение текущего значения защитного потенциала.
Если текущее значение защитного потенциала в процессе увеличения станет превышать требуемое значение защитного потенциала более, чем на заданное значение, соответствующий управляющий сигнал с контроллера 2 приведет к уменьшению длительности импульсов, формируемых ШИМ-контроллером 11 ШИМ-инвертора 3, что вызовет снижение среднего за период значения напряжения на выходе ШИМ-инвертора 3, вызывая уменьшение тока через анод 9 и водную среду на металлоконструкцию 10 и поэтому уменьшение текущего значения защитного потенциала.
Аналогичным образом при функционировании средства для катодной защиты от коррозии металлоконструкции, находящейся в воде, осуществляется поддержание текущего значения защитного потенциала вблизи его требуемого значения.
Аналоговые сигналы с датчика 6 напряжения и датчика 7 тока поступают на третий и четвертый входы контроллера 2, соответственно, и преобразуются его входными аналого-цифровыми преобразователями в цифровые коды, которые заносятся в оперативное запоминающее устройство, а также поступают в микропроцессор блока 1 управления и индикации, который отображает оператору с помощью цифрового индикатора текущие значения приложенного к аноду 9 напряжения и протекающего через него тока.
При этом нулевой сигнал с датчика 7 тока свидетельствует оператору об обрыве в цепи отрицательного или положительного выводов фильтра 5, соединенных с металлоконструкцией 10 и анодом 9, соответственно.
Близкий к нулю сигнал с датчика 6 напряжения при большом значении сигнала с датчика 7 тока, превышающем предельно допустимое значение, свидетельствует оператору о коротком замыкании в цепи между положительным выводом фильтра 5 и датчиком 7 тока, а также дает возможность контроллеру 2 подать на ШИМ-контроллер 11 управляющий сигнал, вызывающий запирание всех транзисторов двухтактного мостового каскада и предотвращающий выход их из строя.
Таким образом, полезная модель обеспечивает расширение арсенала технических средств катодной защиты металлоконструкций от коррозии.