Устройство для измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения в зоне действия блуждающих токов

Заявленное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения поляризационного потенциала таких конструкций, как подземные стальные трубопроводы в зонах действия блуждающих токов, исходя из которого осуществляется их защита от коррозии. Технической задачей от реализации изобретения является уменьшение погрешности при измерении поляризационного потенциала в зонах действия блуждающих токов, при одновременном обеспечении удобства и простоты работы в полевых условиях. Устройство для измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения в зоне действия блуждающих токов содержит измерительный прибор, связанный с двумя электродами сравнения и через контрольно-измерительный пункт с металлическим подземным сооружением. При этом измерительный прибор снабжен системой сбора данных, позволяющей использовать блуждающий ток в качестве источника тока, и подключенными к ней автономным источником питания, разъемом и блоками управления, индикации, памяти, причем первый вход измерительного прибора соединен с контрольно-измерительным пунктом, а его второй и третий входы - соответственно с первым и вторым электродами сравнения. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения поляризационного потенциала в зонах действия блуждающих токов, необходимого для контроля защиты материала токопроводящего сооружения от коррозии, вызванной блуждающими токами, например подземных стальных трубопроводов.

Подземные металлические трубопроводы для защиты от коррозии поляризуются постоянным током. При этом потенциал трубопровода смещается в отрицательную сторону (см. ГОСТ 9.015-74 п.3.3.2). В зонах действия блуждающих токов (например, электрифицированные железные дороги на постоянном токе) ток с рельсов стекает в грунт, натекает на подземный трубопровод и через некоторое расстояние, которое определяется взаимным расположением железной дороги и подземного трубопровода, он стекает с трубопровода и натекает на рельсы (возвращается к своему источнику). Этот ток пульсирующий, однополярный, с частотой 8-15 Гц. В таких зонах потенциал трубопровода также меняется, что составляет главную сложность его измерения.

Известны устройства для измерения электрических параметров металлических подземных сооружений, например, устройство для измерения разности потенциалов "сооружение - земля" в зонах блуждающих токов" (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №344748), содержащее электроды сравнения, вольтметр, аттенюатор, дифференцирующие усилители, дискриминаторы напряжения, устройства памяти и индикации. Изменение значения потенциала (омической составляющей), обусловленное действием блуждающего тока, происходит очень быстро (с частотой ≈10 Гц). Данное устройство, имея низкое быстродействие, не позволяет обеспечить быстрый подсчет, выполнение необходимых арифметических действий и установление вручную корректирующего коэффициента пропорциональности аттенюатора.

Известное устройство для измерения потенциала "металл - земля" катодно-защищенных металлических конструкций (см. описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1647466) содержит электрод сравнения, регистрирующий прибор, дифференциальный усилитель, компаратор, блоки индикации, памяти, управления. Основным недостатком этого устройства является то, что оно не исключает основную, наиболее значительную погрешность измерения, а именно, омическую составляющую потенциала подземного сооружения. Эта погрешность может достигать 100% и более.

Наиболее близким аналогом заявляемому устройству по функциональному назначению, выбранным в качестве прототипа, является устройство, реализующее способ измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения (см. описание изобретения к патенту РФ №2209439). Устройство содержит электроды сравнения, измерительные приборы (вольтметр, милливольтметр), переносной источник постоянного тока, через переменный резистор подключенный к контрольно-измерительному пункту, связанному с подземным трубопроводом. Необходимость в переносном источнике постоянного тока усложняет работу устройства в полевых условиях Кроме того, это устройство нельзя использовать для измерения поляризационного потенциала в зоне действия блуждающих токов, так как сигнал в этих зонах изменяется с частотой ≈10 Гц и стрелочные (аналоговые) приборы не успевают отслеживать эти изменения, т.е. за такой промежуток времени этими приборами невозможно измерить изменяющийся сигнал.

Таким образом, на сегодняшний день измерение поляризационного потенциала трубопроводов в зоне действия блуждающих токов является одной из наиболее важных и сложных проблем. Существующие методы и приборы не дают положительных результатов при измерениях в зонах действия блуждающих токов.

Технической задачей заявляемого устройства является уменьшение погрешности при измерении поляризационного потенциала в зонах действия блуждающих токов, при одновременном обеспечении удобства и простоты работы в полевых условиях.

Поставленная задача достигается благодаря тому, что устройство для измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения, например трубопровода, в зоне действия блуждающих токов содержит измерительный прибор, подключенный к двум электродам сравнения и через контрольно-измерительный пункт к трубопроводу. Измерительный прибор снабжен системой сбора данных и связанными с ней автономным источником питания, разъемом для подключения к компьютеру, блоками управления, индикации, памяти. Первый вход измерительного прибора соединен с контрольно-измерительным пунктом, а его второй и третий входы - соответственно с первым и вторым электродами сравнения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается выполнением измерительного прибора, который снабжен системой сбора данных и связанными с ней автономным источником питания, разъемом для подключения к компьютеру, блоками управления, индикации, памяти. Первый вход измерительного прибора соединен с контрольно-измерительным пунктом, а его второй и третий входы - соответственно с первым и вторым электродами сравнения. В устройстве отсутствует переносной источник тока, а значения потенциала сооружения U и градиента потенциала ΔU измеряются в разные промежутки времени t₀ и t₁ при воздействии блуждающего тока.

Результат измерения в заявляемом устройстве рассчитывается по формуле:

где U_п - поляризационный потенциал металлического подземного сооружения в точке измерения;

U₀ - значение потенциала металлического подземного сооружения в момент времени t₀;

ΔU₀ - значение градиента потенциала в грунте в момент времени t₀;

U₁ - значение потенциала металлического подземного сооружения в момент времени t₁;

ΔU₁ - значение градиента потенциала в грунте в момент времени t₁.

В предлагаемом устройстве блуждающий ток используется вместо переносного источника тока, который в упомянутых выше аналогах является мешающим фактором, при этом измерения и расчет значений потенциала по указанной выше формуле позволяют свести к минимуму основную погрешность измерения (омическую составляющую потенциала).

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого технического решения благодаря наличию новых признаков обеспечивает получение технического результата за счет уменьшения погрешности при измерении поляризационного потенциала в зонах действия блуждающих токов, при одновременном обеспечении удобства и простоты работы устройства в полевых условиях.

Указанные существенные признаки, в совокупности характеризующие сущность заявляемого технического решения, не известны в настоящее время для устройств измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения в зонах действия блуждающих токов. Аналог, характеризующийся идентичностью всем существенным признакам заявляемого изобретения, в ходе исследований не обнаружен, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "Новизна".

Подобное техническое решение для специалиста явным образом не следует из уровня техники, из чего следует сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "Изобретательский уровень".

В связи с тем, что заявляемое устройство (макетный образец) прошло испытания в полевых условиях и было подтверждено достижение заявляемого технического результата, предлагаемое изобретение соответствует критерию "Промышленно применимо".

На чертеже изображена блок-схема устройства для измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения в зонах действия блуждающих токов.

Устройство содержит измерительный прибор 1, второй (ВХ2) и третий (ВХ3) входы которого при помощи соединительных проводников 2 и 3 подключены к электродам сравнения соответственно 4 и 5, а первый вход (ВХ1) связан соединительным проводником 6 через контрольно-измерительный пункт 7 с металлическим подземным сооружением (далее в тексте "трубопровод") 8. Измерительный прибор 1 включает систему сбора данных 9 и связанные с ней блоки управления (например, пленочная клавиатура) 10, индикации (например, жидкокристаллический индикатор) 11, памяти 12; автономный источник питания 13 и разъем 14 для подключения к компьютеру (компьютер на схеме не указан).

Работает устройство следующим образом.

Измерительный прибор 1 подключается: с помощью соединительных проводников 2 и 3 к электродам сравнения (например медно-сульфатным) соответственно 4 и 5, установленным в грунте вблизи трубопровода 8, а с помощью соединительного проводника 6 - к контрольно-измерительному пункту 7. С помощью блока управления 10 оператор выбирает необходимый режим работы - однократного или многократного измерения, контролируя это задание на блоке индикации 11. В случае выбора режима многократного измерения получаемая информация поступает в блок памяти 12, откуда при необходимости извлекается через разъем 14 и может быть перенесена в компьютер для обработки. Все устройство питается от автономного источника питания 13.

Сигналы U₀ и ΔU₀ измеряются в любой начальный момент времени t₀ с помощью двух измерительных каналов (между соединительными проводниками 6 и 2 для измерения U и между соединительными проводниками 2 и 3 для измерения ΔU). Эти сигналы через входы ВХ1, ВХ2, ВХ3 измерительного прибора 1 поступают в систему сбора данных 9 (на чертеже комплектность системы сбора данных 9 не раскрыта), которая обеспечивает необходимое входное сопротивление не менее 10 МОм (см. ГОСТ 25812-83 п.4.2.1), преобразование аналоговых входных сигналов в цифровые коды, осуществляет расчет результатов измерения по вышеприведенной формуле и выполняет функцию цифрового порогового устройства. Результаты измерения и расчета из системы сбора данных 9 поступают на блок индикации 11. Изменение режимов работы устройства осуществляется с помощью блока управления 10. В блоке памяти (энергонезависимая память) 12 накапливаются результаты вычислений, которые в дальнейшем выводятся для просмотра на блок индикации 11 или могут быть выведены в компьютер через разъем 14.

Работа устройства осуществляется в следующей последовательности.

Две физические величины U и ΔU измеряются одновременно и дважды в разные промежутки времени t₀ и t₁. Первое измерение U₀ и ΔU₀ выполняется в любой момент времени t₀. Следующие измерения U₁ и ΔU₁ выполняются в момент времени t₁, который определяется системой сбора данных 9. Для обеспечения необходимых условий, которые влияют на точность измерения, система сбора данных 9 запускает оба измерительных канала одновременно в моменты времени t₀ и t₁. Порог срабатывания устройства для времени t₁ составляет не менее ±10-15% от значения U₀, измеренного в момент времени t₀. В качестве результата измерения на блок индикации 11 выводится значение, рассчитанное по вышеприведенной формуле.

Например, U₀=1,4 В; ΔU₀=0,015 В;

U₁=1,9 B; ΔU₁=0,04 В.

В данном примере все значения взяты по абсолютной величине.

Таким образом, предлагаемое устройство благодаря наличию новых признаков обеспечивает ряд существенных преимуществ по сравнению с прототипом, а именно: повышает точность измерения поляризационного потенциала в зонах действия блуждающих токов за счет быстродействия устройства, при одновременном обеспечении удобства и простоты работы в полевых условиях. В устройстве отпала необходимость в использовании специального переносного источника тока, так как его функции выполняет блуждающий ток.

Устройство для измерения поляризационного потенциала металлического подземного сооружения в зоне действия блуждающих токов, содержащее измерительный прибор, связанный с двумя электродами сравнения и через контрольно-измерительный пункт - с металлическим подземным сооружением, отличающееся тем, что измерительный прибор снабжен системой сбора данных, позволяющей использовать блуждающий ток в качестве источника тока, и подключенными к ней автономным источником питания, разъемом и блоками управления, индикации, памяти, причем первый вход измерительного прибора соединен с контрольно-измерительным пунктом, а его второй и третий входы соответственно с первым и вторым электродами сравнения.