涂层、钢筋混凝土电化学阻抗现场测试仪的研制.pdf
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1、l 越 研 偶 秒 l tl I t 孙 t 涂层 、 钢筋混凝土 电化学阻抗现场测试仪的研制 杨尊壹h。孔德杰 。董泽华玷,刘世海 ,韩红涛 ( 1 华中科技大学a 控制科学与工程系 ,b 化学与化工学院,湖北 武汉4 3 0 0 7 4; 2 武汉科思特仪器有限公 司,湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要 当今 , 实际工程 中缺乏现场快速简便测量涂层、 钢筋混凝 土状态的仪器。利用高速单片机、 数字信号发 生器、 双通道 同步高速 A D和 高输入 阻抗模 拟 电路 , 设计 了一 套 电池供 电、 适 于现场应 用的便 携式 电化 学阻抗 ( E I S ) 测试仪 。考虑到涂层
2、或钢筋混凝土的高阻抗 以及现 场测试过程 易受外部噪声干扰 的特点 , 仪器电路设计 中 采取了双通道8阶低通滤波器和前置放大器来提高电流分辨率; 采用相关积分算法, 借助具有电磁屏蔽特性的护 环电极探头减小了外部耦合噪声对微弱信号的干扰, 实现 了高精度阻抗测试。仪器通过频率扫描测量涂层 金属 界面的阻抗谱 , 计算出涂层电阻、 电荷传递电阻和界面电容 , 进而监测金属构件的腐蚀状 态。对 室内涂层钢板的测 试表明 , 该仪器测量的阻抗谱与 P A R 2 7 3电化 学测试 系统的测量结果有 良好 的一致性 。 关键词 电化学阻抗测试仪;涂层;钢筋混凝土;相关积分算法 中图分类号 0 6
3、5 7 1 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 1 5 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 6 3 0 3 O 前言 l 设计 采用传统 的非 电化 学或直 流 电化 学方法 测量涂 层 、 钢筋混凝土的腐蚀行为存在耗时长、 可控性不好以 及重现性差等缺点。电化学阻抗 ( E I S ) 测量时施加 的扰动信号小, 可以原位测量涂层或混凝土 钢筋的界 面电容 、 极化 电阻 、 Wa r b u r g扩散阻抗等与失效过程有 关的电化学参数, 不会对涂层或混凝土 钢筋界面性质 造成不可逆影 响_ 2 - s 。E I S技术还可 以用来研究涂层 的老化速率, 根据涂层介电常数计
4、算涂层含水率, 进而 预测涂层的破坏因素和寿命。美国已制定了 E I S评价 涂层的 A S T M标准 J , 但由于没有适合的便携式阻抗测 量仪, 一直也没有快速检测和评估现场施工涂层质量或 混凝土钢筋锈蚀状态的可靠手段和方法。本工作结合电 化学与电子测量技术, 研制了一种便携式交流阻抗现场 测试仪, 可现场测量涂层、 钢筋混凝土的状态, 判断腐蚀 趋势。 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 0 通信作者 董泽华 , 副教授 , 主要从事腐蚀 电化 学、 电 化学测 试 方法 及 工 业腐 蚀 监 测 研究 , 电 话 : 0 2 78 7 5 4 3 4 3 2, E ma i l
5、: z e h u a d o n g g ma i l c o rn 1 1 原理 E I S测量是用 1 个小幅值正弦波电位信号叠加在 1 个直流极化电位上, 通过恒电位仪施加于被测体系, 同 步测量极化电位 以及响应 电流 , 通过相关积分算法 或 傅立叶变换计算 出被测电极体系的复数阻抗 z, 进而绘 制出被测体系的 N y q u i s t 图和 B o d e图。选取适当的等 效电路 , 通过计算机模拟可以获取被测电极体系的界 面电容、 电荷传递电阻和 R a n d l e 阻抗等诸多参数。 E I S测量 中必须保证极化电位 与极化 电流信号无 相移地同步采样。假设电位和电流
6、通道信号分别如式 ( 1 ) 、 式 ( 2 ) : E( t ) =E s i n ( to t 一咖 ) + 1 ( 1 ) , ( t )=I a s i n ( t o t 一咖 )+ 2 ( 2 ) 式中, E 和 , 日 为信号幅值, 和 为信号采样时刻的 相位角 , 为信号频率 , 和 2 为随机噪声。激励正 弦波信号由数字信号发生器产生, 所以 to是已知量, 而 咖 和 q b 都是未知量。为了计算两信号间相位差和幅 值比, 引入单位幅值基准信号 s ( t )= s i n ( to t ) 作为标准 参考信号 。将式( 1 ) 两边同乘以同频率基准信号 s i n ( t
7、o t ) , 并从任意时刻开始积分 1 个信号周期, 通过相 关积分算法, 即可得出电位信号相对于基准信号的幅 艇 移 值 E 和相位差 ; 同理 , 也可得出响应电流信号 的幅 值 I 和相位差 咖 I S 。于是 , 可得到被测体系在频率为 时的阻抗模 I zI 以及相位角 西 , 并有 : I z1 = E I ( 3 ) = 一 ( 4 ) 1 2 硬件 激励正弦波信号 由基于可编程逻辑阵列 ( F P G A) 和微处理器 ( MC U) 的数字式频 率合成器 ( D D S ) 产生。 MC U灵活控制并结合 F P G A强 大 的并 行处理 能力使 D D S 产生的信号频率
8、精确、 稳定, 迅速改变频率 。 D D S的模数转换采用 1 6位 D A。作为对噪声控制要求 较高的高阻 E I S仪器, 电路中集成 了线性定相 8阶低通 滤波器 L T 1 0 6 4 , 其转角频率 由 F P G A时钟频率控制 , 为输出信号频率 , f c: f o = 1 0 0:1或 1 0:1 , f o由 F P G A给出, 可输 出任意频率 、 起始相位的正弦波 。 在测量涂层 、 混凝土 金属界面阻抗 时, 由于输 入 阻抗高 , 极化 电流小 , 极 易耦合 工频或 电磁 干扰。为 此 , 仪器前级采用高输入阻抗仪表放大器作 为电压跟 随和前置放大。为有效滤除噪
9、声 , 电位 、 电流通道分别 集成8阶低通滤波器, 随激励信号频率 而变。通 过 M C U同时测量电位与电流信号的直流分量, 由双路 D A输出两路直流信号, 并借助可编程增益放大器补偿 掉信号中的直流分量 , 放大交流分量 , 提高信噪 比。 E I S测量的难点在 于如何减少 内部 电路引入 的相 位偏差 。任何一级运算放大器都会 引入相移 , 而相移 是器件与频率相关 的固有属性 , 不同器件在相 同频率 下引人的相移也不同。在设计中应尽量使用相同的器 件 , 并使电路板上的布线长度相等, 使双通道信号相移 接近 , 以减少 电路 引入 的附加相差 。残余 的相差 主要 是 由同型号
10、器件 参数 差异 引入 的, 当仪表放大器差分 输入信号较弱且频率较高时引人的相差会增加。仪器 总体设计框架见图 1 。 罔 l 交流阻抗现场测量仪器设计框架 R A Mv 电压 采 样 值 存 储 器 R A Mc 电 流 采 样 值 存 储 器 D 1 ) s RA M 波形表 存 储 器 c E 辅 助 电 极 RE 参 比电 极 wF 作电极R 电流取样电阻 图 1中, 测量仪器通过液 晶显示屏 ( L C D) 和小键 盘实现人机接 口, 测试参数包 括直 流极化 电位和正弦 波幅值 , 扫频范 围、 方式等均可由用户设定 。在接到启 动 E I S测量指令后 , MC U会根据设定
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