埋地管道阴极保护电位检测系统的制作方法

1.本发明涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种埋地管道阴极保护电位检测系统。


背景技术：

2.埋地管道的防腐层由于受到破坏、腐蚀等原因不可避免的存在破损点，临近的土壤的含水量、含盐量和含氧量不同，导致管道表面各破损点与土壤地电位存在着差异，这种电位差给电流的流动提供了动力。电位为负的位置，电流从管道流入土壤，管道为阳极，易发生腐蚀；电位为正的位置，电流从土壤流入管道，管道为阴极，不会发生腐蚀或腐蚀减缓。
3.管道阴极保护是一种基于电化学腐蚀机理，用于减缓或抑制金属管道电化学腐蚀的保护方法。实际应用中，通过给管道补充电子，使被保护管道处于电子过剩的状态。由于管道金属表面发生阴极极化，管道的腐蚀得到减缓或抑制。
4.常规的阴极保护电位测量方法是使用数字万用表和硫酸铜参比电极进行。将数字万用表的负表笔与硫酸铜参比电极连接，硫酸铜参比电极放置在测试桩附近管道上方的土壤中，正表笔与管道连接。数字万用表指示的是管体相对于硫酸铜参比电极的电位差，该电位被定义为管道的阴极保护电位。
5.在实际测量中，由于硫酸铜溶液的活性受土壤温度影响比较大，表现为温度高时，饱和硫酸铜溶液由饱和状态变为不饱和状态；温度降低时，饱和硫酸铜溶液由饱和状态变为过饱和状态。无论是不饱和状态还是过饱和状态，硫酸铜溶液的电位值均与饱和状态的电位值有一些差别。饱和硫酸铜溶液是在室温25摄氏度的实验室环境中制成的，这就表现为在土壤温度不同于室温25摄氏度的情况下，由于饱和硫酸铜溶液不再饱和，使得测得的埋地管道阴极电位不是相对于硫酸铜参比电极的电位，给测量结果带来了误差。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种埋地管道阴极保护电位检测系统，通过测量土壤的环境温度来获取硫酸铜参比电极的电位补偿值，进而对硫酸铜参比电极测得的电位值进行校准，从而达到准确评估管道阴极保护电位的目的。
7.为了达到上述目的，本发明提供了一种埋地管道阴极保护电位检测系统，包括处理模块以及与所述处理模块连接的管道电位测量模块、硫酸铜参比电极和温度测量模块，所述管道电位测量模块用于测量埋地管道的测量端电位并发送给所述处理模块，所述硫酸铜参比电极置于所述埋地管道上方的土壤中并用于提供一参考端电位给所述处理模块，所述温度测量模块用于测量所述土壤的环境温度并发送给所述处理模块，所述处理模块用于根据所述环境温度获取所述硫酸铜参比电极的电位补偿值，所述处理模块还用于根据所述测量端电位、所述参考端电位及所述电位补偿值得到所述埋地管道的阴极保护电位。
8.可选的，所述管道电位测量模块包括测量端及信号检测电路，所述测量端与所述埋地管道的管壁接触，并通过所述信号检测电路与所述处理模块连接。
9.可选的，所述信号检测电路包括第一电压跟随器及第一低通滤波器，所述第一低
通滤波器的输入端作为所述信号检测电路的输入端，所述第一电压跟随器包括第一同相输入端、第一反相输入端及第一输出端，所述第一同相输入端与所述第一低通滤波器的输出端连接，所述第一反相输入端与所述第一输出端连接，所述第一电压跟随器的输出端作为所述信号检测电路的输出端。
10.可选的，所述第一低通滤波器包括第一电阻及第一电容，所述第一电阻的输入端作为所述信号检测电路的输入端，所述第一电阻的输出端与所述第一同相输入端连接，所述第一电容的一端与所述第一电阻的输出端连接，另一端接gnd。
11.可选的，所述埋地管道阴极保护电位检测系统还包括参考电压施加电路，所述参考电压施加电路与所述硫酸铜参比电极连接以向所述硫酸铜参比电极施加一参考电压。
12.可选的，所述参考电压施加电路包括基准电压源、第二电阻、第三电阻及第二电压跟随器，所述第二电压跟随器包括第二同相输入端、第二反相输入端及第二输出端，所述基准电压源的阴极通过所述第二电阻与一稳压电源连接，所述基准电压源的阳极接gnd，以产生所述参考电压并施加给所述第二同相输入端，所述第二反相输入端与所述第二输出端连接，所述第三电阻串联于所述第二输出端与所述硫酸铜参比电极之间。
13.可选的，所述参考电压不小于1.2v。
14.可选的，所述温度测量模块包括热敏电阻及温度测量电路，所述热敏电阻置于所述埋地管道上方的土壤中，所述温度测量电路与所述热敏电阻连接，所述处理模块与所述温度测量电路的输出端连接以将所述热敏电阻的电压值转化为电阻值。
15.可选的，所述温度测量电路包括分压电路、第三电压跟随器及第四电阻，所述第三电压跟随器包括第三同相输入端、第三反相输入端及第三输出端，所述分压电路的输入端与一稳压电源连接，所述分压电路的输出端与所述第三同相输入端连接，所述第三反相输入端与所述第三输出端连接，所述第四电阻与所述热敏电阻串联在所述第三输出端与接地端之间。
16.可选的，所述埋地管道阴极保护电位检测系统还包括显示屏，所述显示屏与所述处理模块连接以显示所述阴极保护电位。
17.本发明提供了一种埋地管道阴极保护电位检测系统，通过所述温度测量模块测量土壤的环境温度，然后通过所述处理模块根据所述环境温度获取所述硫酸铜参比电极的电位补偿值，能够对硫酸铜参比电极测得的电位值进行校准，从而使得所述埋地管道的阴极保护电位的检测结果更加准确。
附图说明
18.本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
19.图1为本发明实施例提供的埋地管道阴极保护电位检测系统的原理框图；
20.图2为本发明实施例提供的埋地管道阴极保护电位检测系统的检测示意图；
21.图3为本发明实施例提供的信号检测电路的电路图；
22.图4为本发明实施例提供的参考电压施加电路的电路图；
23.图5为本发明实施例提供的热敏电阻和温度测量电路的电路图；
24.附图中：
25.10-处理模块；20-管道电位测量模块；21-测量端；22-信号检测电路；30-硫酸铜参比电极；40-温度测量模块；41-热敏电阻；42-温度测量电路；50-埋地管道；
26.r1-第一电阻；r2-第二电阻；r3-第三电阻；r4-第四电阻；r5-第四电阻；r6-第四电阻；ntc-热敏电阻；c1-第一电容；c2-第二电容；u1a-第一电压跟随器；u2a-第二电压跟随器；u3a-第三电压跟随器；u1-基准电压源；mea-测量信号；va-测量端电位；ref-参考电压；adc-ntc-热敏电阻的输出电压。
具体实施方式
27.正如背景技术所述，在实际测量中，由于硫酸铜溶液的活性受土壤温度影响比较大，使得硫酸铜溶液在不饱和状态或过饱和状态下测得的电位值均与饱和状态测得的电位值有所差别，进而使得测得的埋地管道阴极电位不是相对于硫酸铜参比电极的电位，给测量结果带来了误差。
28.基于此，本发明提供了一种埋地管道阴极保护电位检测系统，通过测量土壤的环境温度来获取硫酸铜参比电极的电位补偿值，进而对硫酸铜参比电极测得的电位值进行校准，从而达到准确评估管道阴极保护电位的目的。
29.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
30.如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第三”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第三”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。
31.图1为本发明实施例提供的埋地管道阴极保护电位检测系统的原理框图；图2为本发明实施例提供的埋地管道阴极保护电位检测系统的检测示意图；图3为本发明实施例提供的信号检测电路的电路图；图4为本发明实施例提供的参考电压施加电路的电路图；图5为本发明实施例提供的热敏电阻和温度测量电路的电路图。
32.请参照图1及图2，本实施例提供了一种埋地管道阴极保护电位检测系统，包括处理模块10以及与所述处理模块10连接的管道电位测量模块20、硫酸铜参比电极30和温度测量模块40，所述管道电位测量模块20用于测量埋地管道50的测量端电位并发送给所述处理模块10，所述硫酸铜参比电极30置于所述埋地管道50上方的土壤中并用于提供一参考端电位给所述处理模块10，所述温度测量模块40用于测量所述土壤的环境温度并发送给所述处理模块10，所述处理模块10用于根据所述环境温度获取所述硫酸铜参比电极30的电位补偿值，所述处理模块10还用于根据所述测量端电位、所述参考端电位及所述电位补偿值得到所述埋地管道50的阴极保护电位。
33.在通过本发明提供的埋地管道阴极保护电位进行测量时，利用所述温度测量模块40获取所述土壤的环境温度，所述处理模块10用于根据所述环境温度与其内部存储的数据库中的数据进行匹配，得到所述硫酸铜参比电极30在该环境温度下的电位补偿值，然后根据所述测量端电位与所述参考端电位计算得到的电位差中加上所述电位补偿值即可得到在该环境温度下所述埋地管道50的阴极保护电位。应当理解的是，本实施例中所述数据库中存储有预先通过多次试验得到的硫酸铜参比电极在不同温度下对应的电位补偿值。
34.具体的，所述管道电位测量模块20包括测量端21及信号检测电路22，所述测量端21与所述埋地管道50的管壁接触，并通过所述信号检测电路22与所述处理模块10连接，所述处理模块10通过所述信号检测电路22获取所述埋地管道50的测量信号。
35.本实施例中，请参照图3，所述信号检测电路22包括第一电压跟随器u1a及第一低通滤波器，所述第一低通滤波器的输入端作为所述信号检测电路22的输入端，所述第一电压跟随器u1a包括第一同相输入端、第一反相输入端及第一输出端，所述第一同相输入端与所述第一低通滤波器的输出端连接，所述第一反相输入端与所述第一输出端连接，所述第一电压跟随器u1a的输出端作为所述信号检测电路22的输出端。信号检测电路22的测量信号mea首先经过一低通滤波器，用于滤除杂散电流的高频干扰，经过低通滤波后的信号通过所述第一电压跟随器的第一同相输入端输送给所述第一输出端，所述第一输出端的输出电位即为所述埋地管道50的测量端电位va。
36.本实施例中，所述第一电压跟随器u1a由一稳压电源供电，该稳压电源的供电电压为3.3v。
37.本实施例中，所述第一低通滤波器包括第一电阻r1及第一电容c1，所述第一电阻r1的输入端作为所述信号检测电路22的输入端，用于接收所述测量端21的测量信号mea，所述第一电阻r1的输出端与所述第一同相输入端连接，所述第一电容c1的一端与所述第一电阻r1的输出端连接，另一端接gnd。
38.应当注意的是，本实施例中提及的gnd为所述稳压电源的负极(公共端)。
39.进一步的，请结合图1，所述埋地管道阴极保护电位还包括参考电压施加电路31，所述参考电压施加电路31与所述硫酸铜参比电极30连接以向所述硫酸铜参比电极30施加一参考电压ref。由于所述埋地管道50的阴极保护电位为负电位，而常规的埋地管道50阴极保护检测电路由稳压电源供电，是正电位，因此，需要对所述硫酸铜参比电极30施加参考电压ref，即通过所述参考电压施加电路31向所述硫酸铜参比电极30施加参考电压ref，以抬高所述硫酸铜参比电极30的电位，所述处理模块10例如集成在万用表内，可通过表笔获取所述硫酸铜参比电极30的电位值即参考端电位。
40.本实施例中，请参照图4，所述参考电压施加电路31包括基准电压源u1、第二电阻r2、第三电阻r3及第二电压跟随器u2a，所述第二电压跟随器u2a包括第二同相输入端、第二反相输入端及第二输出端，所述基准电压源u1的阴极通过所述第二电阻r2与一稳压电源连接，所述基准电压源u1的阳极接gnd，以产生所述参考电压ref并施加给所述第二同相输入端，所述第二反相输入端与所述第二输出端连接，所述第三电阻r3串联于所述第二输出端与所述硫酸铜参比电极30之间。
41.由于所述硫酸铜参比电极30的输出阻抗很高，因此需要选择一个高阻输入、低偏置电流的运算放大器即第二电压跟随器u2a，以降低所述硫酸铜参比电极30阻抗的影响。
42.本实施例中，所述埋地管道50的测量端电位va通常为-0.85v～-1.2v，故所述参考电压ref不小于1.2v。本实施例中，所述参考电压ref取值为1.2v，则所述埋地管道50的测量端电位的范围为0～0.35v，满足稳压电源要求的正电压测量范围。
43.本实施例中，所述参考电压ref由所述基准电压源u1和第二电阻r2产生，基准电压源u1可以选择linear公司的带隙基准电压芯片lt1004，此处不作限制。所述参考电压ref通过所述第三电阻r3加载到所述硫酸铜参比电极30上，使得所述硫酸铜参比电极30的电势也相应被抬高至 1.2v。
44.请参照图1，并结合图5，所述温度测量模块40包括热敏电阻41及温度测量电路42，所述热敏电阻41置于所述埋地管道50上方的土壤中，所述温度测量电路42与所述热敏电阻41连接，所述处理模块10与所述温度测量电路42的输出端连接以将所述热敏电阻41的电压值转化为电阻值。
45.本实施例中，所述热敏电阻41为ntc热敏电阻，ntc热敏电阻的电阻值随温度的升高而降低，且其阻值与环境温度呈线性对应关系，因此，可根据所述ntc热敏电阻的阻值得到所述土壤的环境温度，进而通过所述环境温度比对数据库中的数据，得到所述硫酸铜参比电极30在该环境温度下的电位补偿值，而所述热敏电阻41的阻值可通过所述温度测量电路42得到。
46.进一步的，所述温度测量电路42包括分压电路、第三电压跟随器u3a及第四电阻r4，所述第三电压跟随器u3a包括第三同相输入端、第三反相输入端及第三输出端，所述分压电路的输入端与一稳压电源连接，所述分压电路的输出端与所述第三同相输入端连接，所述第三反相输入端与所述第三输出端连接，所述第四电阻r4与所述热敏电阻41串联在所述第三输出端与接地端之间。
47.本实施例中，所述分压电路包括第二电容c2以及串联的第五电阻r5和第五电阻r6，所述第五电阻r5的一端接所述稳压电压，所述第六电阻r6的一端接gnd，所述第二电容c2并联于所述第六电阻r6的两端，所述第三同相输入端的输入端接于所述第五电阻r5与所述第六电阻r6之间。
48.具体的，假设稳压电压提供的电压为 3.3v，所述第五电阻r5的阻值为10k，所述第六电阻r6的取值为4.7k，则经过述第五电阻r5和所述第六电阻r6串联分压后在所述第三电压跟随器u3a的第三输出端输出一个 1.055v的电压，该 1.055v电压经过所述第四电阻r4后串联到ntc热敏电阻上。ntc热敏电阻的阻值随土壤温度变化而变化， 1.055v经过所述第四电阻r4和ntc热敏电阻转化成变化的输出电压adc_ntc，该电压adc_ntc被送入所述处理模块10的adc通道进行温度转换，得到所述ntc热敏电阻的温度值。
49.具体的，所述ntc热敏电阻的阻值计算方法如下：
50.第四电阻r4上的电流为：
[0051][0052]
则ntc热敏电阻的阻值为：
[0053]
[0054]
计算得到所述ntc热敏电阻的阻值后，根据阻值与温度的对应关系即可得到所述ntc热敏电阻的温度，也即所述土壤的环境温度。
[0055]
本实施例中，所述电位补偿值的获取方法如下：
[0056]
1)在实验室中，采用所述的埋地管道阴极保护电位检测系统进行模拟测试，选用热敏电阻41的型号为ntc-10k，也就是说在标准温度25℃下，所述热敏电阻41的电阻值为10kω，假设在环境温度为25℃时，硫酸铜溶液处于饱和状态，测量硫酸铜电极在不同温度下的电位值，建立温度与硫酸铜电极的电位值的对应关系(例如通过表格的形式)，然后将该对应关系预先存储在所述处理模块10的数据库中。例如，vp
t1
为t1温度下测得的硫酸铜电极的电位值，vp
t25
为25℃下测得的饱和硫酸铜电极的电位值；
[0057]
2)现场采用所述埋地管道阴极保护电位对管道进行阴极保护电位测量时，通过热敏电阻41及所述温度测量电路42读取土壤的环境温度t1，并读取测量端电位v1及参考端电位v2，则所述埋地管道50的阴极保护电位的计算公式如下：
[0058]vout
＝(v
1-v2) (vp
t1-vp
t25
)
[0059]
如此，便可以得到更加准确的埋地管道50的阴极保护电位。
[0060]
本实施例对所述处理模块10的种类没有特别的限制，可以是执行逻辑运算的硬件，例如，单片机、微处理器、可编程逻辑控制器(plc，programmable logic controller)或者现场可编程逻辑门阵列(fpga，field-programmable gate array)，或者是在硬件基础上的实现上述功能的软件程序、功能模块、函数、目标库(object libraries)或动态链接库(dynamic-link libraries)。此外，本领域的技术人员应当知晓如何具体实现所述处理模块10与其他模块间的通信。
[0061]
较佳的，所述埋地管道阴极保护电位还包括显示屏，所述显示屏与所述处理模块10连接以显示所述阴极保护电位。本实施例中，所述显示屏为液晶屏，其采用3.2英寸262k彩色液晶屏，液晶屏的分辨率为240rgb*320。
[0062]
综上，本发明实施例提供了一种埋地管道阴极保护电位，通过测量土壤的环境温度来获取硫酸铜参比电极的电位补偿值，进而对硫酸铜参比电极测得的电位值进行校准，从而达到了准确评估管道阴极保护电位的目的。
[0063]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。