Цифровой датчик потенциала корпуса корабля
DIGITAL SENSOR OF SHIP HULL POTENTIAL

Изобретение относится к области катодной защиты металлических конструкций и может использоваться в устройствах катодной защиты подводной части корпусов кораблей и других морских сооружений от коррозии.
Для защиты от коррозии и коррозийно-механических повреждений подводной части корпусов морских судов, нефтегазодобывающих платформ, других плавучих сооружений в настоящее время используются автоматические следящие системы электрохимической катодной защиты.
Известна система «Луга-1», (см. ежемесячный научно-технический журнал «Судостроение» №3 за 1973 г., стр. 16-18, статья с аналогичным названием, авторы Ю.Я. Кузьмин, Н.Н. Бибиков, В.Г. Зимин, Л.В. Пивоварова), в составе которой в качестве датчика потенциала корпуса корабля используют электроды сравнения, например, хлорсеребряные электроды (ХСЭ) сравнения ЭХСП-СС по ОСТ 5.9951, производитель и разработчик ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Система «Луга-1» состоит из анодов, управляемого преобразователя, питающего аноды током, и датчика потенциала корпуса корабля. Напряжение с выхода датчика потенциала подают на вход управляемого преобразователя, где его сравнивают с заданной величиной защитного потенциала, и по результатам сравнения устанавливаются токи анодов. Величина выходного напряжения электрода сравнения зависит от солености воды, состояния лакокрасочного покрытия корпуса и находится в пределах от 0,2 до 1,5 В, входное сопротивление измерительного прибора не менее 20 кОм/В (п. 1.2 ГОСТ 9.056-75 «Стальные корпуса кораблей и судов»), таким образом, мощность сигнала, передаваемого по электрической цепи «выход электрода сравнения - вход управляемого преобразователя» составляет малую величину, например, при напряжении на электроде сравнения Uc=0,2 В и входном сопротивлении электрода сравнения 20 кОм/В мощность составляет около одного микроватта. В соответствии с РД5.9143 связь электрода сравнения, установленного на корпусе корабля, с преобразователем производят по двухпроводной линии, выполненной из кабеля КНРЭ 1×1. Длина линии связи может достигать, в зависимости от водоизмещения корабля, нескольких десятков метров и более. Такое соединение маломощного источника сигнала ХСЭ с входом преобразователя приводит к тому, что управляющий сигнал системы катодной защиты представляет собой аддитивную смесь сигнала и помехи.
Недостатком данной системы является искажение помехами сигнала с выхода электрода сравнения на входе преобразователя (после линии связи), что приводит к значительной погрешности регулирования тока анода, и, соответственно, к нарушению степени защиты от коррозии корпуса корабля следящей системой катодной защиты в периоды воздействия помех.
Известны другие системы катодной защиты судов и морских сооружений выполненные по аналогичному принципу, в которых применены различные преобразователи, например, тиристорные преобразователи АО «РИМР», г. Санкт-Петербург https://www.rimr.ru/catalog/morskoy-flot/katodnaya-zashchita/tiristornye-tsifrovye-preobrazovateli/), с использованием ХСЭ, подключенного через протяженную линию связи. Электрод сравнения служит датчиком потенциала для автоматического регулирования выходного тока катодной защиты. Недостатком данных систем является низкая степень защиты сигнала, передаваемого через линию связи с выхода электрода сравнения на вход преобразователя.
Также известны датчики для измерения потенциалов подземных сооружений, трубопроводов, например, устройство для измерения потенциалов подземного сооружения (см. патент РФ №2513666, опубликован 20.04.2014 г.), применение которого уменьшает погрешность измерения поляризационного потенциала подземного сооружения и упрощает процесс измерения суммарного потенциала. Недостатком этого датчика, а также других, используемых в качестве датчиков потенциалов подземных сооружений, является функциональная избыточность и, как следствие, сложность конструктивного исполнения для применения в системах катодной защиты судов и морских сооружений. Причина заключается в различии электрохимических процессов на границах «металл-грунт» и «металл-морская вода». В последнем случае исключается омическая составляющая потенциала, что упрощает структуру и конструкцию датчика. В системах защиты подземных сооружений и трубопроводов применяют медно-сульфатные электроды сравнения (МСЭ), которые имеют внешний вывод для подключения внешнего кабеля от датчика потенциала, и не используются при защите морских объектов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому устройству является известное устройство для питания и автоматического регулирования выходного тока системы катодной защиты от коррозии металлоконструкций (см. патент РФ №2618968, опубликован 11.05.2017 г.), в котором электрод сравнения соединен с первым входом дифференциального операционного усилителя и корпусом корабля, а второй вход дифференциального операционного усилителя подключен к источнику опорного напряжения. Разность потенциалов электрода сравнения и источника эталонного напряжения является сигналом управления для преобразователя системы.
Недостатком данного устройства является низкая помехоустойчивость при передаче по проложенной на корабле протяженной линии связи маломощного сигнала управления током преобразователя в условиях воздействия помех со стороны радиоэлектронных и электрических систем в сложной электромагнитной обстановке и в условиях воздействия импульсных перенапряжений в сети.
Отсутствие статистических данных по уровням и спектральному составу помех не позволяет привести количественную оценку эффективности эксплуатируемых систем катодной зашиты. Кроме того, помехи носят специфический характер для каждого объекта. В то же время практика эксплуатации подтверждает проявление коррозии корпуса корабля при эксплуатации существующих систем катодной защиты.
Для получения «чистого» от помех управляющего сигнала катодной защиты необходимо иметь датчик потенциала с большой выходной мощностью и возможностью трансляции уровня потенциала по помехозащищенной линии, т.е. без уменьшения соотношения сигнал/помеха.
Техническим результатом изобретения является разработка устройства, обеспечивающего получение свободного от помех управляющего сигнала от датчика потенциала корпуса корабля на входе управляемого преобразователя катодной защиты, что позволяет повысить степень защиты от коррозии корпуса корабля за счет исключения интервалов времени, на которых происходит некорректная установка уровня защитного потенциала из-за воздействия помех.
Указанный технический результат при использовании заявленного устройства достигается тем, что в известном датчике потенциала, содержащем электрод сравнения, выход которого через линию связи соединен с преобразователем, дополнительно введены и последовательно соединены следующие элементы: буферный усилитель с гальванической развязкой, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), детектор состояния линии связи, выход которого через линию связи соединен с электронным ключом, выход которого подключен к преобразователю, а второй выход детектора состояния линии связи соединен с входом импульсного зарядного устройства, выход которого соединен параллельно с АЦП, каскадом усиления мощности с гальванической развязкой и источником питания DC-DC с гальванической развязкой, выход которого соединен с буферным усилителем с гальванической развязкой, а к электронному ключу подключены источник питания и импульсный генератор.
Заявленное устройство поясняется чертежом, представленным на фиг. 1, на котором показана структурная схема цифрового датчика потенциала.
Заявленное устройство, показанное на фиг. 1, состоит из электрода сравнения (1), подключенного к буферному усилителю с гальванической развязкой (3), который подключен источнику питания с гальванической развязкой DC-DC (2), и включает в себя буферный каскад усиления (3.1) и каскад усиления мощности с гальванической развязкой (3.2), выход которого подключен к входу АЦП (4), который подключен на вход детектора состояния линии связи (6), который через линию связи (7) соединен с электронным ключом (9), выход которого подключен к преобразователю, вход импульсного зарядного устройства (5) подключен к детектору состояния линии связи (6), а выход импульсного зарядного устройства (5) параллельно подключен к АЦП (4), каскаду усилителя мощности с гальванической развязкой (3.2) и источнику питания с гальванической развязкой DC-DC (2), выход источника питания (8) и выход импульсного генератора (10) подключены к электронному ключу (9).
Входящие в структурную схему цифрового датчика потенциала на фиг. 1 элементы имеют следующее назначение.
Электрод сравнения (1) является источником электрохимического потенциала на границе «металл-морская вода».
Источник питания с гальванической развязкой DC-DC (2) предназначен для питания буферного каскада усиления (3.1) и является типовым элементом, источник питания гальванически развязан от сети электропитания корабля.
Буферный усилитель с гальванической развязкой (3) включает в себя:
- буферный каскад усиления (3.1) без гальванической развязки с коэффициентом усиления по напряжению равным 1 и входным сопротивлением не менее 20 кОм/В согласно требованиям п. 1.2 ГОСТ 9.056-75 «Стальные корпуса кораблей и судов», запитанный от источника питания с гальванической развязкой DC-DC (2);
- каскад усилителя мощности с гальванической развязкой (3.2) с коэффициентом усиления по мощности более 100, запитанный от импульсного источника питания (5).
АЦП (4) - аналогово-цифровой преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового сигнала в цифровой вид, является типовым элементом.
Импульсное зарядное устройство (5) состоит из аккумулятора электрической энергии достаточной емкости, величина которого определяется в зависимости от временных параметров импульсного режима работы датчика «заряд» (заряд импульсного зарядного устройства (5) от источника питания (8)) - «передача информации» (передача информации от АЦП (4) к регулятору тока преобразователя).
Детектор состояния линии связи (6) переводит линию связи (7) из состояния «заряд» в состояние «передача информации» при пропадании в линии связи напряжения питания, обратный переход происходит при появлении питания. Детектор выполнен на типовом коммутационном элементе, например на интегральном коммутаторе CPC1035V. Пороговые значения напряжений устанавливают с защитным интервалом.
Линия связи (7) предназначена для соединения детектора состояния линии связи (6) с электронным ключом (9), представляет собой экранированную витую пару. Экран пары по всей длине линии изолирован от корпуса и соединен с корпусом в одной точке - в месте подключения линии к электроду сравнения.
Источник питания (8) предназначен для заряда импульсного зарядного устройства (5) при работе датчика в режиме «заряд». Номинальные значения выходного тока и напряжения определяются режимом работы импульсного зарядного устройства (5).
Электронный ключ (9) выполнен по схеме «один вход - два выхода», управляющий вход которого подключен к импульсному генератору (10), выполнен на типовом коммутационном элементе, например, электронном реле.
Импульсный генератор (10) задает такты временного цикла работы датчика «заряд» - «передача информации», выполнен по типовой триггерной схеме.
Заявленное устройство работает следующим образом:
Сигнал с выхода электрода сравнения (1) поступает на вход буферного каскада усиления (3.1), который подключен к источнику питания DC-DC с гальванической развязкой (2) и далее на каскад усиления мощности с гальванической развязкой (3.2), выход которого подключен к входу АЦП (4). Таким образом, усиленное и гальванически развязанное от корпуса корабля напряжение, соответствующие электрохимическому потенциалу, преобразуется в цифровой вид. Далее эта цифровая информация о потенциале корпуса корабля через детектор состояния линии связи (6) по линии связи (7) поступает на вход электронного ключа (9), выход которого является выходом датчика.
Так как на ходу и на стоянке корабля электрохимический потенциал корпуса корабля изменяется медленно, снятие информации с выхода АЦП производят периодически, например один раз в минуту с интегрированием на интервале до 1 сек. и более, что не снижает эффективность системы катодной защиты. Это позволяет ввести импульсный режим работы датчика, а также исключить влияние помех в паузах временного цикла, путем их интегрирования в преобразователе.
В паузах между считываниями информации подключают зарядное устройство (5) к источнику питания (8) через электронный ключ (9), линию связи (7), детектор состояния линии связи (6) и производят накопление энергии для питания датчика на интервалах считывания.
Временной цикл работы датчика задают импульсным генератором (10), выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа (9). Управление также может осуществляться по программе от преобразователя системы.
В последнем случае выход линии связи соединяют непосредственно с преобразователем, формирующим временной цикл работы датчика и подачу питания импульсного зарядного устройства.
При высокой скважности выборок информации порядка 50 и более и малых энергетических затратах на одну информационную выборку, порядка доли джоуля, датчик выполняют в герметичном исполнении (например, заливают силиконом), что обеспечивает возможность его размещения в малодоступном месте и без ремонта и техобслуживания. Незначительные энергетические затраты обеспечивают высокую надежность и долговечность работы.
Конструктивно элементы датчика объединяют с электродом сравнения и подключают к линии связи, а источник питания (8), электронный ключ (9) и импульсный генератор (10) объединяют в отдельный конструктив.
Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве информация в цифровом виде о потенциале корпуса корабля, измеренном в точке размещения электрода сравнения, поступает на вход преобразователя катодной защиты практически без влияния растекания токов по корпусу и влияния помех на результат измерения при гальванической развязке цепи, что обеспечивает повышение степени защиты от коррозии корпуса корабля за счет исключения интервалов времени, на которых происходит некорректная установка уровня защитного потенциала из-за воздействия помех, т.е. достигается сформулированный технический результат при использовании заявленного устройства.