長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

胡 俊

（湖北省天然氣發(fā)展有限公司，湖北武漢 436000）

在長(zhǎng)距離輸送管道的陰極保護(hù)電流檢測(cè)中，以集磁環(huán)法為基礎(chǔ)的電流檢測(cè)系統(tǒng)是目前最為常用的陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，特根據(jù)陰極保護(hù)電流、干擾以及噪聲的具體特性進(jìn)行了三路高精度、低噪聲的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，并將相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理算法合理應(yīng)用其中。在對(duì)相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后，該系統(tǒng)會(huì)將其實(shí)時(shí)顯示給用戶(hù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)檢測(cè)。因此，在長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)中，相關(guān)單位一定要對(duì)該系統(tǒng)加以合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以發(fā)揮出其充分的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，滿(mǎn)足陰極保護(hù)電流的實(shí)際檢測(cè)需求。

1 集磁環(huán)法電流檢測(cè)的基本原理

在通過(guò)集磁環(huán)法進(jìn)行電流檢測(cè)的過(guò)程中，主要是將霍爾效應(yīng)作為基礎(chǔ)，借助于霍爾傳感器來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)中的電流檢測(cè)。通常來(lái)講，如果管道中的陰極保護(hù)電流強(qiáng)度是I，在與管道之間距離是r的位置上，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B可通過(guò)以下公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

在通過(guò)該方法進(jìn)行電流檢測(cè)的過(guò)程中，其主要的工作原理是將具有變磁場(chǎng)特征的集磁環(huán)設(shè)置在長(zhǎng)輸管道周?chē)?，集磁環(huán)外徑用R表示，內(nèi)徑用r表示，沿著管道徑向的寬度用d表示，則有d=R-r，沿著管道軸向的集磁環(huán)厚度用h表示。假設(shè)磁環(huán)的半徑平均值是r0，磁感應(yīng)強(qiáng)度是B，集磁環(huán)中的介質(zhì)材料所具有的磁導(dǎo)率相對(duì)值是μr，介質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度是H，空氣所具有的磁導(dǎo)率接近真空，為μ0，集磁環(huán)開(kāi)口位置的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度是H0，且μr的值遠(yuǎn)超出μ0的值。磁環(huán)垂直于管道，假設(shè)長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)電流是I，集磁環(huán)開(kāi)口位置的氣隙寬度是L，則其磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流之間的關(guān)系可通過(guò)以下公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

因?yàn)榧怒h(huán)應(yīng)用材料為軟磁鋼，其磁導(dǎo)率相對(duì)值通?？蛇_(dá)到幾千甚至是上萬(wàn)，這與μr的值遠(yuǎn)超過(guò)1且μr的值遠(yuǎn)超過(guò)2πr0的標(biāo)準(zhǔn)完全相符，所以可將B近似計(jì)算為：

通過(guò)式（1）和（3）的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，集磁環(huán)可有效聚集管道周?chē)拇艌?chǎng)。因此，將霍爾傳感器布設(shè)在集磁環(huán)的開(kāi)口位置，對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，這樣便可測(cè)量出管道陰極保護(hù)電流。而在具體應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，集磁環(huán)自身的材料特征、形狀以及設(shè)置的位置都會(huì)對(duì)其集磁效果產(chǎn)生影響?；诖?，在本次的集磁環(huán)電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，所選的霍爾傳感器和集磁環(huán)參數(shù)如表1所示。

表1 本次集磁環(huán)電流檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中所選的霍爾傳感器和集磁環(huán)參數(shù)

2 基于集磁環(huán)法的長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 系統(tǒng)總體方案分析

在本次所研究的基于集磁環(huán)法的長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)中，主要的組成部分包括信號(hào)采集電路、電源電路、主控制電路以及液晶顯示系統(tǒng)。其中，信號(hào)采集電路的主要組成部分是霍爾傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、前置交流放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路；電源電路主要是給各種芯片供電，以此來(lái)維持其正常工作；主控制電路屬于內(nèi)嵌形式的信號(hào)處理電路，其主要的組成部分包括DSP處理電路、SD卡儲(chǔ)存電路以及通信電路；液晶顯示系統(tǒng)主要通過(guò)ARM內(nèi)核處理器中的STM3203RCT15來(lái)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。

2.2 系統(tǒng)硬件及其應(yīng)用分析

2.2.1 信號(hào)采集電路及其應(yīng)用分析

在該系統(tǒng)中，前置形式的放大電路應(yīng)用的是低功耗、低噪聲和高精度形式的儀表放大器，借助于這種放大器，可讓來(lái)自霍爾傳感器中的電信號(hào)被放大。將一級(jí)跟蹤電路加設(shè)到儀表放大器后面，便可在整體電路中達(dá)到良好的緩沖作用，使前級(jí)輸出阻抗中所產(chǎn)生的消耗得以有效降低。因?yàn)樵撓到y(tǒng)需要對(duì)三種特征不同的信號(hào)進(jìn)行采集，所以其信號(hào)調(diào)理電路共有三路，通過(guò)這三個(gè)電路，便可實(shí)現(xiàn)不同特征信號(hào)的有效提取。

第一路電路可對(duì)陰極保護(hù)電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，在該電路中，低通濾波電路共有十階，這些電路都是將正反饋形式的二階低通有源濾波器作為基礎(chǔ)，借助于容值和阻值的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)截止頻率的控制，通?？蓪⑵淇刂圃?.1Hz左右，使阻抗衰減被控制在30dB以上，讓交流信號(hào)得以有效濾除，并實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的進(jìn)一步放大。

第二路電路可對(duì)50Hz形式的工頻干擾進(jìn)行十階帶通調(diào)理，該電路主要由兩級(jí)形式的二階低通有源濾波以及三級(jí)形式的二級(jí)低通有源濾波電路組成。其通帶中心頻率是50Hz。借助于該電路，可以將低于30Hz和超過(guò)80kHz的頻率衰減控制在15dB及以上。

第三路電路可對(duì)雜散噪聲進(jìn)行調(diào)理，它會(huì)對(duì)直流信號(hào)和工頻干擾之外的所有噪聲信號(hào)進(jìn)行采集，這些信號(hào)先從隔直電容中通過(guò)，再?gòu)腢AF42型有源濾波芯片所組成的八階50Hz陷波電路通過(guò)。在此過(guò)程中，USF42輔助運(yùn)放會(huì)將高通濾波器與低通濾波器中的輸出值相加，這樣便可實(shí)現(xiàn)陷波器的有效獲得。

在獲得了三路調(diào)理電路中的輸出信號(hào)和相應(yīng)的參考電壓信號(hào)之后，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路會(huì)將其輸入AD7734形式的A/D高精度轉(zhuǎn)換芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在完成模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，再將轉(zhuǎn)換好的數(shù)字信號(hào)輸入DSP處理器。

2.2.2 主控制電路及其應(yīng)用分析

在該電流檢測(cè)系統(tǒng)中，主控制電路不僅可對(duì)整體系統(tǒng)的正常運(yùn)行進(jìn)行控制，同時(shí)也可以借助于相應(yīng)的算法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。在主控制電路中，其主芯片應(yīng)用的是TI企業(yè)研發(fā)的TNS320F28355型DSP處理器，借助于該處理器，可對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，同時(shí)也可以借助于USART串口通信將相應(yīng)的數(shù)據(jù)從主控制芯片傳輸?shù)絇C端以及液晶顯示系統(tǒng)，讓采集到的頻域波形以及時(shí)域波形得以實(shí)時(shí)顯示。在此過(guò)程中，主控制電路也可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到SD卡中，以此來(lái)為后續(xù)的相關(guān)數(shù)據(jù)分析和處理提供足夠便利。

2.2.3 液晶顯示電路及其應(yīng)用分析

按照具體的設(shè)計(jì)要求，該系統(tǒng)中應(yīng)用的液晶顯示器為HS240128-1型。因?yàn)橐壕э@示器具有較大的電量消耗，所以其電路板為單獨(dú)控制形式，且具有獨(dú)立的供電電源。在該液晶顯示屏中，主控制芯片應(yīng)用的是ST企業(yè)研發(fā)的STM32F103RCT16型ARM32位內(nèi)核處理器。借助于該處理器中自帶的TXD以及RXD串行接口，便可對(duì)來(lái)自DSP28335中需要進(jìn)行顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并使其達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。

2.3 信號(hào)處理算法及其應(yīng)用分析

在該電流檢測(cè)系統(tǒng)中，雖然可借助于相應(yīng)的硬件信號(hào)調(diào)理電路將所需信號(hào)頻率之外的信號(hào)濾除掉，以實(shí)現(xiàn)信噪比的最大化提升，但是通帶內(nèi)部依然很可能有其他形式的雜波或者是噪聲信號(hào)存在。因此，為實(shí)現(xiàn)所需信號(hào)幅值的精準(zhǔn)提取，在該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)及其應(yīng)用過(guò)程中，還需要借助于相應(yīng)的軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)通帶內(nèi)部雜波和噪聲信號(hào)的進(jìn)一步濾除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)純凈信號(hào)的獲取。

基于此，在通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行50Hz工頻干擾信號(hào)的提取過(guò)程中，需要在其上截止頻率以及下截止頻率之間進(jìn)行DFT交換處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜圖的科學(xué)獲取。然后在通帶內(nèi)部對(duì)最大的頻譜圖值進(jìn)行搜索，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)工頻干擾信號(hào)幅值的精準(zhǔn)提取。在該系統(tǒng)的具體應(yīng)用中，DFT變換可通過(guò)以下公式來(lái)加以表示：

在以上公式中，Xc(fck)是頻域信號(hào)；fck是與頻域信號(hào)相對(duì)應(yīng)的數(shù)字頻率；x(n)是將直流分量去除之后的原始信號(hào)；n是時(shí)域信號(hào)采樣點(diǎn)的具體編號(hào)；k所代表的是頻域信號(hào)采樣點(diǎn)的具體編號(hào)；N所代表的是時(shí)域信號(hào)的總采樣點(diǎn)數(shù)；M是頻域信號(hào)的總采樣點(diǎn)數(shù)。

而在對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，其主要的計(jì)算公式如下：

在以上公式中，是時(shí)域信號(hào)所具有的頻率；所代表的是時(shí)域信號(hào)所具有的幅值；|Xc(fck)|max是幅值最大情況下的頻域信號(hào)所具有的幅值；fck-max是幅值最大條件下頻域信號(hào)所具有的數(shù)字頻率。在對(duì)雜散形式的噪聲信號(hào)進(jìn)行提取時(shí)，可對(duì)通過(guò)第三路電路所采集到的信號(hào)x(n)進(jìn)行FFT求解，這樣便可實(shí)現(xiàn)XN（k）的準(zhǔn)確獲得。其公式如下：

其中是最大幅值；

然后便可通過(guò)以下公式對(duì)其功率譜密度進(jìn)行求解：

2.4 系統(tǒng)調(diào)試和相關(guān)分析

在對(duì)本次所研究的基于集磁環(huán)法的長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，主要方法是通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行陰極保護(hù)電流檢測(cè)測(cè)試，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用性能的科學(xué)檢驗(yàn)。通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)的過(guò)程中，其三條信號(hào)調(diào)理電路的具體調(diào)試結(jié)果如表2所示。

表2 該系統(tǒng)測(cè)試中的三條信號(hào)調(diào)理電路具體調(diào)試結(jié)果

由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)中的調(diào)理電路與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其實(shí)際應(yīng)用需求完全相符。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)分析

為進(jìn)一步確保該電流檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，本次研究中，特將該系統(tǒng)應(yīng)用到了實(shí)驗(yàn)室中的管道電流檢測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)裝置中，將不同電流融入集磁環(huán)中心法線(xiàn)方向上的導(dǎo)線(xiàn)里，并分別借助于該系統(tǒng)以及高精度萬(wàn)用表來(lái)進(jìn)行電流測(cè)量。具體的測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況如表3所示。

表3 本次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中所獲得的測(cè)量結(jié)果對(duì)比情況

通過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差分析可知，在通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)的過(guò)程中，其檢測(cè)結(jié)果和高精度萬(wàn)用電表所獲得的檢測(cè)結(jié)果之間的誤差不超過(guò)10mA。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)對(duì)于陰極保護(hù)電流具有非常高的檢測(cè)精度。將該系統(tǒng)合理應(yīng)用到長(zhǎng)距離輸送管道的陰極保護(hù)電流檢測(cè)中，便可發(fā)揮出良好的檢測(cè)效果，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電流及其防腐效果的良好檢測(cè)，盡最大限度確保長(zhǎng)距離輸送管道的良好運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)水、油、氣等的長(zhǎng)距離輸送管道進(jìn)行質(zhì)量與安全管理的過(guò)程中，防腐保護(hù)與防腐檢測(cè)是一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。尤其是對(duì)于陰極保護(hù)形式的長(zhǎng)距離輸送管道，相關(guān)單位更應(yīng)該通過(guò)合理的技術(shù)措施來(lái)做好陰極保護(hù)電流檢測(cè)工作，以此來(lái)有效確定其保護(hù)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題，并使其得到及時(shí)處理。在此過(guò)程中，基于集磁環(huán)法的長(zhǎng)距離輸送管道陰極保護(hù)電流檢測(cè)系統(tǒng)便可發(fā)揮出良好的檢測(cè)作用。基于此，一定要加強(qiáng)該系統(tǒng)的應(yīng)用研究，明確集磁環(huán)法的主要應(yīng)用原理，并將其合理應(yīng)用到該系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。這對(duì)于長(zhǎng)距離輸送管道運(yùn)行效果的保障、水、油、氣等的良好供應(yīng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都將起到非常積極的促進(jìn) 作用。