钢筋混凝土阴极保护极化曲线实时测试仪器设计.pdf
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1、第2 5 卷第5 期 4 7 4 电子测量与仪器学报 J o U R N A Lo FE L E C T R o N i CM E A S U R E M E N TA N Dl N S T R U M E N T f 2 5N o 5 2 0 1 1 年5 月 D O I :1 0 3 7 驯S P J 1 1 8 7 2 0 1 1 0 0 4 7 4 钢筋混凝土阴极保护极化曲线实时测试仪器设计术 刘泽王淑颖李伟官慧仙徐贵富贾伟 O r , 京交通大学电子信息工程学院,北京1 0 0 0 4 4 ) 摘要:阴极保护是应用于钢筋混凝土腐蚀防护的一种有效技术,测试其阴极极化曲线对于防腐系统参数
2、设计具有重要的 指导意义。本文设计了一种极化曲线测试仪器,该仪器通过嵌入式系统控制强制电流阴极保护系统的激励电流采集阴极保护 系统由此产生的电位变化,测试的数据由嵌入式系统暂存并通过无线通信接【J 传输到I 监控中心计算机,监控计算机存储并分析 保护行的极化曲线。试验结果表明该仪器能自动、实时地测试阴极保护系统的极化曲线。为检测被保护结构物的保护状态提供 数据支持。 关键词:强制电流阴极保护;极化曲线;恒流源激励;嵌入式系统 中图分类号:T P 2 3文献标识码:B国家标准学科分类代码:5 1 0 9 9 D e s i g no fr e a l - t i m ep o l a r i z
3、 a t i o nc u r v et e s ti n s t r u m e n tf o r c a t h o d i cp r o t e c t i o ni nr e i n f o r c e dc o n c r e t e L i uZ e W a n gS h u y i n g L iW e iG u a nH u i x i a nX uG u i f uJ i aW e i ( S c h o o lo fE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e n n g ,B e i j i n gJ
4、 i a o t o n gU n i v e r s i t y , B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ,C h i n a ) A b s t r a c t :C a t h o d i cp r o t e c t i o ni Sa ne f f e c t i v ea n t i c o r r o s i o nt e c h n o l o g yU S e di nr e i n f o r e e dc o n c r e t ep r o t e c t i o n T h e m e a s u r e m e n to fc a t h o d i
5、cp o l a r i z a t i o nc u r v ei ss i g n i f i c a n tf o rp a r a m e t e rd e s i g no fi m p r e s s e dc u r r e n tc a t h o d i cp r o t e c t i o n T 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e sat e s ti n s t r u m e n to fp o l a r i z a t i o nc u r v e s 。t h ei n s t r u m e n tc a ns a m p l
6、et h ep o t e n t i a lc h a n g ea c c o r d i n g t h ee x c i m f i o nc u r r e n t Sc h a n g ew h i c hi sc o n t r o l l e db ye m b e d d e dc o n t r o l l e r A n dt h em e a s u r e m e n td a t ac a nb es t o r e da n d t r a n s f e r r e dt os u p e r v i s o r yc o m p u t e rv i aw i
7、 r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e T h e nt h ed a t ac a nb es t o r e da n da n a l y z e d T h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s t r u m e n tc a nm e a s u r et h ep o l a r i z a t i o nc u r v e sd a t aa u t o m a t i c a l l yi nr e a lt i m e S o
8、i tC a n b eu s e dt op r o v i d ed a t as o u r c es u p p o r tf o rd e t e c tt h ep r o t e c t i o ns t a t u so ft h es t r u c t u r eb e e np r o t e c t e d K e y w o r d s :c a t h o d i cp r o t e c t i o n ;p o l a r i z a t i o nc u r v e s ;c o n s t a n t c u r r e n ts o u r c ee x
9、c i t a t i o n ;e m b e d d e ds y s t e m 1 引言 阴极保护技术是国际公认的防腐技术,已广泛 地应用于船舶、码头、海上平台和埋地管线等设施 的腐蚀防护【l 习】。通过测定该项技术的极化曲线可获 得保护电流范围、保护电位范围等阴极保护参数。 此外曲线上电位对于电流密度的倒数称为电极在该 电流密度时的真实极化率,等于通过极化曲线上对 应于该电流密度的点的切线斜率。极化率的倒数是 电极反应过程进行难易程度的度量。极化率小,阻 力小,电极反应容易进行。因此极化曲线的测量对 揭示金属腐蚀的基本规律以及化学电源、电镀、电 冶金、电解、金属防腐蚀和电化学基础研究
10、等有着 重要的意义【4 。J 。而现有的极化曲线的测定方法主要 是通过手动测试记录数据或者是通过电化学分析系 统,恒电位仪来测量。而在实际的环境中,钢筋的电 位是随着海水的温度和盐溶液的浓度的变化而改变 的。对于实际环境中的极化曲线的测试,现有的技 术已不能满足。 针对这种情况,设计了一种外加电流的极化 曲线自动测试装置。该装置通过嵌入式系统控制恒 电流激励的电压,来改变阴极保护系统的电流,采 集到的数据可通过数据通信接口,无线通信模块, 传输到P C 机,实现远程监控。该装置能自动、实 本文于2 0 1 1 年1 月收到。 ,基金项目:国家自然基金资助( 编号:N S F CN o 6 1
11、0 5 0 0 0 1 ) 资助项目。 万方数据 第5 期钢筋混凝土阴极保护极化曲线实时测试仪器设计 时地采集数据,绘制不同时刻的极化曲线,并通过 无线通信模块实现远程监控,以此来监控结构物 的保护状态。 2 系统的组成 阴极保护电位自动采集系统主要是由恒流源激 励、嵌入式控制系统、数据采集通道,无线通信模 块和中央处理机组成,通过模拟海水环境得出钢筋 混凝土中钢筋在海水中的阴极极化曲线。 2 1 恒流源激励的设计恻 极化曲线的测量有2 种方法,一个是恒电流法 也叫控制电流法,另一种是恒电位法【9 l 。恒电流法 测量时控制研究电极的电流密度依次恒定在不同的 数值,测量相应的稳态电极电位,二者
12、之间的关系 曲线即恒电流极化曲线。此时电流密度是自变量, 电极电位是因变量,其函数关系毋尺- ,) 。恒电位法 也叫控制电位法。是指控制研究电极的电极电位依 次恒定在不同的数值,测量相应的稳态电流密度, 二者之间的关系曲线即为恒电位极化曲线。在这种 情况下,电极电位是自变量,电流密度是因变量, 其函数关系为乒尺D 。 本设计装置采用恒电流法来测试极化曲线,即 将研究电极的电流恒定在某定值下,测量其对应的 稳定电极电位,得到极化曲线。其中恒流源激励的 设计如图1 所示。 图l电压控制电流源原理图 F i g 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fv o l t a
13、 g e c o n t r o l l e dc u r r e n t s o u r c e 设计使用O P 2 7 运算放大器构成横流反馈放大电 路如图1 所示,放大器的正输入端输入的是由嵌入式 控制系统提供的电压以,嵌入式控制系统通过改变 电压值来改变加到钢筋试样上的电流;负输入端通 过电阻接地的同时连接所要保护的钢筋试样,给钢 筋试样提供电流,接地电阻用于计算加到钢筋试样 上的电流值;输出端接到辅助阳极,通过海水介质与 所要保护的钢筋试样构成回路。放大器的供电电压为 + 1 2 V ,加到钢筋试样上的电流为:仁U R 2 。 2 2 嵌入式控制系统 嵌入式系统用以实现恒流激励控制、
14、采集存储 数据和实现与监控计算机的无线数据传输。 内部的控制模块主要包括控制信号模块M C U , 本设计所采用的M C U 处理器是A R M3 2 位的 C o r t e x M 3M C U ,用于实现存储和传输数据;存储 器,采用的存储器具有从2 5 6 5 1 2K 字节的闪存程 序存储器,高达6 4K 字节的S R A M ,带4 个片选的 灵活的静态存储器控制器;D A 转换器,该模块把 控制信号模块的数字指令转化为电信号指令,转送 到电源装置,实施增加或减少保护电流;A D 转换 器,该模块采集参比电极反馈的钢筋试样实际电位 数据,并把电信号转化为数字信号后传到控制信号 模块
15、;数据通信接口,用于连接无线通信模块,实 现远程监控。 系统工作时,嵌入式控制的数字电压通过D A 转换模块,转换成模拟电压仉加到恒流源激励上, 通过恒流源激励产生一个恒定的电流仁W B ,该电 流加到阴极保护系统上,引起钢筋试样电位的变化, 采集参比电极反馈的钢筋试样实际电位数据和电流 密度,存储后将其通过无线通信模块传送到上位机 上,由上位机显示钢筋试样电位随电流变化的趋势, 即阴极极化曲线。该系统可以存储多组数据,显示不 同时间段的极化曲线,进而对腐蚀程度进行判断。 2 3 数据采集通道 在采集数据时,外加电流后,钢筋试样电位和参 比电极电位经过一段时间才会稳定,如果直接采集, 会造成电
16、位的波动,产生误差,导致采集数据不准确, 根据这种情况本文的数据采集通道采用高精度的单 片仪器放大器A D 6 2 0 来设计【l 叭1 1 。A D 6 2 0 是一个三 运放集成的仪表放大器结构,设计体积小,功耗低, 增益可以通过外部电阻来调节,输入输出关系: V o 。= r ( V + t s E 矾) ( 1 ) 式中:K 为放大增益,由外部电阻决定, K := 4 9 4 k Q I - 1 心 万方数据 4 7 6 电子测量与仪器学报第2 5 卷 在本设计中,外部电阻选用4 9 4k f Z ,由此输出 端就会产生一个二倍的增益,该增益可以通过嵌入 式系统的内部编程来抵消【l 引
17、。正输入端接参比电极, 负输入端接钢筋试样电极,输出端将钢筋试样电位 相对于参比电极的电位,输入到嵌入式控制系统。 这样将钢筋试样电极和参比电极的两个数据输入端 转换成一个,传送到嵌入式系统,减少了干扰因素, 得到稳定的数据。数据采集通道的设计如图2 所示。 图2 数据采集通道设计 F i g 2D e s i g no f d a t aa c q u i s i t i o nc h a n n e l 2 4 通信部分的设计 嵌入式控制系统通过数据通信接口与无线传输 模块连接,无线传输选用了S R W F 一1 0 2 8 无线设备, 该无线是一种低功耗设备,提供了8 个可选的信道 以及
18、T T L 、2 3 2 、4 8 5 的接口方式,本设计中采用的 是4 8 5 接口方式连接。 数据传输时以数据帧的方式传输,数据帧是数 据链路层的协议数据单元,它包括3 部分:帧头,数 据部分,帧尾1 3 - 1 4 1 。其中,帧头和帧尾包含一些必要 得控制信息,比如同步信息、地址信息、差错控制信 息等;数据部分则包含网络层传下来的数据。 3 软件设计 3 1 嵌入式软件设计 嵌入式控制系统系统实现数据的传输通信,采 用C 语言编程。设D A 转换器输出最低电压为” 最高电压为绘制极化曲线的电压间隔为K ,每 次D A 输出电压后海水中的电极之间需等待一定时 间丁后才能达到稳定,另设钢筋
19、试样电极采样电压 值为,参比电极采样电压值为屹。则嵌入式软件 流程图如图3 所示。 图3 嵌入式软件流程图 F i g 3 F l o wc h a r to fe m b e d d e ds o f t w a r e 3 2 上位机软件设计 软件设计主要包括两大部分,数据采集线程和 界面显示线程。流程图如图4 所示。 ( , 开始 、) 00 数据采集线程界面显示线程 。I k【 发送“数据采集指令”选择要显示的极化曲线 山 接收数据 r 查询数据库中的数据 数据库存储数据J 0用G D I + 绘制曲线 延迟时间r 岭涉 ( 退出) 图4 上位机软件流程图 F i g 4F l o w
20、c h a r to fP Cs o f t w a r e 启动上位机软件后,同时启动数据采集线程和 界面显示线程。 数据采集线程通过R S 4 8 5 串口定时向嵌入式控 制系统发送“数据采集指令”和“施加电压指令”。通 万方数据 嬉5 新 蝌筋混挺圳捉保护撮化n h 缨实时器进仪器设计 过发进”施加电压指令”可以控制钢筋试样的电流密 度,通过发送“数据采集指令”t 以命令嵌 止控制 系统将采矩到的锌4 筋试佯相对】:磬I t 电极的压篮 i i 回送 f iP c 机。之后电脑将施加的电M 伉和采安副 的压篮仇保存到本地的数据库 界面显水线挂的主要功能就是将选择的酬极极 化曲线直观的绘制
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