CN102998341B - 一种钢束腐蚀程度测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢束腐蚀程度测试技术领域，具体公开了一种钢束腐蚀程度测试装置及其测试方法，所述的钢束腐蚀程度测试装置包括供电电源、数据处理系统、测试仪、温度传感器、被测钢束、1毫欧标准电阻、10毫欧标准电阻，所述供电电源给测试仪供电，所述测试仪收集温度传感器及被测钢束、1毫欧标准电阻、10毫欧标准电阻测得的数据，所述数据处理系统通过通讯接口接收所述的测试仪的数据进行处理，计算被测钢束的腐蚀度值，并输出显示。本发明能直观反映钢束腐蚀程度，能消除钢束温度系数的影响，测量热电势，测量仪器本身的温度漂移及初始误差，大大提高了测量精度、速度及灵敏度，增强了测试的稳定性和可靠性。

Description

一种钢束腐蚀程度测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及钢束腐蚀程度测试技术领域，具体涉及一种钢束腐蚀程度测试装置及其测试方法。

背景技术

目前，缆索支承体系桥梁索梁、索塔锚固区拉/吊索腐蚀状态的监/检测是困扰工程界的大问题。在国内外工程实践中，钢索的检测有多种方法，包括超声波、磁、射线等，各种方法应用于不同检测对象都具有自身的缺陷，如磁漏、电磁等方面测试时在缆索两头会产生端部效应。射线法的测试精度虽高，测试效果也较好，其缺陷是测试时间太长，而且使用安全风险很大。超声波测试需测试探头与被测体接触，限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢束腐蚀程度测试装置及其测试方法，其能直观反映钢束腐蚀程度，并能消除钢束温度系数的影响，测量热电势、测量仪器本身的温度漂移及初始误差。

为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案如下：一种钢束腐蚀程度测试装置，包括测试仪，与所述测试仪通过测试电缆连接的1毫欧标准电阻、10毫欧标准电阻以及被测钢束，与所述测试仪通过数据线连接的用于测量所述1毫欧标准电阻、10毫欧标准电阻以及被测钢束的温度的三个温度传感器，为所述的测试仪提供工作电源的供电电源以及与通过通信电缆接收所述测试仪的数据进行分析处理、计算被测钢束的腐蚀度值，并输出显示的数据处理系统。

所述的供电电源包括备用直流电源、用来为所述测试仪提供主电源以及为所述备用直流电源提供充电的主交流电源。

在所述的被测钢束中部位置设有一段腐蚀区域，在所述腐蚀区域两端设有用抗腐蚀材料覆盖的密封区域。

所述数据处理系统是内置有计算处理程序的计算机，通过RS-232通信电缆接收所述测试仪的数据进行分析处理。

所述测试仪包括一包含中央控制器、检测外部输入电压的电压检测器、参考电流控制器、RS-232接口、数据接口并与湿度传感器连接的主控制系统；所述数据接口连接高精度模拟数字转换器输出端，待测电阻切换开关、待测电阻极性控制电路、电压放大滤波电路依次连接后连接所述高精度模拟数字转换器一输入端；所述高精度模拟数字转换器另一输入端连接温度传感器信号调理电路输出端；所述的度传感器信号调理电路输入端接设温度传感接口；所述电压检测器连接电源稳压模块，所述电源稳压模块输出端经精密参考电压发生器、精密参考电流发生器连接至所述待测电阻切换开关，所述待测电阻切换开关还连接由所述参考电流控制器控制的待测电阻电流通断器；所述待测电阻切换开关择一地与待测钢束电路接口、1毫欧标准电阻接口、10毫欧标准电阻接口连接。

所述温度传感器由铂金属制成，其电阻阻值随温度呈近似线性变化，在0摄氏度阻值为100欧姆。

所述湿度传感器基本精度为±5%，输出数字信号。

所述1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻均采用高精度、低温度系数的标准电阻。

所述温度传感器及湿度传感器分别安装在所述的1毫欧标准电阻及10毫欧标准电阻内部1厘米范围内以及被测钢束中部1厘米范围内。

一种应用上述的钢束腐蚀程度测试装置测试钢束腐蚀程度的方法，包括以下步骤：

步骤一，标定标准电阻：将1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻送至标准局用高精度仪表标定，得到初始电阻值及温度特性曲线。由标定结果得到初步的标定公式：

1毫欧电阻与温度关系公式：

当温度t偏离20摄氏度时按下列公式计算

R_t＝R_2O[1+α(t-20)+β(t-20)²]，R₂₀=0.00100002欧姆，α=7.8×10^-6，β=-1.6×10^-6。

10毫欧电阻与温度关系公式：

当温度t偏离20摄氏度时按下列公式计算

R_t＝R_2O[1+α(t-20)+β(t-20)²]，R₂₀=0.0100002欧姆，α=6.3×10^-6，β=-1.8×10^-6；

步骤二，标定钢束温度系数：截取一段钢束放入恒温箱，测量在恒定温度下的电阻率，测量温度范围从零下20摄氏度到55摄氏度，测量温度步进0.5摄氏度，对测量数据进行拟合得到钢束阻值与温度关系公式，以0摄氏度的电阻率为基准，得到阻值与温度关系表格供后续步骤查询；

步骤三，将测试电缆的激励电流输入输出线缆焊接至被测钢束两端，将测试电缆的电压电缆焊接至所述的腐蚀区域的两边界处；放置好湿度传感器与温度传感器，将测试仪与所述湿度传感器与温度传感器通过数据线连接，与数据处理系统用通信电缆连接；

步骤四，开启测试仪，测试1毫欧标准电阻以及10毫欧标准电阻表面温度，根据对应的阻值-温度公式计算得到1毫欧标准电阻在当前温度下的实际阻值R₁以及10毫欧标准电阻在当前温度下的实际阻值R₂；

步骤五，用测试仪分别测试1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻的相应输出电压y₁、y₂，根据方程y_l＝kR₁++和y₂＝kR₂+b，得到测试仪的增益误差修正值k和偏置误差修正值b；

步骤六，测试被测钢束当前温度下输出电压y₃，根据方程y₃=kR₃+b计算得到被测钢束阻值R₃；调转测试电缆电流方向，测试被测钢束当前温度下输出电压y₄，根据方程y₄＝kR₄+b计算得到被测钢束的阻值R₄；(R₃+R₄)/2即为当前温度下的被测钢束的实际阻值；

步骤七，计算被测钢束在当前温度下的温度系数，即首先测量被测钢束当前的表面温度，然后查阅步骤二中生成的阻值与温度关系表格，得到相对于0摄氏度时钢束的电阻率的比例，从而消除钢束温度系数的影响；

步骤八，随着被测钢束发生腐蚀，被测钢束阻值R₀发生变化值ΔR，数据处理系统根据被测阻值变化值ΔR计算得到被测钢束腐蚀速率Δr，计算公式为：

其中，r₀是腐蚀前钢束的直径。

本发明采用测试电阻的方法，通过整体测量手段，可以直接测试钢束或通过测试与被测钢束处于同一工作条件的参考束的电阻变化判断被测钢束的腐蚀发展状况，能直观反映钢束腐蚀程度，并能消除钢束温度系数的影响，同时有效地减小测量热电势，测量仪器本身的温度漂移及初始误差，大大提高了测量精度、速度及灵敏度，增强了测试的稳定性和可靠性。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的钢束腐蚀程度测试装置的结构示意图。

图2所示为所示为本发明实施例提供的测试仪的结构示意图。

图3所示为本发明实施例提供的1毫欧标准电阻的结构示意图。

图4所示为本发明实施例提供的被测钢束的测试电缆的连接示意图。

图中：1、备用直流电源，2、主交流电源，3、数据处理系统，4、测试仪，5、温度传感器，6、湿度传感器，7、被测钢束，8、1毫欧标准电阻，9、10毫欧标准电阻，10、外部电源输入接口，11、电源稳压模块，12、精密参考电压发生器，13、精密参考电流发生器，14、待测电阻切换开关，15、待测钢束接口，16、10毫欧标准电阻接口，17、1毫欧标准电阻接口，18、待测电阻电流通断控制，19、待测电阻极性控制器，20、电压放大滤波电路，21、高精度模拟数字转换器，22、温度传感器信号调理电路，23、温度传感器接口，24、湿度传感器，25、参考电流控制器，26、数据接口，27、电压检测器，28、中央控制器，29、RS-232通信接口，30、仪器插座，31、仪器插头，32、激励电流输入连接线，33、激励电流返回连接线，34、电压检测正连接线，35、电压检测负连接线，36、钢束右侧固定部分，37、钢束左侧固定部分，38、钢束第一密封区域，39、钢束腐蚀区域，40、钢束第二密封区域，41、标准电阻激励电流输入连接点，42、标准电阻电压检测正连接点，43、标准电阻电压检测负连接点，44、标准电阻激励电流返回连接点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

参见图1，该图示出了本发明实施例提供的钢束腐蚀程度测试装置的结构。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例有关的部分。

一种钢束腐蚀程度测试装置，包括数据处理系统3、测试仪4以及给所述的测试仪4供电的供电电源、与所述的测试仪4通过数据线连接的三个温度传感器5、三个湿度传感器6、与所述的测试仪4通过测试电缆连接的被测钢束7、与所述的测试仪通过接口连接的1毫欧标准电阻8、10毫欧标准电阻9，所述测试仪4收集所述的三个温度传感器5，三个湿度传感器6及被测钢束7以及所述的1毫欧标准电阻8、10毫欧标准电阻9测得的数据，所述数据处理系统3通过通讯电缆接收所述的测试仪4收集的数据，进行分析处理、计算被测钢束7的腐蚀度值，并输出显示。

所述的供电电源包括备用直流电源1、主交流电源2，所述备用直流电源1和主交流电源2给测试仪4供电。

所述主交流电源2是一个将220交流电压转化成12V/2A的直流电的交流-直流变换装置，用来为测试仪4提供主电源，以及为备用直流电源1提供充电。

所述的备用直流电源1是由一个12V/4000mAh的锂电池及其附属的稳压电路和充电电路组成的子系统，用于在主电源2无效的情况下为所述的测试仪4提供电源。

所述的数据处理系统3是台式计算机，或便携式计算机，内置有数据处理软件，其通过波特率为9600bps的RS-232接口接收测试仪4的数据并对其进行分析处理，计算得到被测钢束腐蚀程度，并对结果进行显示、存储及打印。

参见图2所示，所述的测试仪4包括所述测试仪包括一包含中央控制器28、检测外部输入电压的电压检测器27、参考电流控制器25、RS-232通信接口29、数据接口26并与湿度传感器24连接的主控制系统；所述数据接口26连接高精度模拟数字转换器21输出端，待测电阻切换开关14、待测电阻极性控制电路19、电压放大滤波电路20依次连接后连接所述高精度模拟数字转换器21一输入端；所述高精度模拟数字转换器21另一输入端连接温度传感器信号调理电路22输出端；所述的度传感器信号调理电路22输入端接设温度传感接口23；所述电压检测器27连接电源稳压模块11，所述电源稳压模块11输入端接外部电源输入接口10，输出端经精密参考电压发生器12、精密参考电流发生器13连接至所述待测电阻切换开关14，所述待测电阻切换开关14还连接由所述参考电流控制器控制25的待测电阻电流通断器18；所述待测电阻切换开关14择一地与待测钢束电路接口15、1毫欧标准电阻接口17、10毫欧标准电阻接口16连接。

所述温度传感器5是一种铂金属制成的传感器，其电阻阻值随温度呈近似线性变化，在0摄氏度阻值为100欧姆。本发明装置中一共有三个温度传感器，一个用来测试被测钢缆的温度，安装在被测钢缆中部，一个用来测试1毫欧标准电阻8的温度，安装在1毫欧标准电阻8内部，一个用来测试10毫欧标准电阻9的温度，安装在10毫欧标准电阻9内部。

所述湿度传感器6用来探测检测环境的湿度，基本精度为±5%，输出为数字信号，中央控制器28可以通过通信接口直接读取湿度值。本发明装置中一共设有三个湿度传感器，一个用来测试被测钢缆的湿度，安装在被测钢缆中部，一个用来测试1毫欧标准电阻8的湿度，安装在1毫欧标准电阻8内部，一个用来测试10毫欧标准电阻9的湿度，安装在10毫欧标准电阻9内部。

参见图3所示，所述1毫欧标准电阻8包括高精度、低温度系数的标准电阻45及其附属标准电阻激励电流输入连接点41，标准电阻电压检测正连接点，42，标准电阻电压检测负连接点43、标准电阻激励电流返回连接点44。

所述10毫欧标准电阻9和所述1毫欧标准电阻8的结构相同。

参见图4所示，在所述的被测钢束7中间位置设有腐蚀区域39、位于所述的腐蚀区域39两侧分别设有第一密封区域38、第二密封区域40、在被测钢束右端设有右端固定部分36、左端设有左端固定部分37；所述钢束左、右两端固定部分37、36为球状突起，用于与夹具紧密接触；所述的腐蚀区域39为裸露的用于腐蚀的区域，所述第一密封区域38、第二密封区域40是被测钢束中除了左、右两端固定部分36、37和腐蚀区域39的部分，表面覆以抗腐蚀的树脂材料；被测钢束7通过仪器插座30与仪器插头31连接测试仪4，所述的仪器插头31连接与被测钢束连接的激励电流输入连接线32、激励电流返回连接线33、电压检测正连接线34、电压检测负连接线35；所述的仪器插座30为4线镀金航空插座，用于减少接触电阻和热电势差。

本发明的目的还在于提供一种采用前述的钢束腐蚀测试装置进行钢束腐蚀测试方法，包括以下步骤：

步骤一，标定标准电阻

将1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻送至标准局用高精度仪表（精度优于0.001%）标定，得到初始电阻值及温度特性曲线。由标定结果得到初步的标定公式：

1毫欧电阻与温度关系公式：

当温度t偏离20摄氏度时按下列公式计算R_t＝R_2O[1+α(t-20)+β(t-20)²]

其中，R₂₀=0.00100002欧姆，α=7.8×10^-6，β=-1.6×10^-6。

10毫欧电阻与温度关系公式：

当温度t偏离20摄氏度时按下列公式计算R_t＝R_2O[1+α(t-20)+β(t-20)²]

其中，R₂₀=0.0100002欧姆，α=6.3×10^-6，β=-1.8×10^-6。

步骤二，标定钢束材料的温度系数

截取一段30厘米，直径5毫米的钢束，将其放入恒温箱，测量在恒定温度下的电阻率。测量温度范围从零下20摄氏度到55摄氏度，测量温度步进0.5摄氏度，对测量数据进行拟合，得到钢束阻值与温度关系公式。根据阻值与温度关系公式进行步进为0.1摄氏度的插值运算，以0摄氏度的电阻率为基准，得到如下的阻值与温度关系表格，供后续步骤查询；

步骤三，处理并连接被测钢束

将测试电缆的激励电流输入输出线缆焊接至钢束两端的球状突起处，在钢束中部取出10厘米长度区域作为腐蚀区域，将测试电缆的电压电缆焊接至此区域的两个边界处；焊接点直径小于1毫米，方向与钢束表面垂直，将钢缆除腐蚀区域以外部分，用厚度不小于1毫米的抗腐蚀的树脂覆盖；

步骤四，将三个温度传感器分别安装到1毫欧标准电阻内部1厘米范围内、10毫欧标准电阻内部1厘米范围内以及被测钢束中部1厘米范围内，将传感器数据线连接到测试仪，用测试电缆将1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻的连接至测试仪，用RS-232通信电缆将测试仪和数据处理系统连接起来；连接测试仪电源线，打开系统电源开关；

步骤五，测试1毫欧标准电阻的表面温度，根据其阻值-温度公式计算得到1毫欧标准电阻在当前温度下的实际阻值R₁，用同样的方法得到10毫欧标准电阻在当前温度下的实际阻值R₂。

步骤六，用测试仪分别测试1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻的相应输出电压y₁、y₂，根据方程y₁＝kR₁+b和方程y₂＝kR₂+b，解方程计算得到测试仪的增益误差修正值k和偏置误差修正值b；

步骤七，用测试仪测试被测钢束的当前温度下输出电压y₃，根据方程y₃＝kR₃+b可以计算得到被测钢束的阻值R₃；调转测试电缆电流方向，测试被测钢束的当前温度下输出电压y₄，根据方程y₄＝kR₄+b计算得到被测钢束的阻值R₄；(R₃+R₄)/2即为当前温度下的被测钢束的实际阻值；通过此步骤，可以消除被测钢束两端由于温度差异造成的热电势差；

步骤八，计算被测钢缆在当前温度下的温度系数；即首先测量被测钢束当前的表面温度，然后查阅步骤二中生成的表格，得到相对于0摄氏度时钢束的电阻率的比例，从而可以消除钢束温度系数的影响；

步骤九，随着被测钢束发生腐蚀，被测钢束阻值R₀发生变化值ΔR，数据处理系统根据被测阻值变化值ΔR计算得到被测钢束腐蚀速率Δr，计算公式为：

其中，r₀是腐蚀前钢束的直径。

本发明采用整体式测量手段，能直观反映钢束腐蚀程度，并能消除钢束温度系数的影响，测量热电势、测量仪器本身的温度漂移及初始误差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，包括测试仪，与所述测试仪通过测试电缆连接的1毫欧标准电阻、10毫欧标准电阻以及被测钢束，与所述测试仪通过数据线连接的用于测量所述1毫欧标准电阻、10毫欧标准电阻以及被测钢束的温度的三个温度传感器，为所述的测试仪提供工作电源的供电电源以及与通过通信电缆接收所述测试仪的数据进行分析处理、计算被测钢束的腐蚀度值，并输出显示的数据处理系统； 

在所述的被测钢束中部位置设有一段腐蚀区域，在所述腐蚀区域两端设有用抗腐蚀材料覆盖的密封区域。 

2.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述的供电电源包括备用直流电源、用来为所述测试仪提供主电源以及为所述备用直流电源提供充电的主交流电源。 

3.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述的被测钢束的两端设有用于与夹具紧密接触的固定部。 

4.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述数据处理系统是内置有计算处理程序的计算机，通过RS-232通信电缆接收所述测试仪的数据进行分析处理。 

5.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述测试仪包括一包含中央控制器、检测外部输入电压的电压检测器、参考电流控制器、RS-232接口、数据接口的主控制系统；所述数据接口连接高精度模拟数字转换器输出端，待测电阻切换开关、待测电阻极性控制电路、电压放大滤波电路依次连接后连接所述高精度模拟数字转换器一输入端；所述高精度模拟数字转换器另一输入端连接温度传感器信号调理电路输出端；所述的温度传感器信号调理电路输入端接设温度传感接口；所述电压检测器连接电源稳压模块，所述电源稳压模块输出端经精密参考电压发生器、精密参考电流发生器连接至所述待测电阻切换开关，所述待测电阻切换开关还连接由所述参考电流控制器控制的待测电阻电流通断器；所述待测电阻切换开关择一地与待测钢束电路接口、1毫欧标准电阻接口、10毫欧标准电阻接口连接。 

6.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述温度传感器由铂金属制成，其电阻阻值随温度呈近似线性变化，在0摄氏度阻值为100 欧姆。 

7.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻均采用高精度、低温度系数的标准电阻。 

8.根据权利要求1所述的钢束腐蚀程度测试装置，其特征在于，所述温度传感器分别安装在所述的1毫欧标准电阻及10毫欧标准电阻内部1厘米范围内以及被测钢束中部1厘米范围内。 

9.一种应用权利要求1-8任意一项所述的钢束腐蚀程度测试装置测试钢束腐蚀程度的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

步骤一，标定标准电阻：将1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻送至标准局用高精度仪表标定，得到初始电阻值及温度特性曲线； 

由标定结果得到初步的标定公式： 

1毫欧电阻与温度关系公式： 

当温度t偏离20摄氏度时按下列公式计算 

R_t＝R₂₀[1+α(t-20)+β(t-20)²]，R₂₀=0.00100002欧姆，α=7.8×10^-6，β=-1.6×10^-6； 

10毫欧电阻与温度关系公式： 

当温度t偏离20摄氏度时按下列公式计算 

R_t＝R₂₀[1+α(t-20)+β(t-20)²]，R₂₀=0.0100002欧姆，α=6.3×10^-6，β=-1.8×10^-6； 

步骤二，标定钢束温度系数：截取一段钢束放入恒温箱，测量在恒定温度下的电阻率，测量温度范围从零下20摄氏度到55摄氏度，测量温度步进0.5摄氏度，对测量数据进行拟合得到钢束阻值与温度关系公式，以0摄氏度的电阻率为基准，得到阻值与温度关系表格供后续步骤查询； 

步骤三，将测试电缆的激励电流输入输出线缆焊接至被测钢束两端，将测试电缆的电压电缆焊接至所述的腐蚀裸露区域的两边界处；放置好湿度传感器与温度传感器，将测试仪与所述湿度传感器与温度传感器通过数据线连接，与数据处理系统用通信电缆连接； 

步骤四，开启测试仪，测试1毫欧标准电阻以及10毫欧标准电阻表面温度，根 据对应的阻值-温度公式计算得到1毫欧标准电阻在当前温度下的实际阻值R₁以及10毫欧标准电阻在当前温度下的实际阻值R₂； 

步骤五，用测试仪分别测试1毫欧标准电阻和10毫欧标准电阻的相应输出电压y₁、y₂，根据方程y₁＝kR₁+b和y₂＝kR₂+b，得到测试仪的增益误差修正值k和偏置误差修正值b； 

步骤六，测试被测钢束当前温度下输出电压y₃，根据方程y₃＝kR₃+b计算得到被测钢束阻值R₃；调转测试电缆电流方向，测试被测钢束当前温度下输出电压y₄，根据方程y₄＝kR₄+b计算得到被测钢束的阻值R₄；(R₃+R₄)/2即为当前温度下的被测钢束的实际阻值； 

步骤七，计算被测钢束在当前温度下的温度系数，即首先测量被测钢束当前的表面温度，然后查阅步骤二中生成的阻值与温度关系表格，得到相对于0摄氏度时钢束的电阻率的比例，从而消除钢束温度系数的影响； 

步骤八，随着被测钢束发生腐蚀，被测钢束阻值R₀发生变化值ΔR，数据处理系统根据被测阻值变化值ΔR计算得到被测钢束腐蚀速率Δr，计算公式为： 

其中，r₀是腐蚀前钢束的直径。