誤差自補償陰極保護電源

李林澤，曾周末，李健

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072；2.中國衛星海上測控部，江蘇江陰214431)

誤差自補償陰極保護電源

李林澤1,2，曾周末1，李健1

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津300072；2.中國衛星海上測控部，江蘇江陰214431)

針對常規陰極保護電源不能控制斷電電位的缺陷，提出一種基于預測的控制電位誤差補償方法。首先，分析電化學體系過電位與電流密度的關系，在此基礎上推導出控制電位的預測方法；其次，針對陰極保護工程提出了對應的控制策略，得到了一種優于傳統方式的保護電位控制方法；最后，設計了具有誤差自補償功能的陰極保護電源，并投入應用。實驗結果表明，該方法可靠有效，能顯著提高保護電位的控制精度。

陰極保護；恒電位儀；IR降；斷電電位

據統計，腐蝕給各國帶來的經濟損失約占其當年國民經濟生產總值的1.5%至4.2%。《中國腐蝕調查報告》中指出，近年來我國因腐蝕而帶來的損失更為巨大，約占國民經濟生產總值的5%[1-2]，因腐蝕而造成的損失不可估量。陰極保護是金屬防腐蝕的重要方法，評價陰極保護效果關鍵參數是保護電位，中國石油行業標準SYJ36—89對鋼鐵構件的規定[3]：施加陰極保護時被保護構件的電位應負于－850 mV(相對飽和硫酸銅參比電極)，測量過程必須消除電解質中IR降、雜散電流等因素造成的誤差。在我國，常用恒電位儀做陰極保護電源，恒電位儀可控制金屬的保護電位，實現保護電位恒定，但是，常規恒電位儀只能恒定通電電位，而通電電位易受IR降、雜散電流、極化不均勻、交流干擾等因素的影響，存在誤差。這種誤差少則幾十毫伏，多則上百毫伏，嚴重影響恒電位儀控制精度。關于控制誤差的消除，可圍繞減少溶液、土壤等電解質的電阻而展開，如近參比法可在一定程度上減小控制誤差，但不能完全消除誤差；亦可采用正反饋的方法補償控制誤差，但是反饋參數調整不當易造成系統震蕩，影響系統穩定性[3-4]，該方法多用于實驗室的電化學工作站，尚未見到應用于工業現場的實例；較為常用的做法是定期實施保護電位評價工作，制定評估報告，在評估報告的基礎上，由人工調整恒電位儀，評估過程耗費大量人力物力，并且人為調整恒電位儀存在較大的盲目性。

研究發現，采用試片斷電法測得的斷電電位較為接近金屬的真實極化電位，能準確反映陰極保護的效果[3-5]。本文以斷電電位為出發點，以電化學基本理論為依據，討論恒電位儀的誤差補償方法，并將該方法應用于恒電位儀的控制系統。現場實驗驗證，該方法可靠有效，最大保護電位控制誤差小于5 mV，平均斷電電位控制誤差小于1 mV，能夠滿足陰極保護工程的需要。

1 陰極保護基本原理

陰極保護體系可以用典型的三電極體系表示。圖1表示陰極保護體系的基本原理[6]，被保護金屬構件Pipe相當于陰極、輔助電極CE相當于陽極、參比電極RE用于測量陰極極化電位。將陰極、陽極、參比電極以及零位接陰線纜連接至恒電位儀，利用參比電極測量的電位做系統的反饋信號，根據電位的變化調整陽極與陰極電流，這樣便可實現被保護金屬構件相對于參比電極的電位恒定。

電極過程等效電路[7]如圖2。BC之間表示陰極與溶液的界面，A相當于參比電極，Rl表示溶液電阻，Cd表示電極/溶液界面的雙電層電容，Z表示電化學反應的法拉第阻抗。恒電位儀的控制電位EAC可用公式EAC=EBC+EIR+E0表示，EIR為IR降，E0為雜散電流、極化不均勻、交流干擾等因素引起的控制誤差[8]，EBC是金屬的真實保護電位，可用斷電電位近似代替。其中，EIR和E0對系統的控制精度有較大影響，在實際的控制系統中要設計一種機制消除EIR和E0對控制系統的影響，補償系統的控制誤差，實現對EBC的控制。

圖1 陰極保護體系基本原理

圖2 電極過程等效電路

2 誤差補償原理

由腐蝕金屬電極的動力學方程可以得到極化過電位與電流密度的關系[6-7]：

式中：i0為交換電流密度；iL為極限擴散電流密度；i為電流密度。

穩態情況下，逐步增加電流I，同時測量斷電電位Eoff，可得到Eoff與電流I的關系曲線。理想情況下，該曲線應符合式(1)，若式(1)中參數已知，這樣便可利用式(1)進行預測。確定式(1)中的未知參數是問題的關鍵。可通過實驗測量陰極保護體系的極化曲線，利用曲線擬合的方式求得未知參數，然而實際中這種方法并不適用。首先，體系參數會隨著溫度、濕度、pH值等外部環境因素而變化；其次，大多數陰極保護場合，極化過程較為緩慢，測量極化曲線將耗費大量時間，影響陰極保護的正常進行。式(1)求導數，可得到阻抗Rr與電流I的關系，若能求得對應電流處的Rr與溶液阻抗Rl，便可求得Eoff與I的關系，進而求得斷電電位與通電電位的關系。

式(1)求微分可得：

施加小階躍信號，電流密度有增量Δi，可得：

區間(i，i+Δi)內，可認為Rr≈Rr’，電流I與斷電電位Eoff滿足線性關系。

若期望控制的斷電電位E’off與測量的斷電電位Eoff存在誤差，并且已知當前的控制電位Eon，希望求得與E’off對應的E’on。

斷電電位Eoff與通電電位Eon有如下關系：

式中：Rl為溶液電阻，在一定條件下保持恒定，IRl為IR降EIR，與溶液電導率、電流以及參比電極的位置有關。

同時有：

對穩態系統計算E’off與E’on的關系：

式(7)即為誤差補償公式。

3 陰極保護電源設計

3.1 誤差補償陰極保護電源基本結構

圖3所示，其由50 Hz陷波電路、低通濾波電路[6]、A/D轉換電路、數字濾波算法、誤差補償算法、D/A轉換電路以及開關逆變電路組成。選用STM32系列ARM做主控制器，其作用是對A/D轉換、數字濾波、誤差補償、D/A轉換以及斷電電位的測量進行控制，同時控制MOSFET的通斷實現斷電電位測量，在斷電電位測量的基礎之上，采用誤差補償公式實現恒斷電電位[9]。

圖3 誤差補償恒電位儀基本結構

3.2 抗干擾濾波器

作者2010年對國內某段石油管道做CIPS測試時發現，采集得到的保護電位疊加了峰峰值達±30 V的交流干擾信號，同時也有不少文獻闡述了交流干擾信號對陰極保護系統的影響[3]。交流干擾不僅影響恒電位儀控制精度，還會降低控制系統的穩定性，過高的干擾電壓甚至會造成運算放大器飽和，使儀器無法正常工作。

除了50 Hz干擾信號，信號中還分布有高頻噪聲。用示波器觀察這些信號的時域特征，并沒有發現特有的規律，示波器屏幕上布滿了噪聲信號，其幅值有±10 V之多。在頻域分析，作者發現，除了50 Hz工頻干擾具有很大的分量，其他信號則呈現出無規律的白噪聲。

本文采用初級50 Hz陷波、次級低通濾波、末級數字濾波的三級濾波方式，消除工頻干擾和高頻噪聲。在次級濾波輸出與A/D轉換電路之間還加入了隔離電路，以進一步提高抗干擾能力。

50 Hz陷波器選用了一種差分式的雙T無源網絡，實驗驗證其陷波深度約為－25 dB。關于低通濾波器，要設計合適的截止頻率，截止頻率過低，會造成濾波器時延過大，影響測量系統相應速度；截止頻率過高影響濾波效果。設計時選擇了截止頻率100、500和1 000 Hz三種二階濾波網絡，分別測試其濾波效果。實驗現場選擇碧海舟腐蝕防護工業有限公司實驗管道，測試結果發現，不使用低通濾波器時，采集卡得到的數據在±25 mV范圍內波動，使用1 000 Hz截止頻率濾波器后，數據波動范圍縮減為±10 mV，使用100 Hz與500 Hz濾波器得到的數據基本相同，波動在±2 mV之內。綜合考慮，截止頻率選擇500 Hz。

3.3 控制策略

誤差補償方法是基于穩態系統推導而出的，對于非穩態系統不成立，要準確測量斷電電位，也要求系統處于穩態。因而誤差補償之前要判定系統是否達到穩態。誤差補償時機應選在系統進入穩態之后，過早的調整(系統未達到穩態就進行調整)會造成系統震蕩，過晚的調整影響系統效率。然而，系統的穩態與暫態之間并沒有明確的界限，系統進入穩態的具體時刻無法確定，并且不同的系統進入穩態的速度亦不相同，這對誤差補償周期的確定帶來了麻煩。因此，環路中需加入穩態判定環節。

穩態判定可依據電流變化率，對于一個非穩態系統，當用恒電位儀(恒電位儀工作在恒電位模式)控制時，其電流會隨著時間而變化，直至趨于穩定。隨著系統由暫態過渡到穩態，電流變化率逐漸減小，直至趨于零[7]。設定一個閾值，電流變化率小于該閾值即可判定系統達到穩態。

若控制系統判定陰極保護體系已達穩定狀態，斷電電位測量程序啟動。斷電后，斷電電位按指數規律衰減，因此斷電電位的測量要即時。考慮測量系統濾波器的時延特性，選擇斷電后的50 ms開始測量，控制系統自動記錄斷電電位衰減曲線，并依據該曲線反推斷電瞬間的電位值。

整個控制系統的結構如圖4所示。控制網絡由相互嵌套閉環控制環路組成，內部環路由濾波環節，通電電位測量環節、PID控制器和被控對象(陰保體系)組成，用于實現通電電位恒定。外部環路是本文設計的關鍵，其作用是實現預測。外部環路由電流測量、穩態判別、濾波、斷電電位測量以及誤差補償等環節構成。

圖4 控制系統結構框圖

4 實驗結果

4.1 實驗裝置

實驗場地選址碧海舟腐蝕防護工業有限公司實驗場，選取長50 m，直徑40 cm的鋼制管道。陽極采用柔性陽極。管道埋地深度1 m。參比電極采用長效飽和硫酸銅電極，埋在與管道同等深度，距管道20 cm的位置。管道埋地時，測得未施加陰極保護時管地電位－455 mV(相對飽和硫酸銅電極)。實驗場地周圍空曠，無大型工業設備、高壓輸電線路等強干擾源。用示波器觀察管地電位，未發現嚴重的干擾信號。實驗裝置組成如圖5。

圖5 陰極保護電源實驗裝置

4.2 誤差補償效果

設置期望保護電位為－800 mV，圖6記錄了儀器運行50 h的數據。開始工作的7 h內系統尚未穩定，實測斷電電位較－800 mV有較大誤差，但隨著時間的延長誤差逐漸減小，實測斷電電位趨于－800 mV，并維持恒定。(b)和(c)分別為通電電位與控制電流，實驗中通電電位與電流均呈先增加后減小的趨勢。實驗證明恒電位儀能有效補償控制誤差，維持斷電電位恒定。

圖6 誤差補償效果

4.3 抗干擾性能

人為疊加±30 V的交流干擾信號，重復上述實驗，結果如圖7。儀器開始工作的17 h內，由于斷電電位與設置的期望電位有較大差值，儀器自動將通電電位調整至－1 500 mV，斷電電位與期望電位的誤差逐漸減小，直至趨于期望電位－800 mV。69 h時，斷電電位有輕微波動，而且負于－800 mV，這說明控制電流過大，需要降低控制電流，誤差補償程序調整通電電位，以補償斷電電位的誤差。誤差補償的結果是通電電位與電流均減小，斷電電位恢復－800 mV。69 h之后，所需的保護電流與通電電位逐漸減小，而斷電電位穩定在－800 mV左右。整個過程斷電電位保持恒定，電位波動明顯減小，電位誤差始終控制在±5 mV之內。最大誤差出現在第69 h，為－805 mV，隨后控制誤差在兩小時內減小到2 mV。

圖7 恒電位儀抗干擾測試

除去抗干擾濾波器，重做上述實驗，圖8所示。圖8中曲線的擺動幅度明顯大于圖7。比較前后兩組實驗數據：圖7中斷電電位的均值和方差分別為=－800.7，S2=8.11。圖8中則有=－804.4，S2=111。綜上可得，抗干擾濾波器能有效增強恒電位儀的抗干擾性能，提高控制精度。

圖8 除去抗干擾濾波器后的斷電電位曲線

4.4 恒通電電位下斷電電位變化趨勢

將儀器調整至普遍采用的恒通電電位模式，同時測量斷電電位，比較兩種控制模式下斷電電位的變化趨勢。圖9所示，該模式下斷電電位隨著時間的延長逐漸升高，這說明普遍采用的恒通電電位控制方法不能維持斷電電位恒定，其控制存在誤差。

圖9 恒通電電位控制下斷電電位變化曲線

5 結論

由于IR降、雜散電流、極化不均勻等因素的影響，常規恒通電電位控制方式存在控制誤差，本文從電化學體系過電位與電流密度的關系出發，結合控制理論，提出了一種適用于恒電位儀的誤差補償方法，實現了恒斷電電位。初步實驗數據表明，該控制方法效果明顯，斷電電位控制精度優于±5 mV，可提高恒電位儀的可靠性，具有較高的實用價值。

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Automatic error compensation cathodic protection power source

LI Lin-ze1,2,ZENG Zhou-mo1,LI Jian1

(1.State Key Laboratory for Precision Testing Techniques and Instrument,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department,Jiangyin Jiangsu 214431,China)

A prediction based off-power potential control method was proposed to overcome the weakness of traditional potentiostat which is only able to control on-power potential.The power potential prediction method was proposed by analyzing the relation between protection potential and current density in electrochemical system.The corresponding control strategy was proposed for cathodic protection project.A better power potential protection method was proposed.The experiment results show the proposed method is effective and reliable and it can remarkably improve the control accuracy of protection potential.

cathodic protection;potentiostat;IR drop;off potential

TM 461

A

1002-087 X(2016)08-1699-04

2014-01-17

李林澤(1987—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為精密儀器及石油管道防護。