專利名稱：一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種犧牲陽極陰極保護裝置，尤其是涉及一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有埋地或水下敷設(shè)的管道(或鋼構(gòu)筑物)，大多設(shè)置了陰極保護系統(tǒng)，其中犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)因不需要外部電源、安裝簡單而得到廣泛應(yīng)用的陰極保護系統(tǒng)之一。但陽極安裝初期電流輸出最大，隨時間而減少，而實際上為克服涂層老化則需要補加電流。另一方面，因環(huán)境電解質(zhì)變化導(dǎo)致電流輸出大時，陽極更換頻繁，造成安裝和更換的高費用。 目前該系統(tǒng)一般均設(shè)置有一定數(shù)量的調(diào)試樁和電位樁，采用人工方式檢測電位樁的保護電流和保護電位并調(diào)整調(diào)試樁的陽極接入數(shù)量，來實現(xiàn)系統(tǒng)的維護和管理。可見，測量點多、 工作量大，不僅降低了工作效率，準(zhǔn)確度也受到很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種保護效果好、節(jié)約費用、電路簡單、性能可靠的智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，其特征在于，該裝置包括單片機、信號處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、IGBT功率單元、電池管理單元、鍵盤單元、IXD顯示單元、犧牲陽極塊、埋地管道、參比電極，通過鍵盤單元設(shè)定單片機的最小保護電位值，所述的單片機每4 秒由脈沖信號喚醒并控制信號處理單元采集埋地管道、參比電極之間的電位，并對其進行濾波后儲存到單片機的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過N次采集后，單片機對采集的N個數(shù)據(jù)進行平均處理，并計算實際電位的平均值與已設(shè)定最小保護電位值的誤差值，對該誤差值進行PID 計算輸出增量值，該輸出增量值控制PWM的沖量值，該沖量值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后的模擬電壓輸出至IGBT功率單元，控制IGBT功率單元來調(diào)節(jié)埋地管道、參比電極之間的電位，使其達到設(shè)定的最小保護電位。所述的單片機為Microchip公司的PIC16F873A。所述的N為15。所述的信號處理單元為Microchip公司的MCP6044四運算放大器。所述的最小保護電位值為-0. 85V。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1、實現(xiàn)被保護體的最小保護電位的長期穩(wěn)定，提高陰極保護系統(tǒng)的保護效果，降低陰極保護系統(tǒng)的管理和運行費用。2、數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計電路簡單、性能可靠。由高性能單片機(CPU)、信號處理單元、 D/A轉(zhuǎn)換電路、IGBT功率模塊、電池管理單元和LCD顯示單元組成。配以三操作按鈕，充分考慮了現(xiàn)場使用條件，適宜現(xiàn)場要求，便于安裝和管理，軟件設(shè)計在保證穩(wěn)定性、可靠性的前提下，滿足了用戶操作簡便性和易用性。。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的現(xiàn)場外部電極的連接示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。實施例1如圖1所示，一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，該裝置包括單片機、信號處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、IGBT功率單元、電池管理單元、鍵盤單元、IXD顯示單元、犧牲陽極、 埋地管道、參比電極，單片機分別與信號處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、電池管理單元、IXD顯示單元、鍵盤單元連接，IGBT功率單元分別與D/A轉(zhuǎn)換單元、犧牲陽極、埋地管道連接，信號處理單元與參比電極連接。單片機為PIC16F873A，是基于8位的高性能14位RISC指令系統(tǒng)、 哈佛總線和兩級指令流結(jié)構(gòu)單片機。PIC16F873A高性能單片機包括20個輸入/輸出可編程端口、3個定時器、5通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、2路PWM脈沖輸出、13個中斷源、I2C和SPI 串口總線端口，通用同異步收發(fā)器USART、看門狗等。信號處理單元為MCP6044四運算放大器。IGBT即為絕緣柵雙極型晶體管，由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管) 組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件。如圖2所示，該裝置可用于犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)。裝置可測量參比電極和埋地金屬結(jié)構(gòu)之間的保護電位并自動調(diào)節(jié)犧牲陽極塊和埋地金屬結(jié)構(gòu)之間的電流。其紅色連接端子與參比電極相聯(lián)接，黑色連接端子與埋地金屬管道相聯(lián)接，白色連接端子與犧牲陽極塊相聯(lián)接。高性能單片機(CPU)用于A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字PID計算并輸出調(diào)節(jié)量控制PWM的沖量值。采用的PIC16F873A是Microchip公司推出的基于8位的高性能14位RISC指令系統(tǒng)、哈佛總線和兩級指令流結(jié)構(gòu)單片機。該器件具有20個輸入/輸出可編程端口，端口電流高達25mA。內(nèi)部包含3個定時器、5通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、2路PWM脈沖輸出、13個中斷源、I2C和SPI串口總線端口，通用同異步收發(fā)器USART、看門狗等。資源比較豐富，能滿足緊湊、穩(wěn)定的設(shè)計要求。A/D轉(zhuǎn)換器通道O(RAO)接信號處理單元的實際保護電位，A/D轉(zhuǎn)換器通道2(RA2)接信號處理單元電池電壓信號。定時器1(RC0、RC1)接32. 768KHz時鐘晶振， 經(jīng)定時器1的16位分頻得到間隔4秒的脈沖以喚醒CPU。當(dāng)CPU處于睡眠狀態(tài)時(87. 5% 的工作時段)，電流小于50 μ A以下。信號處理單元用于采集被保護體的實際電位。采用Microchip公司的MCP6044 四運算放大器，具有增益穩(wěn)定、軌對軌輸入/輸出功能，是使用電池供電的低電流、低電壓應(yīng)用的最佳選擇。工電壓范圍從5. 5伏低至1. 4伏，14kHz的增益穩(wěn)定的增益帶寬產(chǎn)品 (GBffP)，1微安的最大靜態(tài)電流使電路同時保持較低的功耗。器件的工作溫度從零下40攝氏度到85攝氏度，典型靜態(tài)電流為600納安，從而延長電池壽命。由MCP6044構(gòu)建的二階低通濾波器，有效消除高頻噪聲和雜散電流進入測量單元。以確保數(shù)據(jù)在整個測量范圍內(nèi)都是有效和準(zhǔn)確的。
D/A轉(zhuǎn)換單元將PWM的沖量值轉(zhuǎn)化為模擬電壓，控制IGBT功率模塊IGBT功率模塊用于調(diào)整犧牲陽極與被保護體間的電流，使被保護體的電位達到設(shè)定的最小保護電位。IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管， 是由BJT (雙極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。本裝置可達到的技術(shù)指標(biāo)1)允許埋地工作。2)環(huán)境溫度_25°C +55 °C。3)電位采樣和設(shè)定范圍0 -3. 000V。4)電位控制精度士 10mV。5)可測控電位路數(shù)各1路。6)具有電流過流、過壓保護。7)長壽命一次性電池，設(shè)計使用時間為5年。
8)參比電極壽命大于10年。9)機殼防護等級IP66。實施例2單片機(CPU)上電啟動并初始化后進入睡眠狀態(tài)。1、有任一按鍵時，自動點亮IXD顯示單元顯示當(dāng)前實際的保護電位。在此狀態(tài)下可設(shè)置最小保護電位值。一般為-0. 85V(相對于飽和⑶/⑶S04)。2、等待4秒由秒脈沖信號喚醒，CPU的RB5端口給信號處理單元供電后啟動A/D轉(zhuǎn)換器通道0 (RAO)轉(zhuǎn)換實際電位信號為16位數(shù)字信號存入CPU數(shù)據(jù)寄存器。CPU的RB5端口斷電，進入睡眠狀態(tài)。3、重復(fù)2~)步驟15次(1分鐘)后，15次數(shù)據(jù)做中值平均處理，計算實際電位與已設(shè)定的最小保護電位的誤差值e，該誤差值經(jīng)比例放大、積分、微分(數(shù)字PID算法)等計算，輸出增量值 u (i+1)為:u (i+1) = u (i) +kp* (e (i) -e (i_l)) +KI*e (i) +KD* (e (i) _2e (i_l )+e(i_l))，其中kp，KI和KD均為常數(shù)。該輸出增量值u (i+1)控制PWM的沖量值，由D/A轉(zhuǎn)換電路輸出調(diào)整電壓控制IGBT功率模塊的電流，最終使被保護體的電位達到設(shè)定的最小保護電位。進入睡眠狀態(tài)。4、重復(fù)2)步驟和3)步驟。
權(quán)利要求
1.一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，其特征在于，該裝置包括單片機、信號處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、IGBT功率單元、電池管理單元、鍵盤單元、IXD顯示單元、犧牲陽極塊、 埋地管道、參比電極，通過鍵盤單元設(shè)定單片機的最小保護電位值，所述的單片機每4秒由脈沖信號喚醒并控制信號處理單元采集埋地管道、參比電極之間的電位，并對其進行濾波后儲存到單片機的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過N次采集后，單片機對采集的N個數(shù)據(jù)進行平均處理，并計算實際電位的平均值與已設(shè)定最小保護電位值的誤差值，對該誤差值進行PID計算輸出增量值，該輸出增量值控制PWM的沖量值，該沖量值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后的模擬電壓輸出至IGBT功率單元，控制IGBT功率單元來調(diào)節(jié)埋地管道、參比電極之間的電位，使其達到設(shè)定的最小保護電位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，其特征在于，所述的單片機為Microchip公司的PIC16F873A。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，其特征在于，所述的N為15。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，其特征在于，所述的信號處理單元為Microchip公司的MCP6044四運算放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，其特征在于，所述的最小保護電位值為-0. 85V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能可調(diào)式犧牲陽極陰極保護裝置，該裝置包括單片機、信號處理單元、D/A轉(zhuǎn)換單元、IGBT功率單元、鍵盤單元、犧牲陽極塊、埋地管道、參比電極，通過鍵盤單元設(shè)定單片機的最小保護電位值，所述的單片機每4秒由脈沖信號喚醒并控制信號處理單元采集埋地管道、參比電極之間的電位，并對其進行濾波后儲存到單片機的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)過N次采集后，單片機對采集的N個數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理后輸出增量值，該輸出增量值控制PWM的沖量值，該沖量值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換后的模擬電壓輸出至IGBT功率單元，控制IGBT功率單元來調(diào)節(jié)埋地管道、參比電極之間的電位。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有實現(xiàn)被保護體的最小保護電位的長期穩(wěn)定等優(yōu)點。
文檔編號C23F13/06GK102234807SQ20101015348
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者王明衍 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)