CN100437085C

CN100437085C - 混凝土中钢筋腐蚀监测装置

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Publication number: CN100437085C
Application number: CNB2006100697054A
Authority: CN
Inventors: 赵永韬
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2006-07-23
Filing date: 2006-07-23
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2026-07-23
Also published as: CN1900691A

Abstract

本发明涉及一种测试和分析材料耐腐蚀性能和腐蚀速度的仪器，尤其是一种通过测量腐蚀体系的极化电阻、塔菲尔斜率等参数实现混凝土中钢筋腐蚀监测的装置，包括电荷脉冲极化模块、监测探头、传感器、调制解调器、腐蚀监测软件、GSM通讯模块、CPU控制模块和电源模块；其中电源模块、电荷脉冲极化模块、CPU控制模块构成下位机，PC机和腐蚀监测软件构成上位机；监测探头和传感器经导线与下位机的电解池电缆插座连接，下位机的数据输出端连接数据通讯端口，数据通讯可选择有线通讯或无线通讯模式；监测探头和传感器及下位机为1-15组，本发明结构原理简单，使用操作方便，监测数据可靠，省电省力，广泛用于海域、地下及建筑物场合的钢筋腐蚀监测。

Description

混凝土中钢筋腐蚀监测装置

技术领域：

本发明属于测试和分析材料耐腐蚀性能和腐蚀速度的测量仪器，尤其是一种通过测量腐蚀体系的极化电阻、塔菲尔斜率等参数来实现混凝土中钢筋腐蚀监测装置。

背景技术：

在钢筋混凝土结构中，钢筋是主要的受力材料。一般情况下，钢筋在混凝土的高碱性环境中呈钝态，不受腐蚀。但随着建筑物质老化和环境污染加重等因素导致钢筋锈蚀，将会影响结构的承载能力，严重时甚至导致结构破坏，而钢筋的腐蚀检测/监测可以为钢筋混凝土结构的剩余载荷和结构的耐久性提供基础数据。因此，钢筋混凝土的腐蚀检测/监测有着重大的社会意义和经济效益。

有关混凝土中钢筋的腐蚀检测/监测方法较多，其中肉眼观察法和取样法是常用的传统方法，但存在着很大的局限性。表现在：(1)依赖肉眼外观检查与物理化学测试相结合，这样发现问题时往往为时已晚；(2)取样抽查方法因取样数量有限，不能反映整个混凝土结构腐蚀状况，而且对混凝土结构有不同程度的损坏。由于混凝土中钢筋的腐蚀是电化学过程，因此，能够对混凝土中钢筋的腐蚀进行无损测量的电化学腐蚀监测方法得到很大的重视和发展。

电化学方法中既简单、经济、易行又研究和应用得最早、最广泛的是钢筋半电池电位。其应用与解释在ASTM C876-91“混凝土中钢筋的原电池电位方法”中有详细描述。但半电池电位法只能判断钢筋的腐蚀状态，而不能得到钢筋的腐蚀速度。

为了获得钢筋的腐蚀速度，Dawson等提出了电化学阻抗谱方法测量混凝土中钢筋的腐蚀行为。一般情况下，电化学阻抗谱测量所需要的时间较长，又为了便于实施现场测量，人们还发展了两频率法的电化学阻抗测量技术。可采用的仪器复杂而昂贵，不便于实施大面积、现场的钢筋混凝土腐蚀监测。

中国专利CN 1471623A公开了一种用于实施钢强化结构用的可嵌入的腐蚀监视器，其特征包括了采用线性极化方法测量钢筋的极化电阻。若用这种方法测量金属的腐蚀速度，仍然需要估算腐蚀反应Stern系数B，然后根据公式Icorr＝B/Rp求得腐蚀电流密度Icorr。但就B值而言，钢筋处于不同的腐蚀状态下其数值变化很大，一般来说，这样求得的腐蚀电流密度常常存在很大的误差。并且这种技术在混凝土电阻率较高时腐蚀测量，并不能有效消除混凝土介质欧姆降的影响。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种可同时监测多点数据、测取数据快捷的混凝土中钢筋腐蚀监测装置，采用电荷脉冲极化方法测量混凝土中钢筋的腐蚀参数，通过定期监测这些参数的变化来监测钢筋的腐蚀变化，钢筋腐蚀参数测量方法是断电的测量方法，克服了线性极化测量技术容易受腐蚀介质高电阻率影响的缺点，并能够有效消除扩散过程对腐蚀测量的影响。

为了实现上述发明目的，本发明整机包括电荷脉冲极化模块、监测探头、传感器、调制解调器、腐蚀监测软件、GSM通讯模块、CPU控制模块和电源模块；上位机包括腐蚀监测软件；电源模块、电荷脉冲极化模块、CPU控制模块构成下位机。监测探头和传感器经导线与下位机的电解池电缆插座连接，下位机的数据输出端连接数据通讯端口，数据通讯可选择有线通讯或无线通讯模式；有线通讯模式采用RS232/RS485，下位机经RS-485接口、数据总线、RS-485/RS232转换接口与PC机的RS-232串行接口相连；无线通讯模式采用GSM移动公共网络，下位机经数据通讯端口经GSM通讯模块与上位机的调制解调器进行数据通讯，最终传输数据到上位机。其中所述的监测探头和传感器以及下位机为一组或一组以上，最多可取15组。

监测探头和传感器经导线与下位机的探头插座连接。探头插座再经过导线联接到电荷极化模块的电解池插座。电荷脉冲极化模块测试电路放大器A₁和A₂输出端分别联接标准电容器C₁～C₄的两端，开关K₁～K₄在导通时，电容器C₁～C₄充电；断开时电容器C₁～C₄给电解池放电。电解池插座的参比电极端联接运算放大器A₃正输入端，放大器A₃输出端与放大器A₄反向输入端相连，放大器A₄输出端经电阻器R₁₃与放大器A₆负输入端联接。放大器A₆输出端经开关K₆联接到模拟信号输出插座。模拟信号输出插座的三个插脚通过导线联接CPU控制模块信号输入端口，最终由CPU控制模块内部的12bit模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，输出到上位机。

本发明涉及的现场腐蚀监测装置下位机的CPU控制模块包括主控单元、程序存储器、数据存储器、串口转换电路、数据通讯端口、信号采集端口、开关量输入/输出(I/O)端口、模/数转换、数/模转换、并口扩展、日历时钟、E²PROM、看门狗电路构成，其中主控单元是一个低电压单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器，兼容标准MCS-51指令系统。看门狗电路是为了防止单片机程序执行过程中受到干扰陷入死循环。采用日历时钟芯片实现定时采集数据的功能。采用EEPROM为了存储一些重要的数据，并在断电时不丢失数据。

下位机的电荷脉冲极化模块包括：电解池插座、模拟信号输出插座、D/A输入端口、极化电压放大电路、电荷储存电路、腐蚀电位采样保持电路、信号调理电路。电荷脉冲极化模块之工作原理是：采用电容器C₁～C₄是贮存电荷的标准电容，在电荷脉冲极化开始之前通过K₁～K₄的控制来给每个标准电容都进行充电。极化电压的大小和标准电容的选择分为手动和自动两种模式。手动模式由上位机输入。上位机通过控制D/A输入端口的极化电压大小来调节标准电容上贮存电荷的数量，即上位机来控制极化电荷的多少。自动模式由监测软件控制电荷脉冲极化模块进行逐次试测，对最大过电位、有效数据的多少、电位衰减曲线末端的变化进行分析计算，来决定最佳的极化电荷和采样时间间隔等测试参数。电荷脉冲极化模块上有四个贮存电荷的标准电容，其标称值依次相差十倍，形成从低到高四种电荷极化范围。在测量开始的瞬间标准电容断电并向电解池放电，迅速地将贮存的已知数量的电荷极化监测探头，紧接着CPU控制模块记录其极化电位随时间的变化。

本发明的电路设计中，极化电压放大电路利用放大器A₁和A₂提高极化充电的瞬时电压，缩短充电过程中极化电荷的转移时间，减少溶液欧姆降的影响。腐蚀电位采样保持电路选用高输入阻抗和低失调偏置电流的运放以及低漏电电流的标准电容C₅，继电器K₅断开后，可保持其输出电压的变化＜0.3mV/100sec。利用腐蚀电位采样保持电路，可以方便地实现腐蚀电位自动跟踪和消除，避免利用D/A补偿除去腐蚀电位带来的数字电路和模拟电路之间的干扰问题，可大大简化了测试电路的设计。

本发明的腐蚀监测装置面板包括：探头插座、直流/交流选择开关、复位按钮、串行接口、保险管安装端口、电源插座。其中直流/交流选择开关控制监测装置的供电方式，交流电采用市电，直流电由6V蓄电池提供，蓄电池的正负极分别联接电源模块的输入端，由电源模块将直流电压增高至18V，然后输出至电荷脉冲极化模块的D/A输入端口。探头插座连接监测探头和传感器，监测探头通过三芯电缆，分别连接电解池插座的研究电极WE、参比电极RE和辅助电极CE；传感器包括pH电极、氯离子传感器。在任何情况下需中断测试或中断运行或出现异常，均可按复位按钮后重新开始。

现场腐蚀监测硬件单元包括埋设在混凝土中的监测探头、传感器、监测装置下位机以及GSM通讯模块。腐蚀监测装置的测量过程包括极化和不极化过程。极化过程是采用电荷脉冲极化方法，由主控单元调节和依次控制每个监测探头进行测量并采集数据。CPU芯片承担了电荷脉冲极化测量所有必需的计算，由程序存储器中的嵌入软件计算出腐蚀速率、Tafel斜率以及极化电阻R_p和界面电容C_d。不极化过程主要是测量钢筋的开路电位、混凝土pH值和混凝土中氯离子含量。开路电位通过研究电极和参比电极之间的电位差获得；氯离子传感器包括一个连接到Ag/AgCl电极和MnO₂电极的运算放大器。

测量的数据可以存储在数据存储器，或通过串口转换电路，经GSM通讯模块直接传送给上位机。

现场腐蚀监测装置下位机与控制室中的上位机的远程的无线网络通讯通过GSM通讯模块传输。上位机通过调制解调器实现测试参数的下传，来控制监测装置的下位机。

本发明所提供的金属腐蚀监测方法是断电测量，它克服了线性极化测量技术容易受混凝土高电阻率影响的缺点，并能够有效消除扩散过程对腐蚀测量的影响。本发明操作简单，远程监控功能可自动采集多点数据，降低了监测数据采集人员的劳动强度，大大提高工作效率。同时，本发明具有重量轻、体积小、省电等优点，可以采用多种供电方式，现场安装使用的适应性好。本发明能够应用于跨海大桥、港工码头、高层建筑、大坝、泄洪道、高塔等领域重要或重大的钢筋混凝土构筑物。另外，也可广泛用于石油、化工、土壤等领域中金属的腐蚀监测。

附图说明：

图1为本发明整机组成的原理框图。

图2为本发明的电荷脉冲极化模块测试电路原理示意图。

图3为本发明的CPU控制模块结构框图。

图4为本发明装置的面板结构示意图。

具体实施方式：

本发明的实施时，其整机结构包括电荷脉冲极化模块1、腐蚀监测装置2、监测探头3、传感器4、调制解调器5、上位机6、腐蚀监测软件7、GSM通讯模块8、CPU控制模块9、电源模块10、下位机11、电解池插座12、模拟信号输出插座13、D/A输入端口14、极化电压放大电路15、电荷储存电路16、腐蚀电位采样保持电路17、信号调理电路18、主控单元19、程序存储器20、数据存储器21、串口转换电路22、数据通讯端口23、信号采集端口24、开关量输入/输出(I/O)端口25、模/数转换26、数/模转换27、并口扩展28、日历时钟29、E²PROM30、看门狗电路31、CPU控制模块32、探头插座33、直流/交流选择开关34、复位按钮35、串行接口36、保险管安装端口37、电源插座38和腐蚀监测装置面板39。

本发明涉及的腐蚀监测装置2由下位机11、上位机6、腐蚀监测软件7和GSM通讯模块8以及被安装在现场的监测探头3、传感器4、调制解调器5组成。其中下位机11包括CPU控制模块9、电荷脉冲极化模块1、电源模块10。监测探头3和传感器4经导线与下位机11的电解池电缆插座连接。下位机11的数据输出端连接数据通讯端口，数据通讯选择无线通讯模式。

本发明的电荷脉冲极化模块1包括：电解池插座12、模拟信号输出插座13、D/A输入端口14、极化电压放大电路15、电荷储存电路16、腐蚀电位采样保持电路17、信号调理电路18。上位机6来控制极化电荷的多少，采用自动模式由监测软件控制电荷脉冲极化模块1进行逐次试测，对最大过电位、有效数据的多少、电位衰减曲线末端的变化进行分析计算，来决定最佳的极化电荷和采样时间间隔等测试参数。在测量开始的瞬间标准电容断电并向电解池放电，迅速地将贮存的已知数量的电荷极化监测探头3，紧接着CPU控制模块9记录其极化电位随时间的变化。

本发明的CPU控制模块32包括主控单元19、程序存储器20、数据存储器21、串口转换电路22、数据通讯端口23、信号采集端口24、开关量输入/输出(I/O)端口25、模/数转换26、数/模转换27、并口扩展28、日历时钟29、E²PROM 30、看门狗电路31构成。其中各部分的功能如下：

主控单元19是一个低电压AT89C52单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，兼容标准MCS-51指令系统。CPU I/O口分配的方式是：PO为数据/地址复用总线；P2为地址总线；P1.0为喂狗信号；P1.1为摘挂机控制；P1.2为8880时序控制端；P1.6和P1.7为I²C控制；INTO为A/D转换结束信号；INT1为时钟中断信号。由于CPU I/O口有限，本系统利用并口扩展PCF8574扩展I/O口，控制采集板继电器动作。

看门狗电路31是为了防止单片机程序执行过程中受到干扰陷入死循环。利用看门狗电路MAX1232实现监控。当系统软件崩溃后，MAX1232就在RST引脚产生一个复位的高脉冲，从而使系统软件进行恢复。

日历时钟芯片29采用PCF8563来完善系统功能，不仅为用户提供方便的日期与时间功能，而且可以实现定时采集数据的功能。

采用EEPROM 30为了存储一些重要的数据，并在断电时不丢失数据。24系列串行EEPROM采用了符合I²C总线协议的PCF8574芯片，占用I/O口线少，体积小，容量大，工作电压范围宽。

I/O及中断扩展28采用芯片PCF8574，它是CMOS电路，通过两条双向总线(I²C)可使大多数MCU实现远程I/O口扩展。该器件包含一个8位准双向口和一个I²C总线接口。PCF8574电流消耗很低，且输出锁存具有大电流驱动能力，可直接驱动继电器。

数/模转换27采用12bit DAC7512。而信号通过放大和调理后由模/数转换26通过AD574采样转换成数字量送入单片机，由单片机进行处理。

本发明的腐蚀监测装置面板39包括：探头插座33、直流/交流选择开关34、复位按钮35、串行接口36、保险管安装端口37、电源插座38。通过直流/交流选择开关34控制监测装置的供电方式采用市电。探头插座33连接监测探头和传感器，监测探头3通过三芯电缆，分别连接电解池插座12的研究电极WE、参比电极RE和辅助电极CE；传感器4采用一个Ag/AgCl电极与MnO₂电极参比电极形成电池。

测量的数据通过串口转换电路22，经GSM/TC35T通讯模块8直接传送给上位机6。

整个测量过程可分为三个步骤，即参数设置、采样和数据处理。参数设置包括探头号SA、电极面积AR、极化方式、测量间隔。SA的可选值为00、01、…、14、15；AR的单位为cm²；极化方式为阴极化或阳极化；测量间隔的可选时间间隔单位为分钟、小时和天。参数设置完成后，上位机将参数设置传递给下位机，装置开始测量混凝土钢筋的开路电位，当开路电位趋于稳定后，按回车键仪器即开始对被测体系进行电荷脉冲极化，同时记录研究电极电位随时间的变化。采样过程结束后，下位机11经数据通讯端口经GSM/TC35T通讯模块8与上位机7的调制解调器5进行数据通讯，将数据传输到上位机7。如果打算采用复杂的等效电路模型处理数据，则通过远程通讯控制下位机11上传过电位-时间原始数据，通过上位机6中腐蚀监测软件7的数据拟合功能进行曲线拟合。拟合计算结束后，得到的各种电化学参数显示在上位机6显示器上。

根据本发明装置的上述设置，对模拟等效电路进行了测量，其极化过电位衰减曲线及其拟合曲线显示符合发明的设计。测试的数据与理论拟合曲线有非常好的一致性。除了“零”采样点以外，溶液电阻不对极化幅度、过电位衰减曲线和拟合结果产生影响。因此，本发明能够消除研究电极和参比电极之间溶液电阻的影响。对于其中的模拟等效电路，电阻的标称值分别为670Ω、2000Ω和4630Ω，电容的标称值分别为100μF、47μF和4.7μF，考虑到一般电容器的实际值与标称值有一定的误差，我们采用电化学阻抗谱(EIS)方法对模拟电路进行校正，通过电荷脉冲极化与EIS的结果对比，两者之间电阻、电容测试的差别在5％以内，表明该测量装置具有良好的测试精度和可靠性。

本发明对钢筋混凝土实际腐蚀体系进行了监测。监测地点为五联跨钢管砼中承式肋拱桥的横梁部位的吊杆钢丝，大桥全长324米，拱轴线为二次抛物线，其主拱结构由拱肋、横向联接系、吊杆组成。每个吊杆为84根φ5高强镀锌钢丝，下端固定采用的是镦头锚的形式。采用本发明涉及的装置对横梁部位吊杆钢丝的腐蚀进行监测，同时评估钢筋阻锈剂对钢丝的缓蚀作用。现场监测的结果表明：阻锈剂对钢丝的腐蚀有明显的抑制效果；阻锈剂定期添加可以增强缓蚀作用。阻锈剂的缓蚀效果随钢丝原始腐蚀状态的加重而降低。

Claims

1.一种混凝土中钢筋腐蚀监测装置，包括电荷脉冲极化模块、监测探头、传感器、调制解调器、腐蚀监测软件、GSM通讯模块、CPU控制模块和电源模块，其特征在于电源模块、电荷脉冲极化模块、CPU控制模块构成下位机，上位机包括腐蚀监测软件；监测探头和传感器经导线与下位机的电解池电缆插座连接，下位机的数据输出端连接数据通讯端口，数据通讯选择有线通讯或无线通讯模式；有线通讯模式采用RS232/RS485，下位机经RS-485接口、数据总线、RS-485/RS232转换接口与PC机的RS-232串行接口相连；无线通讯模式采用GSM移动公共网络，下位机经数据通讯端口经GSM通讯模块与上位机的调制解调器进行数据通讯，最终传输数据到上位机；监测探头和传感器及下位机为1-15组。

2.根据权利要求1所述的混凝土中钢筋腐蚀监测装置，其特征在于电荷脉冲极化模块测试电路的放大器A₁和A₂的输出端分别联接电容器C₁～C₄的两端；电解池插座的参比电极端联接运算放大器A₃的正输入端，放大器A₃输出端与放大器A₄反向输入端相连，放大器A₄输出端经电阻器R₁₃与放大器A₆的负输入端联接；放大器A₆的输出端经开关K₆联接到模拟信号输出插座，模拟信号输出插座的三个插脚通过导线联接CPU控制模块的信号输入端口，最终由CPU控制模块内部的转换器将模拟信号转换成数字信号，输出到上位机。

3.根据权利要求1所述的混凝土中钢筋腐蚀监测装置，下位机的CPU控制模块包括主控单元、程序存储器、数据存储器、串口转换电路、数据通讯端口、信号采集端口、开关量输入/输出端口、模/数转换、数/模转换、并口扩展、日历时钟、看门狗电路构成，其特征在于主控单元是一个低电压单片机，片内含反复擦写的只读程序存储器和随机存取数据存储器，兼容标准指令系统。

4.根据权利要求1所述的混凝土中钢筋腐蚀监测装置，其特征在于上位机通过控制D/A输入端口的极化电压大小来调节标准电容上贮存电荷的数量，自动模式由监测软件控制电荷脉冲极化模块进行逐次试测，对最大过电位、有效数据的多少、电位衰减曲线末端的变化进行分析计算，决定极化电荷和采样时间间隔参数；电荷脉冲极化模块上有四个贮存电荷的电容，其标称值形成从低到高四种电荷极化范围。

5.根据权利要求1所述的混凝土中钢筋腐蚀监测装置，其特征在于极化过程采用电荷脉冲极化，主控单元调节和依次控制每个监测探头进行测量并采集数据；CPU芯片承担电荷脉冲极化测量的计算，由程序存储器中的嵌入软件计算出腐蚀速率、Tafel斜率以及极化电阻和界面电容；不极化过程测量钢筋的开路电位、混凝土pH值和混凝土中氯离子含量；开路电位通过研究电极和参比电极之间的电位差获得；氯离子传感器包括一个连接到Ag/AgCl电极和MnO₂电极的运算放大器。