Способ измерения поляризационного потенциала подземного стального сооружения
METHOD FOR MEASURING THE POLARIZATION POTENTIAL OF AN UNDERGROUND STEEL CONSTRUCTION

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, наведённой на сооружение блуждающими токами, снижающая достоверность результатов измерения.
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 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,
Недостатками ближайшего аналога являются: низкая достоверность результата измерения поляризационного потенциала при импульсном характере выходного сигнала катодной станции;  сложность  реализации,  и недостаточное качество, как процесса измерения потенциала, так и процесса измерения сигнала помехи.
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 достоверности результата измерения поляризационного потенциала при повышении качества контроля сигнала помехи   и   упрощении  реализации способа измерения.
согласно заявляемому изобретению
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения поляризационного потенциала подземного стального сооружения, характеризующегося циклическим повторением совокупности действий, именуемой циклом измерения, состоящим из фазы поляризации, фазы задержки и фазы измерения, при этом: в течение фазы поляризации осуществляют поляризацию 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, , при импульсном характере выходного сигнала катодной станции  в качестве датчика поляризационного потенциала используют само защищаемое сооружение, а разность потенциалов между электродом сравнения и защищаемым сооружением,  измеренную в течение фазы измерения,  регистрируют в качестве поляризационного потенциала сооружения, при этом поляризацию датчика потенциала осуществляют импульсным током катодной станции,   в  течение действия её выходного импульса, а задержку измерения и измерение поляризационной составляющей потенциала осуществляют в течение паузы между импульсами выходного сигнала катодной станции, кроме этого  контроль  изменения сигнала помехи и формирование сигнала разрешения измерения осуществляют на протяжении всех фаз цикла измерения поляризационного потенциала.
Причинно-следственная связь между введенными  в способ измерения поляризационного потенциала подземного стального сооружения, существенными признаками, и техническим результатом заключается в следующем:
1. Использование защищаемого сооружения в качестве датчика поляризационного потенциала при импульсном характере выходного сигнала катодной станции  в отличие от использования для этой цели расположенного вблизи сооружения дополнительного электрода, периодически поляризуемого до потенциала сооружения, существенно повышает достоверность результата измерения, так как результат измерения при использовании дополнительного поляризуемого электрода зависит от многих факторов, в том числе: от сопротивления окружающего сооружение грунта, от правильности расположения дополнительного поляризуемого электрода относительно сооружения, от материала, из которого изготовлен  дополнительный поляризуемый электрод,  от точности синхронизации частоты и временных параметров выходного импульсного сигнала катодной станции и сигнала,  периодически подключающего дополнительный электрод  к сооружению или к электроду сравнения. Все приведённые выше факторы, ухудшающие точность измерения потенциала, отсутствуют при использовании защищаемого сооружения в качестве датчика поляризационного потенциала;
2. Контроль  изменения сигнала помехи и формирование сигнала разрешения измерения на протяжении всех фаз цикла измерения поляризационного потенциала, а не только на протяжении фазы поляризации, как это осуществляют в прототипе, повышает достоверность результата измерения и качество контроля сигнала помехи, потому что  формирование сигнала блокировки измерения при превышении уровня помехи установленного порога  разрешения  измерения  формируется в любой момент цикла измерения, причём более оперативно, так как  осуществляется аппаратными средствами;
3. При использовании защищаемого сооружения в качестве датчика поляризационного потенциала существенно упрощается реализация способа, так как отпадает необходимость в применении дополнительного поляризуемого электрода,  коммутатора, обеспечивающего его переключение между электродом сравнения и сооружением,   накопителя заряда, и аппаратно-программных средств, обеспечивающих функционирование данного дополнительного оборудорвания.
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 - двухполюсный переключатель, 5 - первый измерительный усилитель, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - второй измерительный усилитель, 8 -фильтр верхних частот, 9 - выпрямитель, 10 - компаратор, 11 - клемма подключения сигнала синхронизации, 12 - клемма подключения электрода сравнения, 13 - 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;  двухполюсный переключатель 4, подключённый управляющим входом к третьему порту процессора 1; первый измерительный усилитель 5, первый и второй  измерительные входы которого соединены соответственно с первым и вторым коммутируемыми выходами  двухполюсного переключателя 4, а выход подключён к входу 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 соединён с клеммой подключения сигнала синхронизации 11, клемма подключения электрода сравнения 12, соединённая с первым коммутируемым входом двухполюсного переключателя 4 и с первым измерительным входом второго измерительного усилителя 7, клемма подключения сооружения 13, соединённая с вторым  коммутируемым входом двухполюсного переключателя 4 и вторым измерительным входом второго измерительного усилителя 7.
Работа устройства, реализующего заявляемый способ измерения поляризационного 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 течение всего  времени действия выходного импульса катодной станции, осуществляющей поляризацию защищаемого сооружения, процессор 1 по сигналу, поступающему на его седьмой порт, формирует на выходе своего третьего порта сигнал управления двухполюсным переключателем 4, по которому измерительные входы первого измерительного усилителя  5 отключены от клемм 12 и 13.  После окончания импульса выходного сигнала катодной станции  процессор 1 в течение фазы задержки продолжает удерживать двухполюсный переключатель 4 в состоянии, при котором  измерительные входы первого измерительного усилителя  5 отключены  от клемм 12 и 13, чем обеспечивается снижение омической составляющей потенциала сооружения до уровня допустимой погрешности измерения его поляризационной составляющей.  После окончания фазы задержки процессор 1 формирует на выходе своего третьего порта сигнал управления двухполюсным переключателем 4,  по которому измерительные входы первого измерительного усилителя  5 подключаются  к  клеммам 12 и 13, чем обеспечивается измерение поляризационной составляющей потенциала сооружения в виде разности потенциалов между электродом сравнения и защищаемым сооружением.
С помощью аналого-цифрового преобразователя 6 аналоговая форма поляризационного потенциала преобразуется в его цифровую форму и регистрируется в памяти процессора 1.  Контроль уровня сигнала помехи, который  осуществляется на протяжении всех фаз цикла измерения поляризационного потенциала,  осуществляется вторым измерительным усилителем 7, фильтром верхних частот 8,  выпрямителем 9 и компаратором 10.  Фильтром верхних частот 8 и выпрямителем 9 осуществляется выделение переменной составляющей сигнала помехи и преобразование её в однополярный пульсирующий сигнал, который подаётся на первый вход компаратора 10, с помощью которого он сравнивается с порогом разрешения измерения, формируемым на выходе шестого порта процессора 1. В результате сравнения сигнала помехи и порога разрешения измерения на выходе компаратора 10 формируется  сигнал, по которому процессор 1 посредством двухполюсного переключателя 4 блокирует измерение потенциала, если уровень помехи превышает порог разрешения измерения.
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 находились в  пределах 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 реализации и промышленная применимость 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; двухполюсный переключатель 4 может быть построен на оптронных аналоговых ключах СРС1020 или СРС1019; 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 клемм внешних подключений 11, 12 и 13 могут быть использованы винтовые клеммники типа DG350-02P.
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 стального сооружения.
2. Средство, воплощающее заявляемый  способ при его осуществлении, способно  обеспечить достижение технического результата, заключающегося
в повышении достоверности результата измерения поляризационного потенциала наряду с  упрощением  реализации способа измерения.
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».