Пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії

Пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії, що містить наземний пункт вимірювання, неполяризуючий електрод порівняння, аналого-цифровий перетворювач, виходом з'єднаний з входом мікроконтролера, інформаційний вихід якого з'єднаний з дисплеєм, який відрізняється тим, що введені цифровий потенціометр, цифровий магазин опорів, підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення, електронний ключ, електромагнітний переривник поляризуючого струму і диференційний підсилювач, входи якого з'єднані з виходами U 2 (19) 1 3 52-54), а для вимірювання опору ґрунту - мегометри або вимірювальні мости (ДСТУ 4219.-2003. Визначення корозійної активності ґрунтів та швидкості залишкової корозії металу трубопроводу. Додаток Н, С. 59-60). Основним джерелом похибки вимірювання поляризаційного потенціалу підземних сталевих трубопроводів є падіння напруги в ґрунті від поляризуючого струму (Бекман В. Катодная зашита. Справочник: Перев. с нем. - М.: Металлургия, 1992. - С. 121-125). Для усунення цієї похибки застосовують різні схемотехнічні рішення та відповідні пристрої. Відомий пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії (Методика оценки фактического положения и состояния подземних трубопроводов. ВРД 39-1.10-0262001 - М.: "ВНИИГАЗ", 2001. - П.3.3.3, рис. 3.21), що містить електронний вольтметр, включений між наземним пунктом вимірювання і неполяризуючим електродом порівняння, і керований переривник струму, включеним між катодом джерела поляризації і підземним сталевим трубопроводом. Виключення вказаної похибки досягається за рахунок переривання поляризуючого струму на момент вимірювання поляризаційного потенціалу. Проте, через неминуче зменшення поляризаційного потенціалу внаслідок деполяризації підземного сталевого трубопроводу виникає методична похибка, яка може сягати 10 % від дійсної величини поляризаційного потенціалу при його вимірюванні в кінці другої мілісекунди після відключення джерела поляризації. Відомий також пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії (Розгонюк В.В., Гужов Ю.П., Кузменко Ю.О., Шишківський В.А. Технічна експлуатація систем захисту від підземної корозії магістральних газопроводів. - Київ, "Росток", 2000. – С.110-111), що містить наземний пункт вимірювання, неполяризуючий електрод порівняння, аналого-цифровий перетворювач, виходом з'єднаний з входом мікроконтролера, інформаційний вихід якого з'єднаний з дисплеєм. Крім того, пристрій містить блок для вимірювання електричного опору з джерелом живлення і персональний комп'ютер. Використання швидкодіючих цифрових схем дозволяє вимірювати поляризаційний потенціал за частки мілісекунди, що істотно знижує методичну похибку. Проте, спільне і одночасне вимірювання поляризаційного потенціалу і опору ґрунту неможливе. Це обумовлено тим, що для вимірювання опору ґрунту необхідно підключити до підземного сталевого трубопроводу і неполяризуючого електроду порівняння зовнішнє джерело постійної напруги. За наявності поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу відбувається перерозподіл струмів в навколишньому ґрунті, що викликає недопустимо великі похибки в оцінці опору ґрунту саме в зоні вказаних електродів. В основу корисної моделі поставлено задачу створити такий пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії, в якому введенням нових елементів і зв'язків забезпечилась би можливість одночасного і спіль 66149 4 ного вимірювання поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та опору навколишнього ґрунту з високою швидкодією й точністю, що розширить функціональні можливості пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії, що містить наземний пункт вимірювання, неполяризуючий електрод порівняння, аналого-цифровий перетворювач, виходом з'єднаний з входом мікроконтролера, інформаційний вихід якого з'єднаний з дисплеєм, згідно з корисною моделлю, введені цифровий потенціометр, цифровий магазин опорів, підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення, електронний ключ, електромагнітний переривник поляризуючого струму і диференційний підсилювач, входи якого з'єднані з виходами цифрового потенціометра та цифрового магазина опорів, який входом включений послідовно з плечима цифрового потенціометра, вихід диференційного підсилювача з'єднаний через підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення з входом аналого-цифрового перетворювача, перший вихід мікроконтролера з'єднаний з керуючим входом електронного ключа, який включений між входами цифрового потенціометра і цифрового магазина опорів, другий вихід з'єднаний з керуючим входом цифрового потенціометра, третій вихід з'єднаний з керуючим входом електромагнітного переривника поляризуючого струму, четвертий вихід з'єднаний з керуючим входом цифрового магазина опорів і п'ятий вихід з'єднаний з керуючим входом підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення, при цьому вхід цифрового потенціометра підключений безпосередньо до наземного пункту вимірювання, а вихід цифрового магазина опорів підключений до неполяризуючого електроду порівняння. Введення у відомий пристрій для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії цифрового потенціометра, цифрового магазина опорів, підсилювача з програмованим коефіцієнтом підсилення, електронного ключа, електромагнітного переривника поляризуючого струму і диференційного підсилювача, включених зазначеним чином, забезпечує можливість періодичної зміни різниці потенціалів поляризованого підземного сталевого трубопроводу і неполяризуючого електроду порівняння залежно від опору ґрунту, опорів плечей цифрового потенціометра і цифрового магазина опорів, включених послідовно. Масштабне підсилення двох отримуваних різниць потенціалів підсилювачем з програмованим коефіцієнтом підсилення та подальше цифрове кодування напруги аналого-цифровим перетворювачем дозволяє порівнювати їх в процесорі мікроконтролера і виробляти цифрові коди для керування цифровим потенціометром і цифровим магазином опорів. При досягненні рівності порівнюваних різниць потенціалів між цифровими елементами схеми встановлюється таке їх співвідношення, що можна однозначно і незалежно визначити поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу і опір навколишнього ґру 5 нту. Автоматичне переривання поляризаційного струму по командах мікроконтролера усуває вплив падіння напруги в навколишньому ґрунті від поляризуючого струму і дає можливість цифрового урівноваження схеми порівняння за короткий час, що забезпечує високу швидкодію і точність в оцінці поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу при реальному опорі навколишнього ґрунту. На кресленні приведена електрична функціональна схема пристрою для діагностики захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії. Пристрій містить цифровий потенціометр 1, з'єднаний своїми плечима послідовно з цифровим магазином опорів 2. До виходу цифрового потенціометра 1 і цифрового магазина опорів 2 підключені входи диференційного підсилювача 3. Між входом цифрового потенціометра 1 і точкою з'єднання його плечей з входом цифрового магазина опорів 2 включений електронний ключ 4. До виходу диференційного підсилювача З через підсилювач 5 з програмованим коефіцієнтом підсилення підключений аналого-цифровий перетворювач 6, виходом з'єднаний з мікроконтролером 7, який з'єднаний з дисплеєм 8. При цьому перший вихід мікроконтролера 7 з'єднаний з керуючим входом електронного ключа 4, другий вихід з'єднаний з керуючим входом цифрового потенціометра 1, третій вихід з'єднаний з керуючим входом електромагнітного переривника 9 поляризуючого струму, четвертий вихід з'єднаний з керуючим входом цифрового магазина опорів 2, а п'ятий вихід з'єднаний з керуючим входом підсилювача 5 з програмованим коефіцієнтом підсилення. Крім того, позицією 10 позначено джерело поляризуючого струму, що входить в систему антикорозійного захисту підземного сталевого трубопроводу. Додатній полюс джерела поляризуючого струму з'єднаний з анодним заземленням 11, а від'ємний полюс з'єднаний з підземним сталевим трубопроводом 12, який електрично з'єднаний з наземним пунктом вимірювання 13. На поверхні над віссю підземного сталевого трубопроводу 12 розташований неполяризуючий електрод порівняння 14, який контактує з навколишнім ґрунтом 15. При контролі антикорозійного стану підземного сталевого трубопроводу 12 пристрій підключається входом цифрового потенціометра 1 до наземного пункту вимірювання 13 і до неполяризуючого електроду порівняння 14 виходом цифрового магазина опорів 2. Пристрій працює таким чином. Діагностика захищеності підземного сталевого трубопроводу 12 здійснюється відповідно до програми, записаної в пам'яті мікроконтролера 7. Спочатку по команді мікроконтролера 7 спрацьовує електромагнітний переривник струму 9 і, тим самим, усувається вплив падіння напруги на опорі навколишнього ґрунту в місці установки неполяризуючого електроду порівняння 14. На входи диференційного підсилювача 3 при розімкненому електронному ключі 4 починає впливати різниця потенціалів: 66149 6 U1  R2  R3 EП R1  R 2  R 3  R 4 , (1) де R1 і R 2 - опори плечей цифрового потенціометра 1; R 3 - опір цифрового магазина опорів 2; R 4 - опір навколишнього ґрунту 15 між неполяризуючим електродом порівняння 14 і підземним сталевим трубопроводом 12; E п - поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 12, який є досяжним через наземний пункт вимірювання 13. Електрична напруга у вигляді різниці потенціалів U1 , спочатку підсилюється диференційним підсилювачем 3, а потім - підсилювачем 5 з програмованим коефіцієнтом підсилення і поступає на аналого-цифровий перетворювач 6, в якому перетворюється в код U1 N1  K1K 2 q1 , (2) де K 1 - коефіцієнт підсилення диференційного підсилювача 3; K 2 - коефіцієнт підсилення підсилювача 5 з програмованим коефіцієнтом підсилення; q1 - одиниця молодшого розряду аналогоцифрового перетворювача 6. З врахуванням виразу (1) код напруги (2) набирає вигляду R 2  R3 E N1  K1K 2   П R1  R2  R3  R4 q 1 . (3) Код (3) вводиться в мікроконтролер 7, в якому і запам'ятовується. Далі по черговій команді мікроконтролера 7 замикається електронний ключ 4. В результаті шунтування плечей цифрового потенціометра 1 електронним ключем 4 різниця потенціалів, що впливає на входи диференціального підсилювача 3, зростає до значення R3 U 2  EП R3  R 4 . (4) Код на виході аналого-цифрового перетворювача 6 відповідно набирає вигляду R3 E N2  K 1K 2   П R 3  R 4 q1 , (5) який також запам'ятовується в мікроконтролері 7. Відповідно до програми в процесорі мікроконтролера 7 виробляється порівняння кодів (2) і (5) та формується різницевий код N1  N1  N2 .(6) Різницевим кодом (6) змінюється встановлюваний код цифрового магазина опорів 2 у напрямі зменшення різницевого коду N1 . Якщо значення і по знаку є додатнім, то опір цифрового магазину опорів 2 збільшують. При від'ємному значенні N1 7 66149 8 опір цифрового магазина опорів 2 зменшують. При цьому, через зміни опору R 3 цифрового магазина не залежно від величини поляризаційного потенціалу EП по встановлених кодах цифрового поте опорів 2 змінюється як різниця потенціалів (1), так і різниця потенціалів (4). В результаті змінюються обидва коди напруги ( N1 і N2 ). Тому для форму нціометра 1 і цифрового магазина опорів 2. Для зменшення числа ітерацій n , що визначає швидкодію запропонованого пристрою, при n >5-7 програмно змінюють код N3 цифрового потенціомет вання нового зменшеного різницевого коду при розімкненому електронному ключі 4 визначають нове значення коду R 2  R3 ' E N1'  K1K 2   П R1  R2  R3 'R 4 q 1 , (7) і при замкненому електронному ключі 4 - нове значення коду R3 ' E N2 '  K1K 2   П R3 'R4 q1 , (8) де R3 ' змінений опір цифрового магазина опорів 2. Далі порівнюють коди (7) і (8), що були запам'ятовані в мікроконтролері 7, та формують новий зменшений різницевий код N2  N1'N2 '  N1 . (9) Відповідно до знаку різницевого коду (9) знов змінюють опір цифрового магазина опорів 2 у напрямі зменшення різницевого коду N2 . Далі повторюють операції отримання і порівняння нових значень кодів N1' ' , і N2 ' ' . В результаті мікроконтролером 7 формується послідовність різницевих кодів N1, N2 , N3 , … Nn , які зменшуються до нуля. Відповідно до отримуваних різницевих кодів пропорційно змінюється опір цифрового магазина опорів 2. Досягши рівності кодів n n ( N1  N2 , де n - число ітерацій), відповідно, отримують і рівність різниць потенціалів (1) і (4) при розімкненому і замкненому електронному ключі 4: R 2  Rn 3 R1  R 2  Rn  R 4 3  Rn 3 Rn  R 4 , (10) 3 n де R 3 - встановлений опір цифрового магазина опорів 2 після n -ітерацій. Розв'язуючи рівняння (10) відносно вимірюваного опору R 4 ґрунту 15, отримаємо R R 4  1 R n  q2N3Nn 3 4 R2 , (11) R1 R 2 – код відношення опорів плечей де цифрового потенціометра 1; N3  Rn 4 4 q2 - код встановленого опору цифрового магазина опорів 2; q 2 - одиниця молодшого розряду цифрового Nn  магазина опорів 2. Як випливає з виразу (11), опір R 4 навколишнього ґрунту 15 обчислюється в мікроконтролері 7 ра 1 у напрямі зближення обчислюваного опору R 4 з опором R n цифрового магазина опорів 2. 3 При новому значенні коду N3 відбувається остаточне врівноваження вимірювальної схеми шляхом настройки коду N4 . У разі затягування процесу урівноваження програмно підстроюється код R1 N3 , а, отже, співвідношення опорів R 2 плечей цифрового потенціометра 1. В результаті ітерації кодів N3 і N4 вираз (11) набуває вигляду: m R  R 4   1   R n  q2NmNn 3 3 4 R   2 , (12) де m - число ітерацій в налаштуванні цифрового потенціометра 1. Досягши рівності кодів порівнюваних різниць потенціалів (3) і (5), маємо: n N1,m  Nn,m  K1K 2  2 Rn 3 Rn 3  R4  EП q1 . (13) Підставляючи значення опору R 4 з виразу (12), отримуємо E 1 N1  K1K 2   П 1  Nm q1 . (14) 3 Коефіцієнт підсилення підсилювача 5 з програмованим коефіцієнтом підсилення програмно встановлюється рівним 1  Nm 3 K1 . (15) Код виміряної напруги з врахуванням (15) набуває остаточного значення E N5  П q1 . (16) K2  За кодом N5 , який надходить в пам'ять мікроконтролера 7, визначають поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу EП  q1N5 . (17) Значення поляризаційного потенціалу (17) та опору (12) навколишнього ґрунту 15 виводять на дисплей 8. Після цього командою від мікроконтролера 7 замикають електромагнітний переривник 9 поляризуючого струму й знов поляризують підземний сталевий трубопровід 12. Таким чином, запропонований пристрій дозволяє діагностувати ступінь захищеності підземного сталевого трубопроводу за значенням поляризаційного потенціалу з врахуванням фактичного опору навколишнього ґрунту. При цьому відпадає необхідність в додатковому розміщенні чотирьох 9 електродів перпендикулярно осі підземного сталевого трубопроводу і у вимірюванні опору навколишнього ґрунту мегометром за чотириелектродною схемою. Одночасне та спільне вимірювання поляризаційного потенціалу й опору навколишнього Комп’ютерна верстка І. Скворцова 66149 10 ґрунту істотно підвищує достовірність оцінки захищеності підземного сталевого трубопроводу в процесі його експлуатації. При цьому знижуються експлуатаційні витрати на проведення вимірювальних процедур. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601