任 浩，朱舜輝，吳盛榮，陳云生

(西南石油大學 理學院，四川 成都 610500)

對于雜散電流的定義，通常情況下電流是在項目開發(fā)人員設計的電路中流動的。由于外界因素或者線路故障，部分電流會脫離設計的電路回路，流入其它導體，并在該導體回路中流動，業(yè)界將其命名為雜散電流［1］。

交流雜散電流與直流雜散電流是行業(yè)內(nèi)對雜散電流常規(guī)的劃分。通常情況下交流雜散電流對石油管道的電腐蝕相對較弱，直流雜散電流對石油管道的危害則較大，當石油管道的絕緣層出現(xiàn)問題時，對地的絕緣性將大幅降低，通過電流的匯聚作用，雜散電流進入石油管道，在破損點發(fā)生強烈的電腐蝕，短時間內(nèi)就可導致石油管道穿孔，石油泄漏不僅造成經(jīng)濟損失，還伴隨著毀滅性的爆炸，釀成災難。實踐證明，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是后者的約50 倍。而當兩者同時對石油管道進行電腐蝕時，其腐蝕效應將更加劇烈。通過實驗論證在量級為1 A 的直流雜散電流腐蝕作用下一根石油鋼管，一年內(nèi)將導致大約10 kg 金屬的蝕失。因而對油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)的危害嚴重，由于雜散電流腐蝕造成的經(jīng)濟損失已達到數(shù)十億元［2］。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外主要的雜散電流測試儀器有英國的RD－400PCM、FZY－3 型礦用雜散電流測定儀、SJ33－ZKW280 雜散電流測量儀、HC－069 存儲式雜散電流測試儀、加拿大的Smart Logger 等。國外的兩款RD－400PCM 和Smart Logger 儀器能夠長時間的存儲直流雜散電流測試數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)顯示出來，具有一定的直觀性。但有些功能過于多余、且價格昂貴，在測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，在實際測試中測試頻率也受到了量程的制約。人機互動上，多數(shù)儀器不能實時地顯示波形，無法給技術人員一個直觀的數(shù)據(jù)，并且在后期的數(shù)據(jù)處理上也會帶來一定的問題。

通過以上分析，研究開發(fā)出一款價格較低、功能強大、能實時檢測和分析處理，顯示出結果的雜散電流測試儀。

2 雜散電流儀測試原理

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

行業(yè)中對于雜散電流的測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，對不同環(huán)境測量數(shù)據(jù)的分析系數(shù)也進行了對應的測量，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［2］。

3 雜散電流測量儀系統(tǒng)設計及相應模塊

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

雜散電流儀測試的特點:(1)主要是測量陰極保護通斷電位、直流電位梯度以及直流干擾電位。(2)能推測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，自主調(diào)整采樣的速率。(4)能檢測雜散電流的流動區(qū)域［3］。(5)突出特點是功耗低、存儲容量大，可不間斷地進行數(shù)據(jù)的采集，從而保證了基礎數(shù)據(jù)的充足性，便于數(shù)據(jù)的分析。(6)具有對檢測信號的實時采集，便于準確快速地分析數(shù)據(jù)的特點。

設計的測試系統(tǒng)主要由內(nèi)部的主控平板電腦與下位機單片機組成，搭配外部數(shù)據(jù)存儲模塊、相應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、波形幅值計算等功能。上位機發(fā)送指令，存儲模塊按照上位機指令采樣數(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。

圖1 雜散電流測試儀系統(tǒng)

下位機選擇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)置高速存儲器。內(nèi)嵌2 個12 位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，每個ADC 有多達16 個外部通道，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進行［4］。

儀器液晶顯示界面，采用易于編程開發(fā)的動態(tài)圖形界面，以方便后期的維護工作。本設計中采用當下流行的LabVIEW 動態(tài)界面開發(fā)軟件，具有快速實現(xiàn)2D、3D 等完美交互界面，界面的層次多元素多，界面的標準也相對較高。程序的控制不再依賴于界面設計。顯示器僅通過串口通信方式與應用程序控制器進行數(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 個步驟。上位機采用平板電腦，可以用數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理。通過抽樣定理對信號進行濾波。抽樣定理:在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當fs＞2fmax時，采樣后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息。

當外部設備的電壓發(fā)生較高或較低變化時，下位機微處理器的電壓與設備的電壓量程不匹配，通常造成數(shù)據(jù)的讀取失敗，嚴重時可能引起下位單片機的損壞，導致整個系統(tǒng)崩潰。A/D 轉(zhuǎn)換處理器STM32F103C8T6 為3.3 V 電源供電，而外部設備的端口為5 V 電源供電，兩者的供電電平不匹配，針對這一問題采用AMS1117 對下位機的供電進行了有效控制，同時配有一個大容量的移動電源以保障長時間的工作供電需求。

設計采用的增益放大芯片為LM358，該放大器為雙運放放大器，具有高增益、內(nèi)補償?shù)忍攸c，兩個高增益運算放大相互獨立。使用LM358 芯片作為增益放大模塊，芯片能采集到微弱的信號，且性能穩(wěn)定、價格低廉、性價比高。

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，采用單片機對SD 卡進行讀寫時一般都采用SPI 模式［5－8］。

在本設計中由于數(shù)據(jù)采樣的頻率最高不超過15 kHz，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量遠低于SD 的SPI 模式下的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過與上位機電腦系統(tǒng)的通信協(xié)議，SPI 模式在此情況下不會對整個測試儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度造成不良影響。所以本設計選用的是SD 卡的SPI 模式，作為數(shù)據(jù)的存儲模式［9－11］。

4 結束語

為檢驗本文設計開發(fā)的交直流雜散電流測量儀研制及應用腐蝕科學與防護技術是否達到測試要求，文中進行了相應的精度測試如圖2 所示，最終測試誤差結果為0.67%。設計的雜散電流測量儀，測試結果滿足設計要求。

圖2 儀器精度測試

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