石油管道杂散电流仪的设计

任 浩，朱舜辉，吴盛荣，陈云生

(西南石油大学 理学院，四川 成都 610500)

对于杂散电流的定义，通常情况下电流是在项目开发人员设计的电路中流动的。由于外界因素或者线路故障，部分电流会脱离设计的电路回路，流入其它导体，并在该导体回路中流动，业界将其命名为杂散电流［1］。

交流杂散电流与直流杂散电流是行业内对杂散电流常规的划分。通常情况下交流杂散电流对石油管道的电腐蚀相对较弱，直流杂散电流对石油管道的危害则较大，当石油管道的绝缘层出现问题时，对地的绝缘性将大幅降低，通过电流的汇聚作用，杂散电流进入石油管道，在破损点发生强烈的电腐蚀，短时间内就可导致石油管道穿孔，石油泄漏不仅造成经济损失，还伴随着毁灭性的爆炸，酿成灾难。实践证明，直流杂散电流与交流杂散电流相比，直流杂散电流的腐蚀效应是后者的约50 倍。而当两者同时对石油管道进行电腐蚀时，其腐蚀效应将更加剧烈。通过实验论证在量级为1 A 的直流杂散电流腐蚀作用下一根石油钢管，一年内将导致大约10 kg 金属的蚀失。因而对油气田生产系统的危害严重，由于杂散电流腐蚀造成的经济损失已达到数十亿元［2］。

1 国内外研究现状

国内外主要的杂散电流测试仪器有英国的RD－400PCM、FZY－3 型矿用杂散电流测定仪、SJ33－ZKW280 杂散电流测量仪、HC－069 存储式杂散电流测试仪、加拿大的Smart Logger 等。国外的两款RD－400PCM 和Smart Logger 仪器能够长时间的存储直流杂散电流测试数据，并将测量数据显示出来，具有一定的直观性。但有些功能过于多余、且价格昂贵，在测量程度方面不能很好地判断出石油管道中的直流杂散电流和交流杂散电流成分，在实际测试中测试频率也受到了量程的制约。人机互动上，多数仪器不能实时地显示波形，无法给技术人员一个直观的数据，并且在后期的数据处理上也会带来一定的问题。

通过以上分析，研究开发出一款价格较低、功能强大、能实时检测和分析处理，显示出结果的杂散电流测试仪。

2 杂散电流仪测试原理

在杂散电流测试方面，由于石油管道埋于地下，地下土壤结构不同、在化学性质上存在差异、加之管道的破损程度和测量数据的不同。因而对于不同环境下测量数据的分析系数也需要进行相应的变化。

行业中对于杂散电流的测试一般使用地表参比法，在该方法中由于借用了石油管道自然电位，对不同环境测量数据的分析系数也进行了对应的测量，因而通过电位的分布数据可以间接判断出石油管道涂层的质量状况［2］。

3 杂散电流测量仪系统设计及相应模块

设计功能要求:电流测试仪显示屏。采用1 280×720 点阵式图形触摸液晶屏，显示清晰，用于本设计波形变化的实时显示;测量范围大小。测量直流杂散电压为±20 V，测量的交流杂散电压0 ～20 V;电流测试仪续航能力。该杂散电流测量仪在一般环境下可以连续工作一天以上;仪器测量精确度:杂散直流电压(0.4%+1d)，杂散交流电压(0.6%+3d);仪器测量采样时速率:可以自动调节和手动调节相切换，上限频率约为15 kHz;电流测试仪存储器的容量:配有16 GB内部存储，可以拓展32 GB 的外部存储。

杂散电流仪测试的特点:(1)主要是测量阴极保护通断电位、直流电位梯度以及直流干扰电位。(2)能推测出典型的杂散电流干扰源。(3)能根据干扰电压幅值的趋势，自主调整采样的速率。(4)能检测杂散电流的流动区域［3］。(5)突出特点是功耗低、存储容量大，可不间断地进行数据的采集，从而保证了基础数据的充足性，便于数据的分析。(6)具有对检测信号的实时采集，便于准确快速地分析数据的特点。

设计的测试系统主要由内部的主控平板电脑与下位机单片机组成，搭配外部数据存储模块、相应的波形图像显示液晶屏幕，以及电源匹配模块组成。数据采集模块主要有调整、滤波、波形幅值计算等功能。上位机发送指令，存储模块按照上位机指令采样数据，并存入SD 卡中。带触控功能的波形图像显示液晶，用于波形显示和触控指令操作。电源模块主要为仪器提供稳定可靠的电源电压，保障仪器的正常工作。系统框图如图1 所示。

图1 杂散电流测试仪系统

下位机选择STM32F103C8T6，该芯片使用高性能的ARM Cortex－M3 32 位的RISC 内核、工作频率为72 MHz，内置高速存储器。内嵌2 个12 位模拟/数字转换器(ADC)，每个ADC 有多达16 个外部通道，可以执行单次或扫描转换模式;在扫描模式下，转换在一组选定的模拟输入上自动进行［4］。

仪器液晶显示界面，采用易于编程开发的动态图形界面，以方便后期的维护工作。本设计中采用当下流行的LabVIEW 动态界面开发软件，具有快速实现2D、3D 等完美交互界面，界面的层次多元素多，界面的标准也相对较高。程序的控制不再依赖于界面设计。显示器仅通过串口通信方式与应用程序控制器进行数据的交换。控制器的资源也得到了充分的利用，从而大幅的缩短了开发周期，降低了开发难度。

采样保持、量化与编码，是模拟变化量转换为数字变化基本的3 个步骤。上位机采用平板电脑，可以用数字信号进行数据处理。通过抽样定理对信号进行滤波。抽样定理:在进行模拟/数字信号的转换过程中，当fs＞2fmax时，采样后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。

当外部设备的电压发生较高或较低变化时，下位机微处理器的电压与设备的电压量程不匹配，通常造成数据的读取失败，严重时可能引起下位单片机的损坏，导致整个系统崩溃。A/D 转换处理器STM32F103C8T6 为3.3 V 电源供电，而外部设备的端口为5 V 电源供电，两者的供电电平不匹配，针对这一问题采用AMS1117 对下位机的供电进行了有效控制，同时配有一个大容量的移动电源以保障长时间的工作供电需求。

设计采用的增益放大芯片为LM358，该放大器为双运放放大器，具有高增益、内补偿等特点，两个高增益运算放大相互独立。使用LM358 芯片作为增益放大模块，芯片能采集到微弱的信号，且性能稳定、价格低廉、性价比高。

SD 卡支持两种总线方式:SD 方式与SPI 方式。SD 方式采用6 线制，而SPI 方式采用4 线制。SD 方式的数据传输速度比SPI 方式快，采用单片机对SD 卡进行读写时一般都采用SPI 模式［5－8］。

在本设计中由于数据采样的频率最高不超过15 kHz，单位时间内产生的数据量远低于SD 的SPI 模式下的数据传输速率，通过与上位机电脑系统的通信协议，SPI 模式在此情况下不会对整个测试仪器系统的数据传输速度造成不良影响。所以本设计选用的是SD 卡的SPI 模式，作为数据的存储模式［9－11］。

4 结束语

为检验本文设计开发的交直流杂散电流测量仪研制及应用腐蚀科学与防护技术是否达到测试要求，文中进行了相应的精度测试如图2 所示，最终测试误差结果为0.67%。设计的杂散电流测量仪，测试结果满足设计要求。

图2 仪器精度测试

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