石油管道雜散電流儀的設(shè)計(jì)

交流雜散電流與直流雜散電流是行業(yè)內(nèi)對(duì)雜散電流常規(guī)的劃分。通常情況下交流雜散電流對(duì)石油管道的電腐蝕相對(duì)較弱，直流雜散電流對(duì)石油管道的危害則較大，當(dāng)石油管道的絕緣層出現(xiàn)問題時(shí)，對(duì)地的絕緣性將大幅降低，通過電流的匯聚作用，雜散電流進(jìn)入石油管道，在破損點(diǎn)發(fā)生強(qiáng)烈的電腐蝕，短時(shí)間內(nèi)就可導(dǎo)致石油管道穿孔，石油泄漏不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，還伴隨著毀滅性的爆炸，釀成災(zāi)難。實(shí)踐證明，直流雜散電流與交流雜散電流相比，直流雜散電流的腐蝕效應(yīng)是后者的約50倍。而當(dāng)兩者同時(shí)對(duì)石油管道進(jìn)行電腐蝕時(shí)，其腐蝕效應(yīng)將更加劇烈。通過實(shí)驗(yàn)論證在量級(jí)為1 A的直流雜散電流腐蝕作用下一根石油鋼管，一年內(nèi)將導(dǎo)致大約10kg金屬的蝕失。因而對(duì)油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的危害嚴(yán)重，由于雜散電流腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)到數(shù)十億元。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外主要的雜散電流測(cè)試儀器有英國(guó)的RD-400PCM、FZY-3型礦用雜散電流測(cè)定儀、SJ33-ZKW280雜散電流測(cè)量儀、HC-069存儲(chǔ)式雜散電流測(cè)試儀、加拿大的Smart Logger等。國(guó)外的兩款RD-400PCM和Smart Logger儀器能夠長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)直流雜散電流測(cè)試數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，具有一定的直觀性。但有些功能過于多余、且價(jià)格昂貴，在測(cè)量程度方面不能很好地判斷出石油管道中的直流雜散電流和交流雜散電流成分，在實(shí)際測(cè)試中測(cè)試頻率也受到了量程的制約。人機(jī)互動(dòng)上，多數(shù)儀器不能實(shí)時(shí)地顯示波形，無(wú)法給技術(shù)人員一個(gè)直觀的數(shù)據(jù)，并且在后期的數(shù)據(jù)處理上也會(huì)帶來(lái)一定的問題。

通過以上分析，研究開發(fā)出一款價(jià)格較低、功能強(qiáng)大、能實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析處理，顯示出結(jié)果的雜散電流測(cè)試儀。

2 雜散電流儀測(cè)試原理

在雜散電流測(cè)試方面，由于石油管道埋于地下，地下土壤結(jié)構(gòu)不同、在化學(xué)性質(zhì)上存在差異、加之管道的破損程度和測(cè)量數(shù)據(jù)的不同。因而對(duì)于不同環(huán)境下測(cè)量數(shù)據(jù)的分析系數(shù)也需要進(jìn)行相應(yīng)的變化。

行業(yè)中對(duì)于雜散電流的測(cè)試一般使用地表參比法，在該方法中由于借用了石油管道自然電位，對(duì)不同環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)的分析系數(shù)也進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的測(cè)量，因而通過電位的分布數(shù)據(jù)可以間接判斷出石油管道涂層的質(zhì)量狀況。

3 雜散電流測(cè)量?jī)x系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相應(yīng)模塊

設(shè)計(jì)功能要求：電流測(cè)試儀顯示屏。采用1 280×720點(diǎn)陣式圖形觸摸液晶屏，顯示清晰，用于本設(shè)計(jì)波形變化的實(shí)時(shí)顯示;測(cè)量范圍大小。測(cè)量直流雜散電壓為±20 V，測(cè)量的交流雜散電壓0～20 V;電流測(cè)試儀續(xù)航能力。該雜散電流測(cè)量?jī)x在一般環(huán)境下可以連續(xù)工作一天以上;儀器測(cè)量精確度：雜散直流電壓(0.4%+1d)，雜散交流電壓(0.6%+3d);儀器測(cè)量采樣時(shí)速率;可以自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)相切換，上限頻率約為15 kHz;電流測(cè)試儀存儲(chǔ)器的容量：配有16 GB內(nèi)部存儲(chǔ)，可以拓展32 GB的外部存儲(chǔ)。

雜散電流儀測(cè)試的特點(diǎn)：(1)主要是測(cè)量陰極保護(hù)通斷電位、直流電位梯度以及直流干擾電位。(2)能推測(cè)出典型的雜散電流干擾源。(3)能根據(jù)干擾電壓幅值的趨勢(shì)，自主調(diào)整采樣的速率。(4)能檢測(cè)雜散電流的流動(dòng)區(qū)域。(5)突出特點(diǎn)是功耗低、存儲(chǔ)容量大，可不間斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，從而保證了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的充足性，便于數(shù)據(jù)的分析。(6)具有對(duì)檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，便于準(zhǔn)確快速地分析數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。

設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)主要由內(nèi)部的主控平板電腦與下位機(jī)單片機(jī)組成，搭配外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、相應(yīng)的波形圖像顯示液晶屏幕，以及電源匹配模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要有調(diào)整、濾波、波形幅值計(jì)算等功能。上位機(jī)發(fā)送指令，存儲(chǔ)模塊按照上位機(jī)指令采樣數(shù)據(jù)，并存入SD卡中。帶觸控功能的波形圖像顯示液晶，用于波形顯示和觸控指令操作。電源模塊主要為儀器提供穩(wěn)定可靠的電源電壓，保障儀器的正常工作。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

下位機(jī)選擇STM32F103C8T6，該芯片使用高性能的ARM Cortex—M3 32位的RISC內(nèi)核、工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器。內(nèi)嵌2個(gè)12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個(gè)ADC有多達(dá)16個(gè)外部通道，可以執(zhí)行單次或掃描轉(zhuǎn)換模式;在掃描模式下，轉(zhuǎn)換在一組選定的模擬輸入上自動(dòng)進(jìn)行。

儀器液晶顯示界面，采用易于編程開發(fā)的動(dòng)態(tài)圖形界面，以方便后期的維護(hù)工作。本設(shè)計(jì)中采用當(dāng)下流行的LabVIEW動(dòng)態(tài)界面開發(fā)軟件，具有快速實(shí)現(xiàn)2D、3D等完美交互界面，界面的層次多元素多，界面的標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)較高。程序的控制不再依賴于界面設(shè)計(jì)。顯示器僅通過串口通信方式與應(yīng)用程序控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換?？刂破鞯馁Y源也得到了充分的利用，從而大幅的縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度。

采樣保持、量化與編碼，是模擬變化量轉(zhuǎn)換為數(shù)字變化基本的3個(gè)步驟。上位機(jī)采用平板電腦，可以用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過抽樣定理對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。抽樣定理：在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)fs>2fmax時(shí)，采樣后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息。

當(dāng)外部設(shè)備的電壓發(fā)生較高或較低變化時(shí)，下位機(jī)微處理器的電壓與設(shè)備的電壓量程不匹配，通常造成數(shù)據(jù)的讀取失敗，嚴(yán)重時(shí)可能引起下位單片機(jī)的損壞，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。A/D轉(zhuǎn)換處理器STM32F103C8T6為3.3 V電源供電，而外部設(shè)備的端口為5 V電源供電，兩者的供電電平不匹配，針對(duì)這一問題采用AMS1117對(duì)下位機(jī)的供電進(jìn)行了有效控制，同時(shí)配有一個(gè)大容量的移動(dòng)電源以保障長(zhǎng)時(shí)間的工作供電需求。

設(shè)計(jì)采用的增益放大芯片為L(zhǎng)M358，該放大器為雙運(yùn)放放大器，具有高增益、內(nèi)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，兩個(gè)高增益運(yùn)算放大相互獨(dú)立。使用LM358芯片作為增益放大模塊，芯片能采集到微弱的信號(hào)，且性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、性價(jià)比高。

SD卡支持兩種總線方式：SD方式與SPI方式。SD方式采用6線制，而SPI方式采用4線制。SD方式的數(shù)據(jù)傳輸速度比SPI方式快，采用單片機(jī)對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫時(shí)一般都采用SPI模式。

在本設(shè)計(jì)中由于數(shù)據(jù)采樣的頻率最高不超過15 kHz，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)低于SD的SPI模式下的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過與上位機(jī)電腦系統(tǒng)的通信協(xié)議，SPI模式在此情況下不會(huì)對(duì)整個(gè)測(cè)試儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度造成不良影響。所以本設(shè)計(jì)選用的是SD卡的SPI模式，作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)開發(fā)的交直流雜散電流測(cè)量儀研制及應(yīng)用腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)是否達(dá)到測(cè)試要求，文中進(jìn)行了相應(yīng)的精度測(cè)試如圖2所示，最終測(cè)試誤差結(jié)果為0.67%。設(shè)計(jì)的雜散電流測(cè)量?jī)x，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。