智能阴极保护电源

如果土壤中水的电阻率在10000Ω・cm以下，就属于腐蚀性区域，其中的金属结构物就会被电化腐蚀。传统的防腐方法是在金属上涂油漆或缠绕复合材料作为防腐绝缘层。良好的涂覆层可以保护构筑物99％以上的外表面不受腐蚀，地下或水下的金属结构物通常在使用前涂覆防护涂层以将金属与电介质环境绝缘隔离。如果金属构筑物能够做到完全电绝缘隔离，金属在电介质中的腐蚀形成将受到抑制。然而，完全理想的涂覆层足不存在的。由于施工过程中的运输、安装及补口，热应力及上壤应力、涂层的老化及涂层微小针孔的存在，金属结构物的外涂层总会存在一些缺陷，而这些缺陷最终将导致金属的局部腐蚀产生。

阴极保护是一种用于防止金属在电介质(海水、淡水及上壤等介质)中腐蚀的电化学保护技术。其基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。

阴极保护技术和涂层联合应用可以有效解决这一问题。一方面阴极保护可有效地防止涂层破损处产生的腐蚀，延长涂层使用寿命；另一方面，涂层又可大大减少保护电流的需要量，改善保护电流分布，增大保护半径，使阴极保护变得更为经济有效，对于或防腐涂层很差的地下或水下金属构筑物，阴极保护甚至是腐蚀防护的唯一可选择的手段。

阴极保护的费用通常只占被保护金属结构物造价的1％～5％，而结构物的使用寿命则可因此而成倍甚至几十倍地延长，因此，这项技术得到人们的普遍认可，并已在船舶、港工设施、海洋工程、石化、电力、市政等领域得到越来越广泛的应用，前景十分广阔。

阴极保护的原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，金属表面各点达到同一负电位，使金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液。有两种办法可以实现这一目的，即牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属(如镁、铝、锌等)与被保护金属连接，并处于同一电解质中，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，将整个被保护金属处于一个较低的负电位下。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型(电流一般小于1A)或处于低土壤电阻率环境下(土壤电阻率小于100Ω・m)的金属结构，如城市管网、小型储罐等。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳，限制了阳极的电流输出。本人认为，产生该问题的主要原因是阳极成分达不到规范要求，其次是阳极所处的土壤电阻率太高。因此，设计牺牲阳极阴极保护系统时，除了严格控制阳极成分外，一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

外加电流阴极保护是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物，使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构，如长输埋地管道、大型罐群等。硬件设计

1　系统结构

整个系统有两个部分组成：主电源和控制部分。主电源可提供65V、100A的输出给需要保护的金属结构，控制部分则根据设定的控制电位即阴极电位的数值自动调节主回路的电源输出，使阴极电位稳定在设定的数值，同时提供友好的人机界面以及其他控制功能。主电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Atmel公司的Atmega32单片机为核心组成。控制部分的结构如图2所示。

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OP07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，另一方面可以提供比较高的共模抑制比，来降低外界共模干扰的影响。其次，阴极电位信号含有比较高的工频成分，在采样的时候则必须去除这些工频的干扰。所以我们选择了抗干扰能力很强的双积分型的AD转换器了LC7135来实现模数转换，只要选择时钟频率是工频的整数倍就可以有效地去除工频的干扰。由于整个控制系统和主电源没有直接的电路连接，是浮空的，所以阴极电位的测量选择直接连接的方法，没有使用隔离。

输出电压信号采样

由于阴极电位的采样没有使用隔离，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比的数字脉冲信号，然后再通过高速光耦把数字脉冲信号传输到单片机进行采样。单片机则利用内部丰富的定时／计数器资源对数字脉冲信号进行采样，再根据数字脉冲信号的频率，计算出输入的模拟信号的幅值。使用这样的方法，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，可谓一举三得。在实际的设计中，我们选用了AD7740来完成电压一频率的转换。

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直流成分，是电流的平均值。大电流的采样使用采样电阻显然不太合适，而直流电流的采样又不能使用交流互感器。为此，我们选用了目前比较成熟的霍尔传感器来进行电流的采样。通过霍尔传感器把0～100A的电流转换成0～4V的直流电压，在从电流到电压的转换过程中实现了信号的隔离，然后通过AD转换电路进行电流数据的采集。

触发信号产生

传统的触发信号通常如下图所示(10ms是工频信号过零的周期，所指的位置是每次过零的时刻)。

这样的触发方式，脉冲变压器和脉冲放大器经常处于导通状态，且电流较大，发热严重，造成脉冲变压器体积较大，驱动能力差。在本设计中改进了驱动的方式，改用脉冲串驱动的方式，能同时控制驱动信号的作用时间，仅仅在触发的时候提供大约1ms左右的驱动；而且，在驱动结束后，驱动电路就关断，等待下一次触发。这样可以大大降低脉冲变压器和脉冲放大器的功耗，并提供足够的驱动能力，其触发信号如图4所示。

触发电路的结构如图5所示。

在实际工作现场，由于环境比较复杂，所以电源中的干扰比较多，存在着过零同步信号错误检测的状况。为了能够得到稳定可靠的同步脉冲，要在同步信号采集电路中增加中心频率为50Hz的带通滤波器。该电路工作原理是：交流电压经降压电阻降压后输入有源带通滤波器的输入端，通过公式计算选择好各元件参数，就可只允许50Hz左右的工频信号通过，其他频率的信号则迅速衰减，有效地抑制了电网中各种谐波对触发板的干扰，其电路如图6所示。

人机接口

为了便于操作者进行参数的设置和工作状态的设定，在设计中采用了240

128的点阵图形液晶，并设计了良好的菜单式界面。

远程控制接口

为了便于对设备进行远程的检测和控制，在设计中还提供了RS232接口，可以配合GSM通信监控板进行远程状态监测、远程参数设定、远程工作控制。同时，还提供了RS485接口，便于多设备系统同时监测和控制。

软件设计

软件界面是良好的菜单式界面，使用C语言编制完成。自ATMEL的AVR系列单片机诞生以来，有很多第三方厂商为其开发了用于程序开发的C语言工具，常用的有IAR的IARC、ImageCraft的ICCAVR、CodeVisionAVR和SPJ的AVRC。在实际的开发过程中，选择了CodeVisionAVR+Atmel官方提供的免费调试工具AVRStudio进行的方式，快速有效地完成了整个系统的软件编制调试。