智能阴极保护电源

● 输出电压信号采样
（１０ｍｓ 是工频信号过零的周期，所指的
由于阴极电位的采样没有使用隔 位置是每次过零的时刻）。
离，所以其他信号的采样必须进行隔
离。考虑到通过隔离电路来线性传输模
拟信号的电路复杂，而且精度不高。所
以在对输出信号进行采样时，首先把模
拟信号转换成频率和输入信号幅值成正 图３ 传统触发信号机制
成），其重量约 ４ ｋ ｇ ，充电一次可行走 间两位是电池的宽度，后两位是电池的
８０ｋｍ 左右，充电次数可达 １０００ 次，使 长度（单位为 ｍｍ）。电池生产工厂往往
用寿命可达３～５年。虽然说磷酸铁锂动 在型号前加三个英文字母作厂标，例如
力电池的价格较铅酸电池高得多，但总 型号为×××１８６５０ 。
过零同步信号错误检测的状况。为了能 控制，在设计中还提供了 ＲＳ２３２ 接口， Ａ Ｖ Ｒ 和 Ｓ Ｐ Ｊ 的 Ａ Ｖ Ｒ Ｃ 。在实际的开发
够得到稳定可靠的同步脉冲，要在同步 可以配合 Ｇ Ｓ Ｍ 通信监控板进行远程状 过程中，选择了 Ｃ ｏ ｄ ｅ Ｖ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ Ａ Ｖ Ｒ ＋
信号采集电路中增加中心频率为 ５ ０ Ｈ ｚ 态监测、远程参数设定、远程工作控制。 Ａ ｔ ｍ ｅ ｌ 官 方 提 供 的 免 费 调 试 工 具
含有比较高的工频成分，在采样的时候 流电流的采样又不能使用交流互感器。
则必须去除这些工频的干扰。所以我们 为此，我们选用了目前比较成熟的Leabharlann Baidu尔
选择了抗干扰能力很强的双积分型的 传感器来进行电流的采样。通过霍尔传
ＡＤ 转换器 Ｔ Ｌ Ｃ ７ １ ３ ５ 来实现模数转换， 感器把 ０～１００Ａ 的电流转换成 ０～４Ｖ 的
的经济效果还是采用磷酸铁锂动力电池
更好，并且在使用上更轻便。
结语
磷酸铁锂动力电池是一种新型动力
小型磷酸铁锂动力电池
电池，由于其性能优良，受到各方面的
小型磷酸铁锂动力电池是标准的， 重视。我国现在已有一些工厂生产磷酸
有圆柱形及长方形。如圆柱型的型号有 铁锂电池正极材料及生产各种不同容量
１８６５０ 、２６６５０ 等。型号中前两位是表示 的磷酸铁锂动力电池。由于生产时间不
阴极保护技术和涂层联合应用则可 属上的电子转移到被保护金属上去，将 分则根据设定的控制电位即阴极电位的
以有效解决这一问题。一方面阴极保护 整个被保护金属处于一个较低的负电位 数值自动调节主回路的电源输出，使阴
可有效地防止涂层破损处产生的腐蚀， 下。该方式简便易行，不需要外加电源， 极电位稳定在设定的数值，同时提供友
只要选择时钟频率是工频的整数倍就可 直流电压，在从电流到电压的转换过程
以有效地去除工频的干扰。由于整个控 中实现了信号的隔离，然后通过 ＡＤ 转
制系统和主电源没有直接的电路连接， 换电路进行电流数据的采集。
是浮空的，所以阴极电位的测量选择直
● 触发信号产生
接连接的方法，没有使用隔离。
传统的触发信号通常如下图所示
防腐方法是在金属上涂上油漆或缠绕复 涂层很差的地下或水下金属构筑物，阴 罐等。牺牲阳极阴极保护失败的主要原
合材料作为防腐绝缘层。良好的涂覆层 极保护甚至是腐蚀防护的唯一可选择的 因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，
可以保护构筑物９９％ 以上的外表面不受 手段。
限制了阳极的电流输出。本人认为，产
腐蚀，地下或水下的金属结构物通常在
部腐蚀产生。
位，使金属原子不容易失去电子而变成 阻率土壤中的金属结构，如长输埋地管
阴极保护是一种用于防止金属在电 离子溶入溶液。有两种办法可以实现这 道、大型罐群等。
介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐 一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电
蚀的电化学保护技术。其基本原理是对 流阴极保护。
硬件设计
被保护的金属表面施加一定的直流电
力、涂层的老化及涂层微小针孔的存
阴极保护的原理是给金属补充大量 护电流传递给被保护的金属结构物，使
在，金属结构物的外涂层总会存在一些 的电子，使被保护金属整体处于电子过 被保护金属结构电位低于周围环境。该
缺陷，而这些缺陷最终将导致金属的局 剩的状态，金属表面各点达到同一负电 方式主要用于保护大型或处于高土壤电
延长涂层使用寿命；另一方面，涂层又 很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小 好的人机界面以及其他控制功能。主电
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专题特写：电源
图１ 系统电路图 源由变压器和可控硅组成的单相全波整 流电路组成，通过移相触发方式控制输 出电压和电流的幅值。
２ 控制部分结构 控制部分以 Ａ ｔ ｍ ｅ ｌ 公司的 Ａｔｍｅｇａ３２ 单片机为核心组成。控制部 分的结构如图 ２ 所示。
的带通滤波器。该电路工作原理是：交 同时，还提供了ＲＳ４８５ 接口，便于多设 ＡＶＲＳｔｕｄｉｏ 进行的方式，快速有效地完
流电压经降压电阻降压后输入有源带通 备系统同时监测和控制。
成了整个系统的软件编制调试。 Ｅ Ｐ Ｃ
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的模拟信号的幅值。使用这样的方法， 同时控制驱动信号的作用时间，仅仅在
可以有效的实现信号的隔离，并且使用
电子计数器法进行测量，只要选择足够
长的采样时间可以得到很高的精度；同
时，采样时间如果是工频周期的整数倍
则又可以去除输入信号中的工频成分， 图４ 脉冲串触发信号机制 （下转第 ９８ 页）
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可谓一举三得。在实际的设计中，我们
选用了 ＡＤ７７４０ 来完成电压－频率的转
换。
● 输出电流采样
输出电流中不可避免的存在着很大
的交流成分，我们要采样的是电流中的
提供比较高的共模抑制比，来降低外界 直流成分，是电流的平均值。大电流的
共模干扰的影响。其次，阴极电位信号 采样使用采样电阻显然不太合适，而直
比的数字脉冲信号，然后再通过高速光
这样的触发方式，脉冲变压器和脉
耦把数字脉冲信号传输到单片机进行采 冲放大器经常处于导通状态，且电流较
样。单片机则利用内部丰富的定时 ／ 计 大，发热严重，造成脉冲变压器体积较
数器资源对数字脉冲信号进行采样，再 大，驱动能力差。在本设计中改进了驱
根据数字脉冲信号的频率，计算出输入 动的方式，改用脉冲串驱动的方式，能
ＥＰＣ
（上接第 ９４ 页）
滤波器的输入端，通过公
式计算选择好各元件参
数，就可只允许 ５０Ｈｚ 左
图５ 触发电路结构框图
右的工频信号通过，其他 频率的信号则迅速衰减，
触发的时候提供大约 １ｍｓ 左右的驱动； 有效地抑制了电网中各种谐波对触发板
而且，在驱动结束后，驱动电路就关断， 的干扰，其电路如图 ６ 所示。
示。
× １２８ 的点阵图形液晶，并设计了良好 系列单片机诞生以来，有很多第三方厂
触发电路的结构如图５ 所示。
的菜单式界面。
商为其开发了用于程序开发的Ｃ 语言工
在实际工作现场，由于环境比较复
● 远程控制接口
具，常用的有 Ｉ Ａ Ｒ 的 Ｉ Ａ Ｒ Ｃ 、
杂，所以电源中的干扰比较多，存在着
为了便于对设备进行远程的检测和 ＩｍａｇｅＣｒａｆｔ 的 ＩＣＣＡＶＲ 、ＣｏｄｅＶｉｓｉｏｎ
腐蚀形成将受到抑制。然而，完全理想 认可，并已在船舶、港工设施、海洋工 定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。
的涂覆层是不存在的。由于施工过程中 程、石化、电力、市政等领域得到越来
外加电流阴极保护是将外部交流电
的运输、安装及补口，热应力及土壤应 越广泛的应用，前景十分广阔。
转变成低压直流电，通过辅助阳极将保
图２ 控制系统结构框图 整个系统的控制和稳定运行依赖于
采集到的信号是否正确，但现场各个信 号之间的联系非常复杂。为了能够正确 稳定的采样信号，各个信号之间必须做 到完全的隔离，这样才能避免现场干扰 信号的影响。
● 阴极电位采集 阴极电位是控制的最终要求，所以 对这个信号的采集至关重要。阴极电位 的采集有两个特点：首先是阴极电位的 输出阻抗很高，所以为了正确采样必须 使用高输入阻抗的前置放大器。在实际 应用中，我们使用了由 Ｏ Ｐ ０ ７ 组成的仪 表放大器，一方面运放的正端输入可以 提供非常高的输入阻抗，另一方面可以
阴极保护的费用通常只占被保护金 生该问题的主要原因是阳极成分达不到
使用前涂覆防护涂层以将金属与电介质 属结构物造价的 １ ％ ～５ ％ ，而结构物的 规范要求，其次是阳极所处的土壤电阻
环境绝缘隔离。如果金属构筑物能够做 使用寿命则可因此而成倍甚至几十倍地 率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护
到完全电绝缘隔离，金属在电介质中的 延长，因此，这项技术得到人们的普遍 系统时，除了严格控制阳极成分外，一
图６ 增加带通滤波器的同步信号采集电路
等待下一次触发。这样可以大大降低脉
● 人机接口
软件设计
冲变压器和脉冲放大器的功耗，并提供
为了便于操作者进行参数的设置和
软件界面是良好的菜单式界面，使
足够的驱动能力，其触发信号如图 ４ 所 工作状态的设定，在设计中采用了 ２４０ 用 Ｃ 语言编制完成。自 Ａ Ｔ Ｍ Ｅ Ｌ 的 Ａ Ｖ Ｒ
专题特写：电源
智能阴极保护电源
无锡商业职业技术学院 李泓
如果土壤中水的电阻率在 １ ０ ０ ０ ０ 可大大减少保护电流的需要量，改善保 型（电流一般小于１Ａ）或处于低土壤电
Ω·ｃｍ 以下，就属于腐蚀性区域，其中 护电流分布，增大保护半径，使阴极保 阻率环境下（土壤电阻率小于 １００ Ω·
的金属结构物就会被电化腐蚀。传统的 护变得更为经济有效，对于裸露或防腐 ｍ）的金属结构，如城市管网、小型储
专题特写：电源
５ 太阳能及风力发电的储能设备； ６ Ｕ Ｐ Ｓ 及应急灯、警示灯及矿灯 （安全性最好）； ７ 替代照相机中 ３Ｖ 的一次性锂电 池及 ９Ｖ 的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸 完全相同）； ８ 小型医疗仪器设备及便携式仪器 等。 这里举一个用磷酸铁锂动力电池替 代铅酸电池的应用实例。采用 ３ ６ Ｖ ／ １ ０ Ａ ｈ （ ３ ６ ０ Ｗ ｈ ） 的铅酸电池，其重量 １２ｋｇ，充一次电可行走约 ５０ｋｍ，充电 次数约 １００ 次，使用时间约 １ 年。若采 用磷酸铁锂动力电池，采用同样的 ３ ６ ０ Ｗ ｈ 能量（１ ２ 个 １ ０ Ａ ｈ 电池串联组
牺牲阳极阴极保护是将电位更负的
１ 系统结构
流，使其产生阴极极化，当金属的电位 金属（如镁、铝、锌等）与被保护金属
整个系统有两个部分组成：主电源
负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过 连接，并处于同一电解质中，通过电负 和控制部分。主电源可提供 ６５Ｖ、１００Ａ
程就会得到有效抑制。
性金属或合金的不断溶解消耗，使该金 的输出给需要保护的金属结构，控制部
直径，后两位或三位表示高度（单位为 长，规模还不大，造成供不应求的情况。
ｍｍ），即 １８６５０ 的尺寸的直径为 １８，高 不过，这种情况可望在２～３年内得到改
度为 ６ ５ 。长方形的型号有 １ ０ ３ ４ ５ ０ Ｒ 、 变，磷酸铁锂动力电池将更便宜，并且
１８３６６５Ｒ等。其前两位是电池的厚度、中 其应用将更普遍。