устройство для измерения составляющих потенциала (поляризационной и омической) подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе

Формула изобретения

Устройство для измерения составляющих потенциала (поляризационной и омической) подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе, содержащее измерительный прибор, включающий модуль сопряжения, оснащенный клавиатурой и индикатором и связанный с блоком измерения и расчета, последний снабжен автономным источником питания и через мультиплексор аналоговых сигналов подключен к входам измерительного прибора, из которых первый вход соединительным проводником связан через контрольно-измерительный пункт с металлическим подземным сооружением, а второй и третий входы соединительными проводниками - с соответствующими электродами сравнения, кроме того, мультиплексор аналоговых сигналов связан аналоговым измерительным каналом постоянного тока с блоком измерения и расчета, отличающееся тем, что в измерительном приборе между блоком измерения и расчета и мультиплексором аналоговых сигналов введен аналоговый измерительный канал переменного тока, рассчитанный на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц, и подключенный к нему блок подавления помех, рассчитанный на устранение промышленных помех с частотой 50 Гц, причем оба аналоговых измерительных канала по постоянному и переменному току и блок измерения и расчета выполнены гальванически развязанными между собой; при этом в соответствии с запрограммированным алгоритмом функционирования устройства блок измерения и расчета обеспечивает измерения составляющих потенциала поочередным подключением входов измерительного прибора к соответствующим аналоговым измерительным каналам - в режиме измерения по постоянному току или в режиме измерения по переменному току, и их расчет по формулам

для омической составляющей ;

для поляризационной составляющей ;

где U_o - омическая составляющая потенциала металлического подземного сооружения, В;

U _п - поляризационная составляющая потенциала металлического подземного сооружения, В;

U₁ - разность потенциалов между металлическим подземным сооружением и электродом сравнения, которая создается переменной (с частотой 100 Гц) составляющей выходного тока установки катодной защиты, В;

U ₂ - разность потенциалов между металлическим подземным сооружением и электродом сравнения, которая создается постоянной составляющей выходного тока установки катодной защиты, В;

U₁, U₂ - градиенты потенциалов в грунте между электродами сравнения, созданными соответственно переменной и постоянной составляющими выходного тока установки катодной защиты, мВ.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения составляющих потенциала (поляризационной и омической) подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе, необходимых для контроля защиты материала токопроводящего сооружения от коррозии, вызванной почвенным электролитом.

Подземные металлические сооружения, например трубопроводы, защищаются от почвенной коррозии с помощью комплексной защиты (см. ГОСТ Р 51164-98, п.3.3), которая включает защитное изоляционное покрытие (пассивная защита) и средства электрохимической защиты (установки катодной защиты). Установки катодной защиты смещают потенциал трубопровода в отрицательную сторону. В подавляющем большинстве случаев (более 80%) установки катодной защиты имеют на выходе двуполупериодное выпрямленное напряжение. Частота пульсации при этом составляет 100 Гц. Поэтому в таком сигнале всегда есть постоянная составляющая и переменная составляющая с частотой 100 Гц.

Известно техническое решение, например устройство, реализующее способ измерения омической составляющей потенциала подземного металлического сооружения (патент РФ №2279684). Это устройство позволяет измерить омическую составляющую, а затем вычислить поляризационную составляющую потенциала подземного металлического сооружения. В устройство входят два электрода сравнения, измерительные приборы (вольтметр и милливольтметр, причем каждый из них измеряет переменное и постоянное напряжение) и переносной источник переменного тока, который одним полюсом через переменный резистор подключен к контрольно-измерительному пункту, связанному с подземным металлическим сооружением, а другим - к штырю заземления.

Необходимость в переносном источнике переменного тока усложняет работу этого устройства в полевых условиях. Кроме того, для переносного источника тока необходимо заземление, которое сложно выполнять в полевых условиях (в плотных грунтах надо забивать кувалдой в грунт один или несколько стальных штырей).

Проведенные эксперименты показали, что этот способ и устройство, обеспечивающее его реализацию, трудоемки, так как помимо измерительных приборов необходимо переносить источник переменного тока, штырь заземления, кувалду.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства по конструктивному исполнению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения в зоне действия блуждающих токов (патент РФ №2287832). В устройство входит измерительный прибор, первый вход которого соединен с контрольно-измерительным пунктом, связанным с трубопроводом, а второй и третий входы - соответственно с первым и вторым электродами сравнения. Измерительный прибор включает систему сбора данных, позволяющую использовать блуждающий ток в качестве источника тока, и подключенные к ней автономный источник питания, разъем (для подключения к компьютеру) и блоки управления (клавиатура), индикации, памяти.

Рассматриваемое устройство не обеспечивает измерение составляющих потенциала (поляризационной и омической) в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе из-за отсутствия аналогового измерительного канала переменного тока, рассчитанного на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц, и блока подавления промышленных помех с частотой 50 Гц, так как в устройстве измерение выполняется только на постоянном токе.

Исходя из выше изложенного на сегодняшний день измерение составляющих потенциала (поляризационной и омической) подземных металлических сооружений в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе продолжает оставаться одной из наиболее важных и до конца не решенных проблем.

Технической задачей, на достижение которой направлено заявляемое устройство, является уменьшение погрешности при измерении составляющих потенциала (омической и поляризационной) в любой точке подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе (кроме подземных металлических сооружений, расположенных в зонах действия блуждающих токов), при одновременном и существенном облегчении и упрощении процесса измерения составляющих потенциала в полевых условиях.

Поставленная задача достигается тем, что заявляемое устройство содержит измерительный прибор, включающий модуль сопряжения, оснащенный клавиатурой и индикатором и связанный с блоком измерения и расчета; последний снабжен автономным источником питания и через мультиплексор аналоговых сигналов подключен к входам измерительного прибора, из которых первый вход соединительным проводником связан через контрольно-измерительный пункт с металлическим подземным сооружением, а второй и третий входы - соединительными проводниками с соответствующими электродами сравнения. Мультиплексор аналоговых сигналов связан с блоком измерения и расчета аналоговым измерительным каналом постоянного тока и аналоговым измерительным каналом переменного тока, рассчитанным на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц, к которому подключен блок подавления помех, рассчитанный на устранение промышленных помех с частотой 50 Гц. Аналоговые измерительные каналы (по постоянному и по переменному току) и блок измерения и расчета выполнены гальванически развязанными между собой. В соответствии с запрограммированным алгоритмом функционирования устройства блок измерения и расчета обеспечивает измерения составляющих потенциала (поляризационной и омической) поочередным подключением входов измерительного прибора к соответствующим аналоговым измерительным каналам - в режиме измерения по постоянному току или в режиме измерения по переменному току и их расчет по формулам:

для омической составляющей ;

для поляризационной составляющей ,

где: U_o - омическая составляющая потенциала металлического подземного сооружения, В;

U _п - поляризационная составляющая потенциала металлического подземного сооружения, В;

U₁ - разность потенциалов между металлическим подземным сооружением и электродом сравнения, которая создается переменной (с частотой 100 Гц) составляющей выходного тока установки катодной защиты, В;

U ₂ - разность потенциалов между металлическим подземным сооружением и электродом сравнения, которая создается постоянной составляющей выходного тока установки катодной защиты. В;

U₁, U₂ - градиенты потенциалов в грунте между электродами сравнения, созданными соответственно переменной и постоянной составляющими выходного тока установки катодной защиты, мВ.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство обладает принципиальными отличиями, обусловленными выполнением измерительного прибора. В измерительный прибор между блоком измерения и расчета и мультиплексором аналоговых сигналов введен аналоговый измерительный канал по переменному току, рассчитанный на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц, и подключенный к нему блок подавления помех, рассчитанный на устранение промышленных помех с частотой 50 Гц. Аналоговые измерительные каналы (по постоянному и по переменному току) и блок измерения и расчета выполнены гальванически развязанными между собой. В соответствии с запрограммированным алгоритмом функционирования устройства блок измерения и расчета обеспечивает измерения составляющих потенциала (поляризационной и омической) поочередным подключением входов измерительного прибора к соответствующим аналоговым измерительным каналам - в режиме измерения по постоянному току или в режиме измерения по переменному току и их расчет по вышеуказанным формулам (1) и (2).

Введение между блоком измерения и расчета и мультиплексором аналоговых сигналов аналогового измерительного канала переменного тока, рассчитанного на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц, и подключенного к нему блока подавления промышленных помех с частотой 50 Гц позволяет поочередно измерять в каждой точке потенциалы металлического подземного сооружения и градиенты потенциалов в грунте, создаваемые постоянной и переменной составляющими выходного тока установки катодной защиты, а затем проводить расчет значения омической и поляризационной составляющих потенциала подземного металлического сооружения по вышеупомянутым формулам (1) и (2), заложенным в алгоритм функционирования блока измерения и расчета. Выбор частоты 100 Гц объясняется тем, что выходной сигнал установок катодной защиты содержит переменную составляющую с частотой 100 Гц. В этом случае проведение измерений не меняет режим поляризации трубопровода, он остается таким же, как в процессе его постоянной эксплуатации. Подземные трубопроводы на некоторых участках пересекаются или идут параллельно линиям электропередач, от которых наводится помеха с частотой 50 Гц. Использование в измерительном приборе блока подавления помех с частотой 50 Гц уменьшает погрешность измерения. Особенно это актуально при измерении на частоте 100 Гц, так как она близка по диапазону к помехе 50 Гц. Результаты измерений, полученные с помощью предлагаемого устройства, будут ближе к истинному значению составляющих потенциала подземного металлического сооружения.

Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения составляющих потенциала подземного металлического трубопровода, так как измеряются потенциалы, созданные составляющими выходного тока установок катодной защиты, поэтому при измерении не меняется режим поляризации трубопровода, он остается таким же, как в процессе его постоянной эксплуатации, т.е. используется рабочий режим установок катодной защиты. Кроме того, существенно облегчается и упрощается процесс измерения составляющих потенциала в полевых условиях.

Указанные существенные признаки, в совокупности характеризующие сущность заявляемого технического решения, неизвестны в настоящее время для устройств измерения составляющих (поляризационной и омической) потенциала подземного металлического сооружения. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследования не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».

Подобное техническое решение для специалиста явным образом не следует из уровня техники, из чего следует вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «изобретательский уровень».

В связи с тем, что заявляемое устройство (макетный образец) для измерения составляющих (поляризационной и омической) потенциала подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе прошло испытания в полевых условиях и подтвердило достижение технического результата, предлагаемое изобретение соответствует требованию «промышленно применимо».

Заявляемое изобретение пояснено чертежом, на котором представлена блок-схема устройства для измерения составляющих (поляризационной и омической) потенциала подземного металлического сооружения в зонах действия установок катодной защиты с пульсирующим напряжением на выходе (далее в тексте - «устройство»).

Устройство представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие, содержащее измерительный прибор 1, в котором первый вход (ВХ 1) связан соединительным проводником 2 через контрольно-измерительный пункт 3 с металлическим подземным сооружением (далее в тексте «трубопровод») 4. Второй (ВХ 2) и третий (ВХ 3) входы измерительного прибора 1 при помощи соединительных проводников 5 и 6 подключены к электродам сравнения, например медносульфатным 7 и 8 соответственно.

В состав измерительного прибора 1 входят модули: блок измерения и расчета 9, снабженный автономным источником питания 10, мультиплексор аналоговых сигналов 11 и модуль сопряжения 12, имеющий встроенные клавиатуру 13 и индикатор 14.

Блок измерения и расчета 9 представляет собой мало потребляющее микропроцессорное устройство, в памяти команд которого запрограммирован алгоритм функционирования устройства. В состав блока измерения и расчета 9 (на чертеже его комплектность не раскрыта) входят дополнительная энергонезависимая память большой емкости, интерфейсы для подключения мультиплексора аналоговых сигналов 11 и модуля сопряжения 12 и цифровые интерфейсы для сопряжения с персональным компьютером и/или модулем связи (например, GSM - модемом).

Мультиплексор аналоговых сигналов 11 подключен к входам ВХ 1, ВХ 2 и ВХ 3 измерительного прибора 1. Внутри измерительного прибора 1 мультиплексор аналоговых сигналов 11 для выбора режима измерения - на постоянном токе или на переменном токе (для измерения сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц) подключен к аналоговому измерительному каналу постоянного тока 15, аналоговому измерительному каналу переменного тока с частотой 100 Гц 16 и к блоку измерения и расчета 9. Мультиплексор аналоговых сигналов 11 под управлением блока измерения и расчета 9 обеспечивает коммутацию входов ВХ 1, ВХ 2 и ВХ 3 измерительного прибора 1 с аналоговыми измерительными каналами постоянного тока 15 или переменного тока с частотой 100 Гц 16.

В режимах измерения обеспечение подавления промышленных помех с частотой 50 Гц осуществляется за счет введения в измерительный прибор 1 блока подавления помех 17, подключаемого к аналоговому измерительному каналу 16 переменного тока с частотой 100 Гц.

Модуль сопряжения 12 имеет встроенные интерфейсы для подключения малогабаритной промышленной клавиатуры 13 и жидкокристаллического индикатора 14. Модуль сопряжения 12 под управлением блока измерений и расчета 9 обеспечивает ввод с клавиатуры 13 команд оператора и вывод на индикатор 14 результатов измерений.

Автономный источник питания 10 (на чертеже не раскрыт) представляет собой в базовой комплектации аккумуляторную батарею, в расширенной комплектации к аккумуляторной батарее дополнительно подключаются солнечная батарея и промежуточный накопитель энергии. Для увеличения времени работы от автономного источника питания 10 в блоке измерений и расчета 9 реализованы алгоритмы энергосбережения.

Устройство работает следующим образом.

Поочередное подключение аналоговых измерительных каналов 15 и 16 в каждой точке измерения осуществляется по команде оператора. Оператор с помощью клавиатуры 13 выбирает необходимый режим работы устройства - измерение на постоянном токе или измерение на переменном токе с частотой 100 Гц. Выбранная команда через модуль сопряжения 12 поступает в блок измерения и расчета 9, затем на мультиплексор аналоговых сигналов 11 для выбора режима подключения входов ВХ 1, ВХ 2 и ВХ 3 измерительного прибора 1 к соответствующим аналоговым измерительным каналам 15 или 16. Входы ВХ 2 и ВХ 3 измерительного прибора 1 подключаются соединительными проводниками 5 и 6 к электродам сравнения (например, медно-сульфатным) 7 и 8 соответственно, установленным в грунте вблизи трубопровода 4, а вход ВХ 1 соединительным проводником 2 - к контрольно-измерительному пункту 3, связанному с трубопроводом 4.

Измерения потенциалов U и градиентов потенциалов U соответственно на постоянном или переменном токе выполняются поочередно без существенных ограничений по времени измерения, так как режим работы установок катодной защиты в процессе измерения не меняется, нет и ограничения по времени измерения. Очередность измерения также не имеет значения. Измеренные значения потенциала U и градиента потенциала U на постоянном или переменном токе и преобразованные в цифровой код в аналоговых измерительных каналах постоянного тока 15 или переменного тока, рассчитанного на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц 16, заносятся в блок измерения и расчета 9. В блоке измерения и расчета 9 в соответствии с заложенным алгоритмом осуществляется расчет значений омической и поляризационной составляющих потенциала трубопровода в каждой точке измерения по формулам:

для омической составляющей

для поляризационной составляющей

где: U_o - омическая составляющая потенциала металлического подземного сооружения, В;

U _п - поляризационная составляющая потенциала металлического подземного сооружения. В;

U₁ - разность потенциалов между металлическим подземным сооружением и электродом сравнения, которая создается переменной (с частотой 100 Гц) составляющей выходного тока установки катодной защиты, В;

U ₂ - разность потенциалов между металлическим подземным сооружением и электродом сравнения, которая создается постоянной составляющей выходного тока установки катодной защиты, В;

U₁; U₂ - градиенты потенциалов в грунте между электродами сравнения, созданными соответственно переменной и постоянной составляющими выходного тока установки катодной защиты, мВ.

Пример:

U₁=0,55 В; U₂=1,88 В;

U₁=15 мВ; U₂=25 мВ;

U ₀=0,55×25/15=0,91 B;

U_п =1,88-0,91=0,97 В

Полученные результаты расчетов выводятся на индикатор 14, причем отдельно для каждой составляющей потенциала в данной точке измерения, и одновременно результаты измерений записываются в энергонезависимую память блока измерений и расчета 9 для последующего вывода на персональный компьютер или при наличии модуля связи передаются на диспетчерский пульт.

Автономный источник питания 10 обеспечивает питание всего устройства при работе в полевых условиях.

Устранение промышленных помех с частотой 50 Гц при подключении аналогового измерительного канала переменного тока, рассчитанного на измерение сигнала, имеющего переменную составляющую с частотой 100 Гц 16, обеспечивается при помощи блока подавления помех 17.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения благодаря наличию новых признаков позволяет обеспечить получение технического результата, выражающегося в уменьшении погрешности при измерении составляющих потенциала при одновременном обеспечении простоты и удобства работы в полевых условиях по всей протяженности металлического подземного сооружения.