CN105115885B - 一种便携式接地网腐蚀状态监测系统和监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式接地网腐蚀状态监测系统和监测方法，包括多个相同结构的三电极传感头结构，阶跃型可变微安培恒流激励源电路，积分型毫伏特检测电路，和基于Windows操作系统的数据显示界面。该监测系统和监测方法主要用于野外电网接地网腐蚀速率的实时自动监测，可以有效避免由地网腐蚀而引起的电力系统事故的发生，阶跃恒电流充电曲线技术可以快速测量碳钢接地网的腐蚀速率。本发明结构简单，成本低，稳定性高，适合野外长期工作，并采用独特的双积分型毫伏特检测电路，大大提高了腐蚀速率的检测速度和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及发电厂与变电站中的接地网腐蚀状态的监测系统，尤其基于恒电流充电曲线技术测量碳钢接地网腐蚀速率的装置和方法。
背景技术
国内发电厂与变电站中的接地网接地导体材料多为碳钢，碳钢在土壤中易发生腐蚀，在腐蚀性较强的土壤中腐蚀速率可达8mm/a，接地网的腐蚀严重威胁着电网的安全运行。在我国因接地网腐蚀而引起 的电力系统事故时有发生，每次事故都带来了巨大的经济损失。对接 地网进行腐蚀检测可以及时发现接地网严重腐蚀区域，在其未引发严重事故前，及时采取有效措施，将会减少或杜绝因接地网腐蚀而引起的电力系统事故的发生。目前接地网腐蚀诊断主要是在发现接地网接地电阻不合格后或出现事故后，通过开挖查找接地网腐蚀区域，这种方法带有盲目性，工作量大、速度慢，并受现场运行条件的限制。
接地网金属材料在土壤中主要发生电化学腐蚀，电化学参数是表征接地网腐蚀状态最有效的手段，电化学极化阻力技术可以测量金属的瞬时腐蚀速率和局部腐蚀倾向。由于变电站接地网所处环境中干扰信号很强，如果不采取滤波手段根本无法得到真实的电化学测量响应信号。考虑到信号的滤波需要，接地网现场测量时，适合采用暂态的电化学测量方法。恒电流充电曲线法属于暂态松弛技术，测试方法简单快捷，且可以消除土壤的欧姆降，因此适合接地网腐蚀状态的现场检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种便携式接地网腐蚀状态监测系统和监测方法。采用阶跃式恒流源和双积分数据采集方式设计理念独特、新颖，并且能够有效解决接地网实际存在的问题，进一步推进了我国接地耐腐蚀技术方面的发展，具有很强的实用推广价值和社会价值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种便携式接地网腐蚀状态监测系统，其特征在于：
包括用于对极化反应三电极结构中辅助电极与研究电极之间施加极化激励信号的0-100uA阶跃电流信号模块和采集参比电极和研究电极之间激励响应的双积分电压数据采集模块，以及为装置各模块供电的电源管理模块和对0-100uA阶跃电流信号控制、双积分数据采样 信号进行分析所得到的土壤腐蚀速率的微处理器模块。
所述0-100uA阶跃电流信号模块依次由REF200标准用100uA电流镜像源、精密运算放大器OPA602、阶跃式电阻配比继电器控制模块构成，所述REF200用于产生100uA的基准电流源，所述精密运算放大器OPA602用于对REF200产生100uA电流信号进行放大或者缩 小，所述阶跃式电阻配比继电器控制模块用于控制OPA602运算放大器的放大或缩小倍数。
所述双积分电压数据采样ICL7135模块用于测量参比电极与研究电极的自腐蚀电位以及在研究电极和辅助电极施加激励后采集参比电极与研究电极之间的响应信号。
所述电源管理模块由依次相接的13V直流电源、用于将蓄电池输出的12V电压转换为5V的电源电路、-5V电源电路、12V电源电路、-12V电源电路构成，所述0-100uA阶跃式电流信号模块的REF200 芯片、OPA602芯片均与所述12V、-12V直流电源连接，所述阶跃式电阻配比继电器控制模块、微处理器模块均与5V直流电源连接，所述双积分电压数据采样模块与5V、-5V直流电源相连接。
所述微处理模块由单片机STC89C54RD+、晶振电路、复位电路和下载通信电路组成，所述微处理器模块用于控制0-100uA阶跃式电 流信号的大小和采集双积分电压数据采样ICL7135模块的数据，并以此数据来分析计算出土壤的腐蚀速率后传送至上位机显示监测站。
所述微处理器模块的输入端接有用于采集双积分电压数据模块的输出电压信号，所述微处理器模块的输入端接有用于控制0-100uA阶跃电流信号输出大小的模块。
本发明还提供了一种数据处理速度快、实时性能好、检测精度高、可扩展性能好的接地网腐蚀状态监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、响应信号实时采集及传输：ICL7135双积分电压数据采集模块用于采集参比电极与研究电极之间的电位差V，并在0-100uA 电流激励未加入研究电极与辅助电极之间的时候，记录参比电极与研究电极之间的自腐蚀电位V0；
步骤二、0-100uA阶跃电流激励信号施加：每隔30s由微处理器模块控制继电器模块使得输出电流阶跃式由小到大变为I1＝20uA、 I2＝24uA、I3＝30uA、I4＝36uA、I5＝39uA、I6＝47uA、I7＝51uA、I8＝56uA、 I9＝62uA、I10＝68uA、I11＝75uA，并通过ICL7135双积分电压采集模块记录其相应的响应V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V1；
步骤三、信号分析处理：首先，所述微处理器模块将阶跃式I作为X轴，双积分采集电路所采集响应作为Y轴，拟合出其关系曲线，并在所拟合的曲线上找出线性程度最优处，以该最优处所在的坐标 (I、U)计算出极化电阻为RP＝U/I，由极化电阻RP可求出腐蚀电流密度Icorr＝25/Rp，由腐蚀电流Icorr可得出土壤年腐蚀速率V＝8.56*10-3 Icorr,进一步得出土壤年腐蚀深度为d＝9.65*10-3Icorr；
步骤四、处理结果显示及传输：所述微处理器模块控制部分将所计算出的土壤腐蚀速率通过GPRS模块传输至上位机完成显示，数据记录、报警灯功能。
其中所述研究电极由电极测试头、L型PVC管、两根信号线组成，其中电极测试头由Q235碳钢和环氧树脂组成；辅助电极由电极测试头、L型PVC管和信号线组成，其中电极测试头由203不锈钢和环氧树脂组成；参比电极由饱和硫酸铜溶液、塑料管和信号线组成；三电极分别通过L型PVC管，玻璃胶进行封装，并固定在双层支架上，各电极分别与铜导线通过焊接连接，三电极间距固定不变，以品字形结构排列组成，研究电极和辅助电极表面经抛光打磨。
本发明主要针对接地网腐蚀状态进行长期、便捷、高效准确的监测，根据电化学腐蚀原理和现有的监测技术，提供了一种便携式基于电化学腐蚀监测原理的传感器结构及监测方法。该监测系统的优势在于传感结构部分通过相似性材料，很好的模拟了接地网在地下的腐蚀过程，并且实现了传感器的小型化和分布式监测；在电化学的激励部分，采用了先进阶跃型微安级别的恒流电源，电流输出大小可通过程序自动控制在0-100uA之间变化，适应各种测试场合；为避免现场电场和大地噪声的干扰，采用了独特的双积分电压检测方法，有效的去除各种噪音干扰，大大提高了检测的效率和准确性；所有检测数据和 传感器运行状态均可通过上位机调节，实现远程自动化实时监测。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明接地网腐蚀状态监测装置和方法采用了模块化的电路结构设计，结构简单；通过对三电极极化反应研究实现了对土壤腐蚀速率的检测，设计理念新颖独特。
2、本发明采用ICL7135双积分形式AD采集参比电极与研究电极之间的响应，这种采集方式价格实惠、抗干扰能力强且具有14位的采样精度，以积分形式进行计算响应电压，不仅减小了电路元件的复杂程度，而且芯片本身BCD码形式输出所采集数据便于微处理进行采集；响应采集范围可依据据现场情况进行调节，从而进一步降低了检测成本。
3、本发明采用同一个芯片REF200标准用100uA镜像电流源和 OPA602精密运算放大器配合使用，通过继电器模块控制电阻完成电流0-100uA阶跃式输出，电流输出精度较高。
4、本发明采用低功耗的单片机STC89C54RD+进行数据处理，不仅能够节能环保，数据处理速度快，实时性能好；通过平均值滤波算法对响应信号进行采集，减小了检测误差，有效提高了检测精度。
5、本发明的功能完备，不仅能够对土壤腐蚀速率现场实时显示，还能够将该腐蚀速率通过GPRS模块传输至远程监控系统对采集数 据进一步的分析处理。
6、本发明不仅抗外界干扰能力强，使用寿命长，而且能够精确地检测土壤的腐蚀速率。
7、本发明的可扩展性能好，实现成本低，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，安装使用方便，抗外界干扰能力强，检测精度高，工作可靠性高，使用寿命长，可扩展性能好，实现成本低，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
附图说明
图1是三电极传感器结构图。
图2是恒流源电路原理图。
图3是双积分电压检测原理图。
图4是上位机数据显示示意图。
图5是电源管理模块原理图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明所述的接地网腐蚀状态监测装置，包括用于对极化反应三电极结构中辅助电极(2)与研究电极(1)之间施加极化激励信号的 0-100uA阶跃电流信号模块和采集参比电极(3)和研究电极(1)之间激励响应的双积分电压数据采集模块，以及为装置各模块供电的电源管 理模块和对0-100uA阶跃电流信号控制、双积分数据采样信号进行分析所得到的土壤腐蚀速率的微处理器模块。
如图1所示，所述研究电极(1)由电极测试头(1-1)、L型PVC 管(1-2)、两根信号线(1-3)和(1-4)组成，其中电极测试头(1-1) 由Q235碳钢(1-1-2)和环氧树脂(1-1-1)组成；辅助电极(2)由电极测试头(2-1)、L型PVC管(2-2)和信号线(2-3)组成，其中电极测试头(2-1)由203不锈钢(2-1-2)和环氧树脂(2-1-2)组成；参比电极(3)由饱和硫酸铜溶液(3-1)、塑料管(3-2)和信号线(3-3) 组成。
三电极分别通过L型PVC管，用玻璃胶进行封装，并固定在双层支架(4)上，防止漏电发生。各电极分别与铜导线通过焊接连接，三电极间距固定不变，以品字形结构排列组成，研究电极(1)和辅助电极(2) 表面经抛光打磨。
三电极结构埋置地下0.6-0.8米处，靠近被测接地网，与三个电极连接的导线要在地面以上接入信号源和检测电路。
在所述研究电极(1)和辅助电极(2)之间施加0-100uA阶跃型电流信号，测取研究电极(1)和参比电极(3)之间对应的响应，并 通过极化理论的计算得出该区域土壤的年腐蚀速率。所述研究电极 (1)的引线(1-3)和参比电极(3)的引线(3-3)接入双积分型AD 采集电路中，所述研究电极(1)的引线(1-4)和辅助电极引线(2-3)接入0-100uA阶跃型电流源电路。
如图2所示，所述REF200标准用100uA电流镜像源引脚1和引脚2均与-12V电源输出端相接，所述REF200标准用100uA电流镜 像源引脚8、引脚7分别通过端子P9、P10与所述精密运算放大器 OPA602的引脚2相接。
本实施例中，REF200芯片输出100uA标准电流信号，该信号接入 至OPA602精密运算放大器引脚2，通过变化OPA602引脚2和引脚6之 间接入电阻R的大小可以完成任意比列电流大小的输出，REF200电流输出引脚2和电源地分别与辅助电极(3)和研究电极(1)相接。
所述精密运算放大器OPA602引脚3与引脚6之间接有电阻R85，所述精密运算放大器OPA602引脚2和引脚6之间接有所述阶跃式电 阻配比继电器模块和C43，阶跃式电阻配比继电器控制模块的各控制端子分别与所述单片机STC89C54RD+的引脚40、41、42、43、44、 1、2、3、5、7、8、9、10、11相接。
如图5所示，所述电源管理模块由依次相接的13V直流电源、用于将蓄电池输出的12V电压转换为5V的电源电路、-5V电源电路、 12V电源电路、-12V电源电路构成。
如图3所示，本实施例中，ICL7135双积分形式AD采集电路引脚10和引脚9分别与参比电极2和研究电极1相接，所述ICL7135 引脚1与所述电源模块-5V相接。
所述双积分电压数据模块ICL7135引脚1和引脚11分别与所述-5V电源输出端、所述5V电源输出端相接，所述双积分电压数据模块ICL7135的引脚9和引脚10分别与极化三电极结构中的参比电极和研究电极相连接。
所述双积分电压数据模块ICL7135的引脚13、14、15、16、17、18、 19、20、23、25、26分别与所述单片机STC89C54RD+的引脚18、19、 20、21、25、24、23、22、30、31、8相接。
如图4所示，本实施例中，所述微处理模块由单片机 STC89C54RD+、晶振电路、复位电路和下载通信电路组成，所述单片机STC89C54RD+的38引脚和29引脚均与所述5V电源电路的输 出端5V相连接，所述单片机STC89C54RD+的引脚16直接与电源地连接。
所述晶振电路由晶振Y1、非极性电容C2和C3构成，所述晶振 Y1的一端与单片机STC89C54RD+的引脚14和非极性电容C2的一端相接，所述晶振Y1的另外一端与单片机STC89C54RD+的引脚15 和非极性电容C3的一端相接，所述非极性电容C2和非极性电容C3的另外一端均接地。
所述复位电路由按键S1、非极性电容C1以及电阻R9构成，所述按键S1的一端与所述单片机STC89C54RD+的引脚4、电阻R9的一 端和非极性电容C1的一端相接，所述电阻R9的另一端与所述电源地相接，所述按键S1的另一端、非极性电容C1的另一端均与所述 5V电源电路的输出端相接。
本发明还提供了一种数据处理速度快、实时性能好、检测精度高、可扩展性能好的接地网腐蚀状态监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、响应信号实时采集及传输：ICL7135双积分电压数据采集模块用于采集参比电极与研究电极之间的电位差V，并在0-100uA 电流激励未加入研究电极与辅助电极之间的时候，记录参比电极与研 究电极之间的自腐蚀电位V0；
步骤二、0-100uA阶跃电流激励信号施加：每隔30s由微处理器 模块控制继电器模块使得输出电流阶跃式由小到大变为I1＝20uA、 I2＝24uA、I3＝30uA、I4＝36uA、I5＝39uA、I6＝47uA、I7＝51uA、I8＝56uA、 I9＝62uA、I10＝68uA、I11＝75uA，并通过ICL7135双积分电压采集模块 记录其相应的响应V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、 V1；
步骤三、信号分析处理：首先，所述微处理器模块将阶跃式I作为X轴，双积分采集电路所采集响应作为Y轴，拟合出其关系曲线，并在所拟合的曲线上找出线性程度最优处，以该最优处所在的坐标 (I、U)计算出极化电阻为RP＝U/I，由极化电阻RP可求出腐蚀电流密度Icorr＝25/Rp，由腐蚀电流Icorr可得出土壤年腐蚀速率V＝8.56*10-3 Icorr,进一步得出土壤年腐蚀深度为d＝9.65*10-3Icorr；
步骤三、处理结果显示及传输：所述微处理器模块控制部分将所计算出的土壤腐蚀速率通过GPRS模块传输至上位机完成显示，数据记录、报警灯功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种便携式接地网腐蚀状态监测系统，其特征在于：包括用于对极化反应三电极结构中研究电极(1)与辅助电极(2)之间施加极化激励信号的0-100uA阶跃电流信号模块，采集参比电极(3)和研究电极(1)之间激励响应的双积分电压数据采集模块，为装置各模块供电的电源管理模块，以及对0-100uA阶跃电流信号进行控制、对双积分电压数据采集信号进行分析以得到土壤腐蚀速率的微处理器模块；
所述0-100uA阶跃电流信号模块由REF200标准用100uA电流镜像源、精密运算放大器OPA602、阶跃式电阻配比继电器控制模块构成，所述电流镜像源用于产生100uA的基准电流源，所述精密运算放大器OPA602用于对所述电流镜像源产生的100uA电流信号进行放大或者缩小，所述阶跃式电阻配比继电器控制模块用于控制OPA602运算放大器的放大或缩小倍数；
所述双积分电压数据采集模块用于测量参比电极(3)与研究电极(1)的自腐蚀电位以及在研究电极(1)和辅助电极(2)之间施加激励后采集参比电极(3)与研究电极(1)之间的响应信号；
所述电源管理模块由依次相接的13V直流电源、用于将蓄电池输出的12V电压转换为5V的电源电路、-5V电源电路、12V电源电路、-12V电源电路构成；
所述0-100uA阶跃电流信号模块的REF200芯片、OPA602芯片均 与所述12V和-12V电源电路连接，所述阶跃式电阻配比继电器控制模块、微处理器模块均与5V电源电路连接，所述双积分电压数据采集模块与5V和-5V电源电路相连接；
所述微处理器模块由单片机STC89C54RD+、晶振电路、复位电路和下载通信电路组成，所述微处理器模块用于控制0-100uA阶跃电流信号的大小和采集双积分电压数据采集模块的数据，并以此数据来分析计算出土壤的腐蚀速率后传送至上位机显示监测站；
其中，所述研究电极(1)由电极测试头(1-1)、L型PVC管(1-2)、两根信号线(1-3，1-4)组成，其中电极测试头(1-1)由Q235碳钢 (1-1-2)和环氧树脂(1-1-1)组成；辅助电极(2)由电极测试头(2-1)、L型PVC管(2-2)和信号线(2-3)组成，其中电极测试头(2-1)由203不锈钢(2-1-2)和环氧树脂(2-1-2)组成；参比电极(3)由饱和硫酸铜溶液(3-1)、塑料管(3-2)和信号线(3-3)组成；研究电极(1)和辅助电极(2)分别通过L型PVC管、玻璃胶进行封装，并固定在双层支架(4)上，各电极分别与铜导线通过焊接连接，三电极间距固定不变，以品字形结构排列组成，研究电极(1)和辅助电极(2)表面经抛光打磨。
2.如权利要求1所述的便携式接地网腐蚀状态监测系统，其特征在于：所述微处理器模块的输入端与双积分电压数据采集模块的输出电压信号连接，所述微处理器模块的输入端还接有用于控制0-100uA阶跃电流信号输出大小的模块。
3.如权利要求1所述的便携式接地网腐蚀状态监测系统，其特征在于：研究电极(1)和参比电极(3)之间接入双积分电压数据采集模块，实时检测两电极之间电位差，即自腐蚀电位；研究电极(1)和辅助电极(2)之间接入0-100uA阶跃电流信号模块，使电极发生极化反应；在加入阶跃微安培恒流激励后，通过双积分电压数据采集模块，检测研究电极(1)和参比电极(3)之间激励下的极化电位；通过GPRS通信将检测结果，包括自腐蚀电位，恒流源大小，极化电位，发送至上位机，通过由C#编写的程序，基于拟合算法得出腐蚀速率大小。
4.如权利要求1所述的便携式接地网腐蚀状态监测系统，其特征在于所述监测系统的监测方法包括以下步骤：
步骤一、响应信号实时采集及传输：双积分电压数据采集模块用于采集参比电极(3)与研究电极(1)之间的电位差V，并在0-100uA电流激励未加入研究电极(1)与辅助电极(2)之间的时候，记录参比电极(3)与研究电极(1)之间的自腐蚀电位V0；
步骤二、0-100uA阶跃电流信号施加：每隔30s由微处理器模块控制阶跃式电阻配比继电器控制模块，使得输出电流阶跃式由小到大变为I1＝20uA、I2＝24uA、I3＝30uA、I4＝36uA、I5＝39uA、I6＝47uA、I7＝51uA、I8＝56uA、I9＝62uA、I10＝68uA、I11＝75uA，并通过双积分电压数据采集模块记录其相应的响应V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11；
步骤三、信号分析处理：首先，所述微处理器模块将阶跃电流I作为X轴，双积分电压数据采集模块所采集响应作为Y轴，拟合出其关系曲线，并在所拟合的曲线上找出线性程度最优处，以该最优处所在的坐标(I、U)计算出极化电阻为RP＝U/I，由极化电阻RP可求出腐蚀电流密度Icorr＝25/Rp，由腐蚀电流Icorr可得出土壤年腐蚀速率V＝8.56*10-3Icorr，进一步得出土壤年腐蚀深度为d＝9.65*10-3Icorr；
步骤四、处理结果显示及传输：微处理器模块控制部分将计算出的土壤腐蚀速率通过GPRS模块传输至上位机，完成显示、数据记录、报警灯功能。
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