自动电位采集装置的研制与在管道上的应用

曹瑞英，薛致远，双 凯，王明波，田小杰

（1.中国石油大学（北京）北京 102249；2.中国石油管道研究中心 河北 廊坊 065099；3.中国石油西南管道公司 四川 成都 610041）

管道作为输送石油、天然气的主动脉，在国民经济和安全生产中占主导地位。随着我国能源工业、电力工业和电气化铁路运输系统的快速发展，埋地钢质管道受交流杂散电流干扰破坏的问题已成为国内外研究的热点。目前管道阴极保护监测采用的是人工周期性原位地表测试阴极保护电位，测试周期为1个月或2个月。由于是人工测试，工作强度大，测试数据的准确性和可靠性在很大程度上受测试环境、测试者个人条件等的限制，难于满足对阴极保护电位监测的要求。

鉴于以上考虑，有必要采用阴极保护电位自动采集系统实现阴极保护电位的自动化监测，以提高阴极保护系统运行的可靠性，确保油气管道的长期安全运营。

1 系统设计及原理

阴极保护自动电位采集系统用于采集埋地管道的通电电位和交流干扰电位。依据指标设计的硬件系统结构图如图1所示。

模拟电压信号经过隔离电路以后，经过档位选择切换到不同的衰减倍数电路，若测量直流电压直接送到单片机的A/D转换电路进行A/D转换，若测量交流电压有效值经真有效值转换器之后送A/D转换电路进行A/D转换，然后单片机对数据进行其他处理。单片机通过系统总线与存储模块、时钟模块进行数据交换。手持设备也通过相同的总线与存储模块和时钟模块进行数据交换，而不直接与单片机主控模块发生联系[1]。

图1 系统硬件结构图Fig.1 The system hardware structure chart

1.1 直流测量电路部分

直流电压测量的是管道的通电电位。通电电位适用于施加阴极保护电流时，管道对土壤电位的测量。直流电压测量模块结构如图2所示。

图2 直流电压测量模块结构Fig.2 The module structure DC voltage measurement

外部交直流信号首先通过二级RC低通滤波网络将交流信号衰减，由过零比较器判断直流电压的正负，如果为正电压，单片机控制光耦打开跟随器通道进行AD转换；如果为负电压，单片机控制光耦打开反相器通道进行AD转换。二级RC滤波网络的设计，主要是滤除管道上已知的50 Hz的工频干扰。直流电压测量精度为0.01 V。

1.2 真有效值测量电路

1.2.1 AD736内部框图及工作原理

图3 AD736的内部框图Fig.3 The Internal block diagram of AD736

AD736主要有输入放大器、全波整流器、偏置电路、有效值单元（RMS单元）、输出放大器等组成。偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的偏置电压。芯片的2脚为被测信号VIN输入端，工作时，被测信号电压加到输入放大器的同相输入端，而输出电压经全波整流后送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压，然后再通过输出放大器的Vo端输出[2]。AD736满量程为200mVRMS，测量精度0.1 V，测量速率快、工作频率范围宽，可以测量任意波形的真有效值，设计高精度真有效值RMS时，还应考虑被测电压的波峰因素Kp（波峰因数Kp是被测信号的峰值与真有效值之比）的影响，应选择合适的CAV。常见的正弦波、方波、三角波和锯齿波的Kp≤2，此时CAV可取 33 μF；在AD736的量程扩展电路中CAV取值33 μF[3-4]。但考虑到量程200 mVRMS的限制，本论文研究中采用其组成的扩展电路来实现交流值的测量。交流测量部分采用的是AD736真有效值芯片的扩展电路来实现管道交流0～100 V电压的测量。较AD736本身来说，测量范围扩展，应用面也变广。

1.2.2 AD736典型应用：测量范围的扩展及测量电路

交流电压有效值的测量电路如图4所示。

图4 AD736拓宽测量范围电路Fig.4 The circuit of widening AD736 measurement range

该电路由两部分组成，前级是量程转换电路，用于根据不同的电压值，衰减不同倍数后再进行测量；C5为隔直电容，若C5=0.1 μF，耐压大于400 V；采用4个精度为1%的金属膜电阻实现输入电压的1 000倍、100倍、10倍、1倍衰减；采用光耦继电器G3VM352C控制量程的自动转换。后级是交流电压有效值的测量电路[5]。

量程自动转换原理：量程的转换是通过电阻分压实现的，档位控制是由单片机的PD2、PD3、PD4、PD5来控制1、10、100、1 000的衰减倍数选择。在真有效值测量之前，先设定一个阈值50 mV。由于交流测量范围为0～100 V，而AD736的量程为0～200 mV。交流档的转换实现原理通过先将采集到的信号电压衰减1 000倍，然后再与阈值进行比较，大于阈值电压则停止衰减通过AD转换输出显示；小于则将信号电压衰减100倍（PD4档），然后再与阈值电压比较，大于输出显示，小于阈值则衰减档位为10倍（PD3档）；若衰减后仍小于阈值则将信号电压衰减1倍（PD2档）[6]。

为了提高信号的可靠性，降低干扰。以上每一步衰减并读取AD转换的值之后，都采取了数字软件滤波的方式来提高信号的可靠性，软件滤波将数据进行适当处理，从而屏蔽掉噪声和干扰杂波信号，获得可用的真实数据的一种方法，也可以说是通过程序处理的方式完成数据采集信号的处理。论文中主要采取了众数滤波，因为众数滤波就是采用出现最多次数的值作为AD转换后的结果。

2 软件程序设计

软件程序设计的关键在控制交流换挡函数，选择合适档位进行衰减，在交流测量部分1.2.2中4个档位PD2、PD3、PD4、PD5分别来控制不同的量程选择，当档位开关到相应位置，则单片机PD2-PD5相应为1（初始化均为0），单片机通过以程序扫描的方式检测测量档位的子程序不断检测PD2-PD5端口，确定哪一位为高电平则选中对应的档位。

主程序完成初始化、（时钟、看门狗、存储器、中断唤醒初始化、I2C初始化、）启动AD转换、检测档位、数据显示，AVR单片机的外中断INT2工作在边沿触发方式。用于将MCU从掉电模式中唤醒[7]。

2.1 主程序设计

软件系统的流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 The flow chart of main program

2.2 外部中断服务程序

数据采集器的工作状态分为两种，一种为休眠状态，一种为测量状态。中断函数负责唤醒掉电状态下单片机的重新启动。中断服务函数中，负责模式的自动切换。本采集器共有3种工作模式：分模式：每分钟测量一次；时模式：每小时半点测量一次，如1:30，2:30，3:30等，以此类推；日模式：每天晚上12点测量一次。分时模式设置加密测量次数，测量完成后切换到日模式下工作。采用存储器第6，7，8位来判断分模式和时模式的测量次数，便携式数据表通过更改此三位的内容，可以控制数据采集器的分模式或者时模式的测量次数。

当PB2引脚下降沿触发INT2，产生中断请求，单片机将会响应中断执行中断服务。当设置采集模式在加密测量模式下 （设置某模式下测量次数），外部中断主要完成模式的切换：判断是否工作在日模式，是的话，再判断是否处于异常模式；不是日模式的情况下，判断计数值（加密测量设定的数值）是否为零，为零切换到日模式，不为零，计数值减一，再判断是否处于异常模式，不是的情况下继续在设定测量次数的模式下测量，是异常模式切换到日模式。流程图如6所示。

图6 中断程序流程图Fig.6 The flow chart of Interrupt program

3 模拟环境下实验数据测量

3.1 实验模型

图7 交直流干扰测量实验模型Fig.7 The experiment measurement model of AC and DC interference

如图7所示：为模拟管道交直流测量模型，管地电位信号采集系统：由信号发生器产生的50 Hz的正弦交流信号外加直流偏置，信号发生器为管道交直流干扰提供干扰源，通过功率放大器输出连接到石墨电极，数据采集器的正负极分别接管道和参比电极（CSE硫酸铜参比电极）。当外部实验电路连接完成后，设置采集器的工作模式：秒模式（每秒测量一次），连续测量一段时间，测量结束后，将采集器通过USB串口线与PC机相连，读取采集器的数据，打包成excel文件格式存储[8]。

3.2 直交流干扰测量数据

论文中开发的上位机软件用于处理从实验取回数据的下位机数据表中读取的数据，并对其进行相应的处理，主要包括如下功能：

*读取数据表中的数据；

*将读取到得数据进行分析保存至数据库；

*将数据保存成excel文件；

设定信号发生器输出频率为50 Hz，幅度为10 V，偏置1 V的波形，直流电压的测试结果如图8（a），交流电压的测试结果如图 8（b）。

在上图测量结果中，横坐标表示测量时间以秒为单位，纵坐标表示交直流的幅值，单位是V。通过计算得到直流、交流的平均值：VDC=1.9820 V，VAC=7.1050 V；万用表测试结果：直流 VDC′=1.9875 V，交流 VAC′=7.149 V；直流误差，交流误差；通过对比满足了量程和测量精度的要求。

4 测量结果分析

自动电位采集装置研制的直流电位测量电路和交流真有效值扩展电路，通过实验测量，该电路实现了对管道交直流干扰的自动采集和测量，通过对数据结果分析，发现整体数据基本在合理的范围内波动，实现了预先规定的交流精度0.1 V和直流精度0.01 V和量程的要求，误差控制在合理的范围之内。

图8 交直流测试数据图Fig.8 AC and DC test data chart

5 结 论

本文通过合理的设计，实现了埋地管道环境中阴极保护电位自动采集装置的研制。该装置应用于管道具有如下优点：

1）测得的阴极保护电位数据可靠性高

2）电位测量过程实现自动化

3）对阴极保护干扰的日常评判和监测成为可能

阴极保护电位自动采集系统是重要的获取管道保护信息的系统。利用阴极保护电位采集系统采集的直流电位、交流电位，数据表明，该装置能够满足埋地钢制管道下阴极保护自动采集的设计要求，并可利用软件将得到的数据以曲线图形的形式呈现出来；还可以对大批数据进行均值和方差的计算，便于对比分析，再结合阴极保护准则和交流干扰程度的评价准则对测量的数据进行分析，进而确定管道的交流干扰程度和管道保护状况，这对管道杂散电流干扰情况研究和腐蚀维护有重要的指导意义。

[1]甘本鑫，苏红艳.基于单片机交直流数字电压表的设计[J].科技信息.2008（32）：247-248.

GAN Ben-xin，SUN Hong-yan.The design of DC digital voltage meter based on the single-chip[J].Science，2008（32）:247-248.

[2]王俊省.交流有效值——直流变换IC AD736/AD737及应用.电子与电脑，1994（3）:53-54.

WANG Jun-sheng.DC converter IC and the application of AD736 and AD737， Electronic and computer，1994（3）:53-54.

[3]史延龄，邹来智，闫志强.交流电压真有效值的测量[J].电工技术杂志，2003（5）：34-35，38.

SHI Yan-ling，ZONG Lai-zhi，YAN Zhi-qiang. TRMS measurementofACvoltage[J].JournalofElectricianTechnique，2003（5）:34-35，38.

[4]熊光宇.真RMS_DC变换器AD736/AD737[J].电子设计工程，1995（6）：14-20.

XIONG Guang-yu.True RMS_DC converter of AD736 and AD737[J].Electronic Design Engineering，1995（6）:14-20.

[5]雍杨，陈晓鸽.Altium Designer09电路设计标准教程[M].北京：科学出版社，2011.

[6]彭伟等编著.单片机C语言程序设计实训100例——基于AVR+Proteus仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[7]马潮等编著.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[8]程文华，郭为民，许立坤.阴极保护电位自动采集装置的研制[J].腐蚀科学与防护技术，2009，21（3）:255-256.

CHENG Wen-hua，GUO Wei-min，XUN Li-kun.Instroduction of a device for automatic collection of cathodic protection potential data in cylic wet-day environment[J].Corrosion Science and ProtectionTechnology，2009，21（3）:255-256.