基于GPS技术的地埋管道杂散电流检测设备

十ＧＰＳ技术的地埋管道杂散电流检测设备　叶星星，等　基于Ｇ　Ｐ　Ｓ技术的地埋管道杂散电流检测设备　叶星星，焦风川　（北京交通大学机械与电子控制工程学院　北京，１　０　０　０４　４）　摘　要：在电气化轨道交通沿线，有列车经过的时候，轨道电流必将存地埋管道上产生较大的杂散电流，从　而使地埋管道产生电化学腐蚀，对管道产生极大的破坏。冈此，为找出腐蚀点的具体位置，设计了本检测设备，包　括中断器及管道电伉检测仪。设备以高速微处理器为系统核心，应用ＧＰ　Ｓ技术，通过同步通断测量技术准确测量管　道电位，并选用液晶　及薄膜按键进行了良好的人机交互设计。　关键词：检测：ＡＴＭＥＧＡＢ４；ＮＸＰＬＰＣ２２９４；ＧＰＳ；ＩＥＬ７１３５；人机交互　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇｔｈｅｌｉｎｅｏｆｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｓｕｂｗａｙ，ｗｈｅｎｔｈｅｒｅ　ｃｏｍｉｎｇｔｈｅｔｒａｉｎ，ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙｗｏｕｌｄｐｒｏｄｕｃｅ　ｄｅｓｉｒａｂｌｅ　ｓｗａｙ　ｃｕｒｒｅｎｔｏｎｔｈｅｐｉｐｅｓ　ｃｏｖｅｒｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅ　ｅａｒｔｈ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｉ１　ｃａｕｓｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｔｈａｔｍａｙｍａｋｅｇｒｅａｔｈａｒｍｔｏｔｈｅ　ｐｉｐｅｓ．ＩＩｌｏｒｄｅｒｔｏｐｒｅｃｉｓｅｌｙｌｏｃａｔｅｔｈｅ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｉｔ，ｔｈｉｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｒａｎｄｐｉｐｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｄｅｔｅｃｔｏｒｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｗｅ　ａｄｏｐｔｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ａｓｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍｃｏｌｅ　ａｎｄｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｐｉｐｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｗｉｔｈｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ　ＧＰＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｄｅｓｉｇｎｏｆＨＭ１ｗｉｈＬＣＤ　ｔａｎｄｆｉｌｍｔｏｕｃｈ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｄｅｔｅｃｔ；ＡＴＭＥＧＡ６４；ＮＸＰＬＰＣ２２９４；ＧＰＳ；ＩＣＬ７１３５；ＨＭＩ　中图分类号：ＴＰ６０６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００１—９２２７（２０１　１）０卜０１　０４—０３　０　引言　城市轨道交通中，列车牵引电流从变电所输出经过　接触网、电动列车和轨道流　变电所。这样，路轨与路摹　破损越大，流过的电流越大，电位梯度也越大。　１．３最佳方案论证　近问隔电位法与直流电位梯度法测的都是管地整个　系统的电位信号，因此两种方法可以实用同‘个测试设　备。　等轨道下面之间的也必然会有电流通路返回变电所。这部　分电流就是由电动列车引起的杂散电流。　在路轨线路附近埋有地下金属管道，杂散电流就会　存采用近ｆｕ］隔电位法进行测试时，测出的电位包含　在金属管道上通过，这样就会在管道上产生电压差进而产　生电化学腐蚀。因此，杂散电流集中产生在电阻小、易放　电的局部位置，如防腐层脱落的缺陷部位、尖角边棱突出　的部位。这样会使金属管道发生点蚀穿孔，更有可能会使　管道腐蚀开裂…。据推算，１　Ａ直流杂散电流在一根钢管上　通过，…年内将导致大约１　０ｋｇ金属的腐蚀　。　轨道交通线路‘般都位于城市中心，而城市地区的　了管道和参比电极之间　ｌ　壤的电压降Ｉ　Ｒ。为了从测量值中　消除电压降，必须采用　ｌ盍ｌ期中断法。就是分别测量阴极保　护系统工作与　工作状态下的电位。　这样，完成整个测试就需要两部分设备：阴极保护电　流中断器和管地电位及电位梯度检测仪　。　２　总体设计　（１）　于高性能单儿机与大容量存储器件，实现对杂　散电流的长时间连续　测；（２）采用Ｇ　Ｐ　Ｓ技术控制中断器　通断，从而实现对阴极保护电流通断状态下管道电位的同　步测量；（３）采用液晶屏及薄膜按键进行人性化交互设计；　（４）设置ＵｓＢ及串口与ＰＣ进行数据通讯，便于ＰＣ机对数据　的实时分析。　３　中断器的设计　地埋金属管道又非常之多，这样杂散电流对其的影响是相　当严重的。　１　杂散电流检测方法　近间隔电位法就是连续地测量阴极保护电位来判断　１．１近间隔电位法　管道的阴极保护效果和管道防腐层的优劣。当管地电位相　对饱和硫酸铜参比电极的电位为一０．８５Ｖ～一１．２５Ｖ时，可以　认为管道处于阴极保护状态。当有杂散电流通过时，管道　电位就会发生变化，就可能有腐蚀发生。　１．２直流电位梯度法　直流电位梯度法就是采用高阻抗毫伏表测量地　上　电位梯度场内的两参比电极之间的电位差。冈为防腐层破　损点与土壤的电阻比防腐层完好处与土壤的电阻小，所以　收稿日期：２　０１　０—１　Ｏ－２　８　作者简介：叶星星（１　９　８　６一），男，在读硕士，主要研究方向为仪　器与测试技术、交通安全控制工程等　３．１电路组成　图１中断器结构框圈　１０４　《白动化与仪器仪表》２０１１年第ｌ期（总第１５３期）　阴极保护电流中断器以ＡＶＲ单片机ＡＴＭＥＧＡ６４为核心，　配以供电系统、ＧＰＳ模块、液晶显示屏、薄膜按键及同态继　电器，各部分都采用低功耗器件。电路结构框图如图１所　尔。　３．２工作原理　在液晶　的捉ｌ，Ｊ　下，通过薄膜按键的选择对中断器　进行设置：１）设置同态继电器的通断时问间隔；２）设置测　量的开始及结束时间（与管道电位检测仪同步）。　设置结束后，单片机先对Ｇ　Ｐ　Ｓ模块进行配置，再每秒　采集‘次ＧＰＳ模块发出的数据。将接收到的数据转换成标　准时间格式与设置好的时间进行比较，当与设胃的开始或　结束时间相等时则开启或关断阎态继电器的摔制。在对阎　态继电器的控制过程中，由设置好的通断时间对它进行控　制。　４　杂散电流检测仪的设计　４．１电路组成　根据设计要求，硬件部分的电路设计结构如图２所　示　一　。　图２杂散电流检测仪硬件结构图　４．２信号调理电路　信号调理电路包括：输入电压跟随、分压电阻、兀型　滤波电路、输出电压跟随四部分，并对两端信号　十公共　地，分别进行调理。按实际要求，被测管道电压不会超过　３Ｖ，电压范围为－３Ｖ～＋３Ｖ。｝ｆＵＡ／Ｄ转换芯片ＩＣＬ７１３５的测量　范围为一２Ｖ～＋２ｖ，所以采用电阻进行分压，将被测电压缩　小１．５倍进入ＩＣＬ７１３５的测量范围。同时为保证电压的稳定　进行了滤波及电压跟随处理。　输入端口中，ＣＯＭ－ＧＮＤ为接地端。　近间隔电位测量法：使用正端与Ｃ０Ｍ—ＧＮＤ进行测量，　与中断器的同态继电器控制通过Ｇ　Ｐ　Ｓ同步；　直流电位梯度测量法：使用正负两端进行测量。　两种测量方法均通过Ｇ　Ｐ　Ｓ记录相应的测量时问及其测　量点所存的位置。　４．３　ＧＰＳ模块　本设计采用的ＧＰＳ模块具有较高的性能，内置ＥＥＰＲＯＭ。　用户可以用标准串口对ＥＥＰＲＯＭ进行　置，设置ＧＰＳ串口收　发的波特率及自己所需数据的帧格式。ＬＰＣ２２９４采用串口　读写ＧＰＳ模块，通过ＧＰ１０口检测它的　作状况（天线短路　或开路），还包括硬件复位，对秒脉冲采用中断读取（用于　与中断器同步）。Ｇ　Ｐ　Ｓ模块对外引脚如图３所，Ｊ　。　图３　ＧＰＳ模块引脚图　４．４　ＩＣＬ７１　３５的主要特点及应用　ＬＰＣ２２９４内部有白带的１　Ｏ位Ａ／Ｄ转换器，转换速度可　达微秒级，精度为２毫伏。　实际应用中对精度要求较高，　对测量速度的要求却并不高，ｉｎ『ＩＣＬ７ｌ３５Ａ／Ｄ转换器正好满　足以上要求。ＩＣＬ　７　１　３　５主要特点：①采用双斜积分原理进　行Ａ／Ｄ转换，精度高，抗　１二扰性能好，转换速度为毫秒级，　＿日．价格低；②输入阻抗非常大，对被测电路几乎没有影　响；③自动校零；④有精确的差分输入电路；⑤自动判别　信号极性；⑥有超、欠电压输出信号；⑦采用何扫描与Ｂ　Ｃ　Ｄ　码输出。　Ｉ　Ｃ　Ｌ７　１　３　５有两种使用方法。在木设计中采用．　用软硬　件资源最少最简单的方法，具体电路结构图如图４所永。　砌　７Ｉ３５　图４　ＩＣＬ７１３５应用电路结构　在软件设计中，当捕获Ｂ　翠　Ｕ　Ｓ　Ｙ信号的上升沿时启动微　处理器内部定时器对ＢＵＳＹ的高电平时间进行计时，当ＢＵＳＹ　下降沿到来时，关闭计时器，并读取计时值。将计时值减　玄积分阶段１　０００　１个时钟得到的数值再乘以被缩小的１．５　倍，便是真实的被测电压。ＩＣＬ７１　３５内部ＩｌＩ：作原理如图５所　，ｌＪ　。　／　＼　善ｉ封瓣段　ｌＯＯＯｔ个　时钟　图５　ＩＣＬ７　１３５１１￣作原理示意图　在　作中，若被测电压超、欠量程时，Ｉ　Ｃ　Ｌ　７　１　３　５会在　ＯＶＥＲ、ＵＮＤＥＲ弓ｉ脚上产生高电平。　４．５人机交互设计　人机交互界面包括薄膜按键和Ｌ　Ｃ　Ｄ模块。薄膜按键根　据实际要求设计，如图７所示。　１０５　十ＧＰＳ技术的地埋管道杂散电流检测设备　７　８　９　确定　叶星星，　将数据发送到上位机，通过上位机分析软件进行实时处　理。每一个数据文件存储及发送格式如下：　①每・　‘帧为ｌ　１个字节组成；　②第　帧格式女口．０２　０２　Ｏ（】０１　ｌ０　２０　０１　０５　０５　ｏ０　０ｌ　０　０，前６个字符为日期，第７字符个为模式标志，第８，９个　字符为模式二的ＧＰＳ同步时钟设置参数，第ｌ　０，ｌ　１个字符　为文件名，第１　２个字符留为扩展：　４　１　Ｏ　５　２　＜　６　修改　３　返同　＞　发送　图６薄膜按键框图　显示采用以ＳＥＤ１３３５为主摔的，１６０＊１６０的２．１寸液晶　显示ｊ）ｆ。整个显示界面包括主菜单、设置界　（起始时问　③从第二帧到最后的数据格式如：０１　Ｏ０　ｌ０　Ｏ０　ｏｏ　ｏ０　Ｏ１　ｏ０　０８　Ｏ９　ｏ０　Ｏ２，前６个字符为时间，第７个字符为　电位符号信息（０　０：正，０　１：负），后５个字符为电位值（电　设置、通断同步时间设置、数据存储文件名设置等）、测量　１：作界面、数据传送界面等人性化界面设置，极大地方便　了用户的使用。　位可测范围为＋／一３０００．Ｏｍｖ，精度为０．１ｍｖ）。　４．６总体软件设计　整个软件编程　于设计要求，包括薄膜按键监测、功　５　结束语　能设置、ＧＰＳ模块、近间隔测量（与中断器同步）、直流电位　经过实验室调试，木项目设计的　于Ｇ　Ｐ　Ｓ技术的地埋　梯度测量、数据存储、数据通讯、数据实时分析这几个部　管道杂散电流检测设备总体上已经达到了现场使用的基　分。杂散电流检测仪软件结构组成框图如图７所列　。　木要求。由于结合了Ｇ　Ｐ　Ｓ定位及授时技术，该套设备不仅　能记录被测点的位置　且得到了该点的准确测量值，再加　Ｉ　薄膜按键监测　上上位机的处理分析软件，可以更加精确地定位地埋管道　的破损点。该设备正在北京轨道交通沿线进行现场的测　Ｉ功能改茂Ｉ　试，将根据现场使用的情况及使用者的建议做进一步的改　直流梯度测戢Ｉ　ｌ近州隔铡　（　断｛：｛；　步）　进。　参考文献　［１］　李建民．城市轨道交通供电系统杂散电流榆测与控制［Ｊ］．仪表　技术与传感器，２００７（ｉｏ），７３—７４．　图７杂散电流榆测仪软件框图　［２］施洋钦，黄琦，罗敏．基丁ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ的埋地长输管线杂　散电流榆测仪［Ｊ］．管道技术与设备，２００９（３），１７－１８．　整个软件系统就是根据用户的操作，选择　种现场　［３］刘建军，　东，张秋才‘，王宝德．ＫＢＤ－４型杂散电流监测仪的研　所需的测量方法，系统自动启动ＧＰＳ模块　Ｉ　作。待ＧＰＳ建立　制［Ｊ］．河北工业科技，２００５，２２（４），１９２—１９３．　连接之后，根据界ｌ血提示，根据所选的测量方法进行一些　［４］雷迪有限公司．杂散电流检测仪（ＳＣＭ）用户手册．２００２：４－５．　必要的设置（如起始时间、数据存储文件名等）。在设置结　［５］周立功．ＡＲＭ嵌入式系统实验教程（二）［Ｍ］．北京：北京航空航天　束后，由用户选择进入测量界面。在测量过程中，系统白　大学出版社，２００５，４－９．　动将数据组帧写入存储器以待日后处理，或根据需要实时　（上接第１　０　３页）　１９９５．２，ｖｏ１．２１８５，ＰＰ．３８１—３９２　［８］　Ｊ　Ｍ　Ｚａｃｈａｒｙ，Ｓ　Ｓ　Ｉｙｅｎｇａｒ．Ｃｏｎｔｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｉｍａｇｅ　ｒｅｔｒｉｅｖａｌ　［１４］杨红菊，张艳，李付元．一种基于颜色矩和多尺度纹理特征的　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ａ］．ＩＥＥＥ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　彩色图像检索方法［Ｊ］．２００９．９，ｖｏ１３６．９，ＰＰ．２７４—２７６　ａｎｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ　［１５］Ｈ．－Ｔａｍｕｒａ，Ｓ．Ｍｏｒｉ，ａｎｄ　Ｔ．Ｙａｍａｗａｋｉ，“Ｔｅｘｔｕｒｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｃｏｔ—　Ｔｅｘａｓ：ＩＥＥＥ，１９９９．　ｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔＯ　ｖｉｓｕａｌ　ｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎ’　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ＳＭＣ一８（６），　［９］　Ｊ　Ｍａｏ，Ａ　Ｋ　Ｊａｉｎ．Ｔｅｘｔｕｒｅ　ｃ１ａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ＰＰ．４６０—４７８，１９７８．　ｕｓｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ　ａｕｔｏｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ　ｍｏｄｅｌｓ　［１６］Ｒ．Ｍ．Ｈａｒａｌｉｃｋ，Ｋ．Ｓｈａｎｍｕｇａｍ，ａｎｄ　Ｉ．Ｄｉｎｓｔｅｉｎ，”Ｔｅｘｔｕｒａｌ　ｆｅａ－　［Ｊ］．ＰａｔｔｅｒｎＲｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，１９９２，ｖｏ１．２５，Ｎｏ．２，ｐＰ．１７３—１８８．　ｔｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｉｍａｇｅ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ’　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ＳＭＣ－３（６），　［１０］李晓庆，赵家骜．一种基丁内容的医学图像榆索方法的实现　ＰＰ．６１０—６２１，１９７３　［Ｊ］．２００４，２８卷，第３期．　［１７］Ｃｈｅｎ　Ｄ．，Ｗａｎｇ　Ｌ．，”Ｔｅｘｔｕｒｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｅｘｔｕｒｅ　［１１］孙兴华．基于内容的图像榆索研究［Ｊ］．２００１，８．　ｓｐｅｃｔｒｕｍ’：Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　２４，ＰＰ．３９１—３９９，１９９１．　［１２］Ｈｕ　Ｍ　Ｋ，Ｖｉｓｕａｌ　Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｍｏｍｅｎｔ　Ｉｎｖａｒｉａｎｔｓ　［１８］Ｈｓｕ　Ｗ，Ｃｈｕａ　Ｔ　Ｓ．Ａｎ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｏｌｏｒ—ｓｐａｔｉａｌ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　［Ｊ］．ＩＲＥ．Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｆ．Ｔｈｅｏｒｙ，１９６２，ＩＴ一８：１７９—１８７．　ｃｏｎｔｅｎｔ—ｂａｓｅｄ：［ｍａｇｅ　Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ［Ｍ］．Ｐｒｏｃ　ＡＣＭ　Ｍｕｉｔｉｍｅｄｉａ，　［１３］Ｍ．Ｓｔｒｉｃｋｅｎ　ａｎｄ　Ｍ．Ｏｒｅｎｇｏ，Ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｅｓ　１９９５　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｓａｎ　Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，１９９５：３０５—３１３．　［Ｊ］，ＳＰＩＥ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ　Ｉｍａｇｅ　ＶｉｄｅｏＤａｔａｂａｓｅｓＩＩＩ，　ｌ０６