阳极监视系统和方法 本发明涉及到为保护阴极而监视在金属结构上的阳极完整性的阳极监视系统和阳极监视方法。这类金属结构的例子可以是管道，以及在诸如树状管、多支管和处理设备等管道系统中使用的元件。
海底管道一般都是采用阴极保护的技术来保护的。这就是说，要沿着管道长度方向以间隔的位置来分布牺牲阳极。阳极的持续出现和效力是阴极保护的基本要求。因此，为了保证管道自身的持续完整性，就必须经常性地检查阳极。目前，这种检查是采用遥控操作装置和/或电势测量的方法来完成的。这两种方法的使用费用都非常昂贵且只能在气象条件允许的情况下进行。
本发明的一个目的是提供一种阳极完整性的监视技术，该技术至少能缓解现有技术中存在的一些问题。可以理解到：阳极会以多种方式变得失去效力，例如，阳极可以从管道上完全脱落下来，从而失去与管道的有效电接触，或者阳极已经被分解到难以起作用的程度。人们希望能够检测到何时出现这类事件。
依据本发明的第一方面，提供了为了达到阴极保护的目的用于监视在金属结构上地阳极完整性的阳极监视系统，该系统包括：至少一个包含金属结构和所选择阳极的信号通道并且信号电路的特性取决于所选择阳极效率的信号电路；用于产生信号并将该信号加到信号电路的信号发生装置；以及用于监视信号电路的信号从而确定所选择的阳极是否有效的中心站。
依据本发明的第二方面，提供了为了达到阴极保护的目的用于监视在金属结构上的阳极完整性的阳极监视方法，该方法包括的步骤有：
产生一个信号并将该信号加到信号电路，信号电路包括至少一个包含金属结构和所选择阳极的信号通道并且信号电路的特性取决于所选择阳极的效率；以及，
在中心站监视信号电路的信号并确定所选择的阳极是否有效。
最好能设置信号发生装置，当所选择的阳极是有效时，就将信号加到指示所选择阳极效率的信号电路。
最好能将信号发生装置或至少一个信号发生装置的元件分布在所选择的阳极上。
当信号电路断开时，就能检测到所选择阳极的失效或有缺陷。可以检测到的电路断开是由于无法将信号加到信号电路和/或无法接收到来自信号电路的信号的结果。由于失去了所需要的信号就能检测到所选择阳极的失效或缺陷。从信号电路有效阻抗地变化中可以得到所需要的信号。
信号电路可以包括通过大地的返回通道。最好所选择的阳极，如有效的话，能提供从金属结构到大地的导电通道。所选择阳极的位置就提供了到大地的通道，那么当失去了接地接触时就可以检测到所选择阳极的失效或缺陷。
信号电路可以包含阻抗部件。该阻抗部件分布在所选择的阳极和金属结构剩余部分之间。阻抗部件可以串联在所选择的阳极和金属结构之间。
阻抗部件可以包括绝缘部件。阻抗部件可以包括电感部件。阻抗部件可以包括滤波器部件。阻抗部件可以设计成对一个或多个频率的选择范围内的时间变化信号呈现出高阻抗而对选择范围以外或其它范围的信号呈现出低阻抗。阻抗部件可以设计成阻抗的实部基本为零。这就意味着对通过阻抗部件信号的直流分量只有很小的衰减或没有衰减。
当金属结构被用于传输信号时，采用电感部件和/或滤波器部件具有一些优点，因为能够使这些部件对用于信号传输的时间变化信号呈现出高阻抗而对用于阴极保护的电流呈现出低阻抗。
发射装置和接收装置可以设计成允许数据沿着金属结构传输。传输和接收装置可以作为阳极监视操作的辅助部件以及/或者提供各种不同数据的传输功能。
发射装置和/或接收装置可以连接在阻抗部件的两端，并且传输和/或接收阻抗部件两端的信号。
在接收到阻抗部件两端的信号的情况下，将滤波器部件用作为阻抗部件可具有另外一些优点，即在所感兴趣频带以外的噪声在进入接收器之前就被衰减了。
在一些实施例中，信号发生装置包括发射装置，信号电路包括接地通道，因此发射装置需要有接地连接并要设置所选择的阳极，当阳极有效时，就提供了接地连接并允许传输能指示阳极的效率并能在中心站检测到的信号。当所选择的阳极有缺陷或失效时，发射装置就失去了接地参考，于是就根本没有信号可被发射装置传输。因此，如果没有信号，就能断定所选择的阳极已经有缺陷或失效了。在这类实施例中，最好是将发射装置连接在阻抗部件的两端。
在其它实施例中，信号发生装置包括将参考信号加到信号电路的参考信号发生装置和用于根据待传输的数据来变化信号电路的有效阻抗的有效阻抗变化装置；中心站包括用于监视由于信号电路有效阻抗的变化而引起参考信号的变化的监视部件以及设置了信号电路，因此所选择阳极的缺陷或失效都会引起信号电路的断开，如果参考信号失去变化就能在中心站检测到所选择阳极的无效。
在这类实施例中，参考信号发生装置可以设置在远离所选择阳极的地方。阻抗变化装置设置在邻近所选择阳极的地方。
信号电路最好能包括多个信号通道并且每个信号通道都能包括金属结构和对应的阳极。上述对有关选择阳极所定义的基本特性同样适用于在多个信号通道系统中每个对应的阳极。单独的信号发生装置或信号发生装置的至少一个单独的电路元件可以分布在各个阳极。
不同的数据和/或不同的信号和/或不同的频率都可以与每个所对应的阳极有关。系统可以设计成在不同的时间产生与每个阳极有关的信号。这信号是随机产生的。这样，例如，在个别阳极无效时，在中心站就不能接收到与该阳极有关的数据/信号，这就有可能断定哪一个阳极是无效的。
依据本发明的第三方面，提供了一个数据传输系统，该系统包括发射装置，接收装置和金属结构以及阻抗部件；其中，该金属结构基本是用于其它目的的，它在使用中作为发射装置和接收装置之间的信号通路，金属结构包括至少一个用于阴极保护目的的阳极；阻抗部件分布在金属结构和阳极之间。
数据传输系统可以包括一个含有金属结构和返回通道的信号电路。返回通道可以通过大地。信号电路可以包括阳极。阳极最好能提供一个从金属结构到大地的通道。
阻抗部件可以串联在各个阳极和金属结构之间。
阻抗部件可以包括电感部件。电感部件可以包括滤波器装置。阻抗部件可设计成对一个或多个频率选择范围内的时间变化信号具有高的阻抗，而对选择频率范围以外或其它范围的信号具有低的阻抗。电感部件或滤波器装置的使用提供了上述讨论的优点。
依据本发明的第四方面，提供了在实现本发明的第一、第二和第三方面时与金属结构一起使用的设备。
在本发明的所有方面，金属结构可以包括管道，例如，用于传输石油或气体类的海底管道。金属结构可以包括处理设备和/或树状管和/或多支管。
参照附图并通过例子来讨论本发明的实施例。
图1是显示第一阳极监视系统的示意图；和，
图2是显示第二阳极监视系统的示意图。
图1显示了第一阳极监视系统，该系统一般包括管道系统1构成的金属结构，其中管道系统1具有多个阳极2，并通过连接线缆3与中心站4相连接。可以意识到，管道系统可以具有大量的阳极2，而图1仅仅显示了三个。
每个阳极2都有一个串联在相应阳极2和金属结构1之间的相关陷波滤波器5。另外，每个阳极都有一个相关的发射机6，它起信号发生装置的作用，并且跨接在相应陷波滤波器5的两端。
管道金属结构1封闭在绝缘涂层7内。于是，在金属结构和周围介质之间的电阻是高的。金属结构1与具有电介质涂层7的周围介质之间存在着一个电容。然而，除非信号频率高到足以使电容起作用，否则，从金属结构1到周围介质的损耗几乎都只是通过阳极2的。于是，可以认为存在着一信号电路S，它包括对应每个阳极2的各信号通道S1-Sn。在每种情况下，信号通道Sn包括金属结构1，相应的阳极2，连接线缆3和相应的通过大地到中心站4的返回通道。
与各个阳极2所对应的陷波滤波器5可设计为对所对应的发射机6产生的频率的信号具有高的阻抗而对用于阴极保护目的加到金属结构1的电流呈现出低的阻抗。这就是说，当各个阳极2存在时，阴极保护电流可以容易地流过陷波滤波器5，允许阴极保护系统能够有效的工作。然而，当使用发射机6发射信号时，实际上在金属结构1和各个阳极2之间存在着一个开路电路，因此，信号只能沿着具有阳极2的金属结构1传输，这就为发射机6提供一个接地参考。
另一方面，如果相应阳极2不存在，那么发射机6就没有接地参考，或以另一种观点来看，接地返回通道是断开的，因此，在中心站就根本不能接收到信号。即使以其它方法来折衷阳极2的效力，也仍然存在相同的情况。因此，通过监视所要求信号的丢失，就有可能在中心位置4来确定阳极2是无效的。
在一特殊的实现过程中，各个发射机6可设计成在一选定时期(如，每周一次)内以随机时间来发送一个简单的消息。传输每个消息所花的时间可在5秒左右。因此，在一个具有50个阳极的系统中，总的传输时间每周为250秒。由于这个原因，两个发射机6同时传输的概率就非常低，所以由于碰撞而失去来自起作用的阳极信号的机会也就很低。在实践中，在确定一个阳极不起作用之前，可以等待第二个个或更多丢失的信号。这样可将不能准确诊断故障阳极的概率降低到一百万分之一。因为使每个阳极都达到实时是不实际的，所以采用了随机信号发射技术。
每个消息都具有各种各样的内容，例如，地址(8位)，协议项(8位)，误差校验(16位)，电池条件等(8位)，测量结果(16位)。以消息方式发送的测量结果可以包括流过相应阳极的电流值以及在阳极和邻近阳极的金属结构之间的电势差值。这些测量有利于评估相关金属结构和其它阳极的状态。在另一个方案中，每个发射机6可设计成以不同于其它发射机的频率来发送信号，和/或只发送某特定阳极唯一具有的简单消息。随后，中心站4就可以监视多个不同的信号并且当某个特定的信号丢失时它能精确地指示出那个阳极失去了作用。在这类方案中，陷波滤波器5可采用带阻滤波器来取代，并将其选择成对每个不同的使用频率呈现出高阻抗。
在其它方案中，陷波滤波器5可以用其它电路元件来取代，例如电感器，它可以具有对要传输的信号呈现出高阻抗而对阴极保护电流呈现出低阻抗的必要特性。
图2显示了第二个阳极监视系统，该系统类似于图1所示的第一个阳极监视系统，但是它采用了不同的信号发送技术。在第一个阳极监视系统中，在每个阳极2上必需有一个功率源用来驱动相应的发射机6。由于系统典型使用的管道具有一定的长度并且损耗与所使用的信号传输类型有内在关系，因此，功率的要求就高。这些功率的要求可以用一次电池来满足，但是这意味着系统在必需替换电池之前只能工作一段有限的时间。
在图2所示的第二个阳极监视系统中，各个阳极发射信号所必需的功率源可以设置在远离阳极的地方。当然，功率源可以设置在各个阳极上以驱动分布在阳极上的电子设备。然而，与发射信号所要求的功率相比，这类电子设备的功率要求是非常低的。
第二个阳极监视系统一般管道1构成的金属结构，其中管道1具有多个间隔分布的阳极，并且通过连接线缆3与中心站4相连接。每个阳极2都通过陷波滤波器8和具有开关9的旁路环路与金属结构1相连接。当开关9开路时，金属结构1和各个阳极2之间唯一的导通通道只有通过陷波滤波器8，但是当开关9闭合时就存在一个自由导通通道。音调检测电路13跨接在每个滤波器8的两端。每个开关9都有一个对应的控制部件10，用于根据所要传送的数据来控制开关的开和关。开关9和控制部件10起着阻抗变化装置的作用。
中心站4包括电流源11和电压测量部件12，电流源11起着参考信号发生装置的作用，它的第一端通过连接线缆3与金属结构1相连接而第二端与大地相连接；电压测量部件12的一端与电流源11的第一端相连接而另一端与参考地相连接。音调发射电路14跨接在电流源的两端。
管道具有一层绝缘层7并且可以认为存在着一信号电路S，它具有与各个阳极2对应的各个信号通道S1-Sn。每个信号通道Sn都包括相应的阳极2，金属结构1，连接线缆3和相应的接地返回通道。
在正常的情况下，信号通道Sn是通过陷波滤波器8来闭合的。这样，由于陷波滤波器8对阴极保护电流基本上没有阻抗，抉所以从金属结构1到阳极2就有一个允许阴极保护系统起作用的电流通道。但是，陷波滤波器设计成对电流源11所产生的参考信号具有高的阻抗。当要求从特定阳极2上发出信号时，一个参考信号就加到信号电路上。并且控制电路10操作相应的开关9，将数据编码到电路S上。当所有的开关9都打开时，只存在通过绝缘层并通过陷波滤波器8到达电流源11第二端的接地返回通道。然而，当与特定阳极2所对应的开关闭合时，对参考信号来说，信号电路S的有效阻抗在整体上明显下降，因为相应陷波滤波器8被旁路了。于是，通过开关的开和关改变了有效阻抗，从而将数据编码到信号电路上。在中心站4的电压测量部件12用来检测随着开关的开和关在电流源11第一端和地之间电势差值的变化结果。与每个阳极2相关的控制部件10用来将信号编码到信号电路S上，该信号指示了相应阳极的状态。于是，中心站4能监视该特定信号，以确认特定阳极2的效力。但是，如果阳极2不存在的话，那么开关9的开和关就不会改变信号电路的有效阻抗，也就是不能检测到中心站4处电势差值的变化。
阳极发射信号采用以下讨论的方式来控制。音调发射电路14沿着金属结构1发送音调。由各个音调检测电路13来检测该音调。在预定时期过去以后，各个音调检测电路13就向对应的控制部件10发出触发信号。一旦对应的控制部件10接收到触发信号，便开始工作，将所需数据编码到金属结构上。对各个音调检测电路13来说，预定时期是不同的，因此来自阳极2的信号是在不同时间发送的。从各个阳极2接收到信号的时间是已知的，因此中心站可以在这些时间寻找到信号。特定信号的丢失就给出了对应的阳极是无效的指示。
在各个阳极监视系统的方案中，中心站4可以装备发射装置(未图示)，它能够对特定的阳极传输出特殊的指令，使得所对应的发射机6或控制部件10能够按按照指令来操作。较典型的是，中心站4传输出一系列特殊的信号，这些信号都能引起与特定阳极所对应的电子设备产生能随后被中心站所监视的信号。