一套油气管道阴极保护数据远程采集系统.doc
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1、一套油气管道阴极保护数据远程采集系统摘要:针对埋地金属管道腐蚀严重,而我国阴极保护的评测方法多为人工巡检,测量数据误差大、数据不完备、查看不便的现状,设计出一套金属管道阴极保护数据远程采集系统。设计了高精度的采集电路,通过GPRS/CDMA的远程传输方式,将埋地油气管道的各项阴极保护参数采集后发回服务器。通过服务器查看数据并对各项数据进行综合分析与处理,获得受保护管道的当前保护状况,为管道的保护提供了重要依据。设计专门的电源管理模块,选取超低功耗处理器MSP430F5438使系统在休眠模式下电流小于20 A,采用12 000 mAh的电池配合太阳能电池可工作10年以上,弥补了野外供电不足的缺陷
2、。0 引言目前,埋地金属管道广泛应用于石油、天然气、饮用水等的传输。埋地金属管道长期埋于地下,由于环境各异,会发生不同程度的腐蚀1。据统计数据显示,在我国每年因管道腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济净产值的3%4%2。埋地管道的腐蚀、穿孔、泄露不仅造成了油气漏失,使运输中断,造成巨大的经济损失,还易引发诸多安全问题,对环境造成破坏。因此,对管道的保护非常重要。阴极保护主要包括两种方法:牺牲阳极法和外加强制电流法3。国外多采用整流器提供阴保电流,而我国多采用恒电位仪和牺牲阳极结合的方式提供阴极保护电流。根据现行的阴极保护标准,阴极保护电位(管/地断电电位)应在-850 mV-1 200 mV之间
3、4;当上述准则难以达到时,可采用管道阴极极化电位差或去极化电位差大于100 mV作为判据。我国的油气管道铺设广泛,传统的人工巡检方式多采用万用表等仪器进行现场采集,效率低误差大,只能采集通电电位,无法采集阴极保护准则评判时的断电电位,造成了阴极保护效果判断的误差,且人工汇总数据实时性差,查看不方便等。综上所述,需要研制一套油气管道阴极保护数据远程采集系统,用于实时查看、管理阴极保护数据,评价管道阴极保护状态。1 系统的总体结构阴极保护数据远程监测系统结构如图1所示,由智能阴极保护数据采集仪和阴极保护数据管理系统组成。智能阴极保护数据采集仪将测量管道的各项参数,包括通电电位、断电电位、交流电位、
4、自然电位、直流电流以及交流电流等。数据通过GPRS/CDMA的无线通道远程传输到服务器的阴极保护数据采集管理系统中,管理人员可以使用PC登录网站查看相应的管道阴极保护参数。2 智能阴极保护数据采集仪的设计智能阴保数据采集仪主要由主控单元、电源管理单元、数据采集和调理单元、数据存储单元、GPS授时定位单元、时钟单元和远程通信单元7部分组成。由于智能电位采集仪应用于野外环境对功耗要求较高,选取了超低功耗的MSP430F5438作为主控单元的处理器5。系统主要测量的参数有通电电位、断电电位、交流干扰电位、自然电位、直流电流以及交流电流等。智能阴极保护数据采集仪的系统框图如图2所示。2.1 电位采集功
5、能的实现2.1.1 直流电位调理电路直流电路需要测量的数据包括通电电位、断开电位和自然电位,分为通断电位和自然电位两路通道进行采集。选取了四通道微功耗、精密轨到轨输入/输出放大器AD8659,它具有低电源电流、低失调电压、极低输入偏置电流,还有较高的抗电磁干扰的能力,此器件的精密特性组合适用于管道测量中要求的高输入阻抗和抗干扰的测量。采用的模数转换芯片为AD7705,在电源电压为3.3 V、基准电源为2.5 V的条件下可以采集0+2.5 V的电压。根据实际要求需要采集-5 V+5 V范围的电压信号,通过高精度分压电阻使信号电压范围转变为-1 V+1 V,经过第一级运放组成的电压跟随器,然后在第
6、二级运放对电压抬升1.225 V变为0.225 V+2.225 V,再进行模数转换,得到采集电位,具体电路如图3所示。2.1.2 交流感生电压调理电路如果埋地管道附近有变压器或高压输电线,管道上就会耦合出交流电压,引起交流腐蚀6,因此需对管道上的交流电压进行测量。如图4所示,测量端直接接在管道上通过电容隔离直流信号,经分压后进入半波整流电路,然后进入积分电路在电容C39上积分,通过MSP430的内部AD采集电压按照比例得到当前的交流电压值,可以支持的测量范围为有效值0+100 V的交流电压。2.2 电流采集功能的实现管道中阴极保护电流密度是指被保护的管道单位面积上所需要的保护电流,它是衡量管道
7、防腐涂层绝缘性能的一个重要指标7-8。本文设计了直流电流测量电路和交流电流测量电路。如图5所示,A_GD1和A_GD2之间为串联在管道和试片之间的高精度的0.1 的采样电阻,使用双向、电压输出电流感测放大器LMP8601将电流流过高精度采样电阻的电压放大20倍。通过两级RC和运放组成的电压跟随器滤除交流信息,测量直流电位得到当前直流电流大小;通过电容隔离直流信息后再经过精密全波整流电路将交流信号转换成直流信号,测得交流电流的大小。因为试片的裸露面积是固定的,所以可得到管道相应位置的直流电流密度和交流电流密度。2.3 北斗/GPS时间同步校准功能的实现时间同步部分以卫星时钟为同步基准9,卫星接收
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