CN104807871A - 一种动态电化学测试装置及其连接方法 - Google Patents

Abstract

一种动态电化学测试装置及其连接方法，包括三电极系统、恒电位仪、传动轴、试样夹持盘、动态连接池。所述的动态连接池设置有引出环、容纳电解质溶液的容器、接线柱及电针。电化学的电流、电压等信号通过试样夹持盘内的三电极系统与中空传动轴的导线传递到容器底部的接线柱，接线柱与容器底部内侧的引出环连接，进而通过电解质溶液与电针连接，最后电化学信号传递到恒电位仪。由于试验过程中容器随传动轴一起转动，电针始终与引出环保持良好的接触，加之三电极集成安装，在试验过程中的相对位置保持稳定，从而消除旋转状态下由于电极相对距离变化产生的电化学信息波动，实现试验过程中待测试样的电化学信号稳定可靠传输，真实反映了试验过程中待测试样的电化学腐蚀情况及磨蚀性能。

Description

一种动态电化学测试装置及其连接方法

技术领域

本发明属于电化学测试领域，具体涉及一种动态电化学测试装置及其连接方法。

背景技术

在疏浚航道、围海造陆领域以及矿浆输送、化工、电厂等行业中广泛存在多相流介质对材料的磨蚀问题。材料的磨蚀破坏是腐蚀和磨损共同作用的结果，所以电化学测试技术是准确评价材料在多相流介质环境下磨蚀性能不可或缺的手段。

在采用管流式或喷射式试验装置测试材料磨蚀过程中试样保持静止，所以不存在电化学测试系统的动态连接问题。但管流式试验装置的整套系统占据空间大，实验所需溶液量大，实验周期长，循环泵需要持续运转.还有泵阀的可靠性以及如何防止泄漏问题，使得整套装置的费用和实验费用都很高。此外，该类试验装置主要适用于固体颗粒含量极低的介质，否则易引起管道堵塞；而喷射式试验装置中的冲刷比实际严重，与泵、管道的实际冲刷腐蚀条件有一定差距，而且存在喷嘴易堵塞问题。所以这两种试验装置的应用受到限制。

除了上述两种方法外，旋转式运动试验法也是测试材料磨蚀性能的主要方法，且试验介质的构成不受颗粒粒径、数量的限制，测量结果为相对磨蚀性。但由于试样处于旋转状态，电化学测试难度较高。2011年8月公开的专利“一种模拟管道内壁冲刷腐蚀的旋转式实验装置”(专利号2010206788306.X)、2010年3月公开的专利“动态流体介质中的电化学行为测试装置”(专利号CN200820153330.4)和2007年公开的专利“一种应用于旋转式单相冲蚀试验的电化学测试方法”(专利号CN200710068213.8)均采用电刷的方式实现电化学信号的传递。其中专利CN200710068213.8中工作电极12放置于容器内壁上，其外表面与内壁面3平齐，并与旋转圆盘测试包覆一层不锈钢或白金的辅助电极13在同一水平面上；旋转圆盘侧面分别在0°、90°、180°和270°位置上开孔，导线通过这些孔交汇于旋转圆盘与传动轴中心孔异端与铜环-碳刷4连接，铜环-碳刷通过导线与恒电位仪11连接；参比电极7一端通过盐桥8连接鲁金毛细管9，另一端连接到恒电位仪11上。

而专利CN200820153330.4中的工作电极21、辅助电极24、参比电极22和流速探头24集中安装，均通过电刷支架2实现与电化学测试系统13的连接；专利2010206788306.中旋转的工作电极15通过试样夹具8上通孔内设置的铜球17、弹簧16与不锈钢棒20的一端连接，进而通过转接头5内部的铜螺母13与转动轴1端部连接，传动轴1上部设有碳刷10，实现与电化学测试设备的连接。

上述三个专利中的铜环-碳刷结构具体为：传递电化学信号的导线通过中空的转动轴与固定在传动轴外壁的铜环连接，铜环外侧对称布置多个石墨块，石墨块借助弹簧的压力紧紧贴近铜环，从而保证铜环与碳刷的实时接触，将电化学信号传递到电化学控制终端(如恒电位仪)中。铜环-碳刷装置的不足之处是铜环与电刷之间靠施加外力实现接触，铜环随传动轴转动后二者之间存在摩擦而产生噪音并对所传递的电化学信号产生干扰，同时试验过程中试样旋转变化也影响电压、电流的稳定性。此外，试验过程中石墨块受铜环的摩擦将产生磨损，弹簧压力降低，导致石墨块与铜环的接触将逐渐松弛，极易引起电化学信号波动甚至电化学测试的中断以及电流、电压的失稳，这直接影响电化学信息的可靠性。同时，专利中2010206788306.所述的电化学测试系统所述三电极的相对位置在试验过程周期性变化，也将导致电化学信号的波动。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种动态电化学测试装置及其连接方法，本发明的具体技术方案如下：

一种动态电化学测试装置，包括三电极系统、恒电位仪、传动轴、试样夹持盘，其特征在于：

所述的动态电化学测试装置还包括动态连接池；

所述的动态连接池包括电解质溶液、容纳电解质溶液的容器、接线柱、引出环及电针；

所述的容纳电解质溶液的容器固定于传动轴上；

所述的引出环设置于容纳电解质溶液的容器底内侧，并与接线柱一侧连接；

所述的接线柱固定于容纳电解质溶液的容器底部，接线柱的另一侧连接传动轴内的导线；

所述的电针一端连接恒电位仪，另一端与引出环以相对静止并距引出环处处相等的方式固定；

所述的电针另一端与引出环及接线柱形成电化学信号通过的通路；

所述的传动轴为中空结构，外部套设绝缘套，中空部为导线走线空间。

根据本发明的一种动态电化学测试装置，其特征在于：

所述的容纳电解质溶液的容器为环形燕尾杯；

所述的引出环为圆形结构，所述的电针设置于引出环的中心位置；

所述的电针为细长的圆棒。

根据本发明的一种动态电化学测试装置，其特征在于：所述的电针另一端距引出环8—22mm。

根据本发明的一种动态电化学测试装置，其特征在于：

所述的三电极系统包括工作电极、辅助电极及参比电极；

所述的工作电极、辅助电极及参比电极集成安装于试样夹持盘；

所述的试样夹持盘至少包含有环形槽、线路槽及条状槽；

所述的工作电极对称安设于试样夹持盘上；

所述的辅助电极设置于环形槽内；

所述的参比电极嵌设于条状槽内；

所述的工作电极与辅助电极均通过线路槽与传动轴内的导线连接；

所述的参比电极通过传动轴内的导线连接到动态连接池；

所述的三电极系统通过工作电极、工作电极与传动轴内的导线连接以及参比电极通过传动轴内的导线连接到动态连接池实现三电极系统与恒电位仪间的电化学信号传输。

根据本发明的一种动态电化学测试装置，其特征在于：所述的辅助电极外侧与工作电极相距9-11mm；所述的参比电极与工作电极相距0.5-2.5mm。

根据本发明的一种动态电化学测试装置，其特征在于：

所述的动态电化学测试装置还包括有外置测速仪、测速探头及测速仪接线板；

所述的测速探头安设于试样夹持盘上，并通过测速仪接线板连接外置测速仪，实时监测试样与介质的相对速度。

一种动态电化学测试的连接方法，用于实现三电极系统与恒电位仪之间电化学信号的传输，涉及三电极系统、动态电化学测试装置及恒电位仪之间的连接，包括连接用传动轴，若干导线，试样夹持盘，集成设于试样夹持盘上的工作电极、辅助电极及参比电极，设置于容器底内侧的引出环，并与接线柱一侧连接，固定于容器底部的接线柱，电针，容纳电解质溶液的容器，测速探头，三电极接线板，恒电位仪，其特征在于，所述连接方法具体如下：

S1：将容纳电解质溶液的容器以可随传动轴一起转动的方式固定于传动轴上；

S2：将电针固定于三电极接线板，电针一端以与引出环相距8-22mm的距离并相对于引出环处处相等的方式插至电解质溶液中，电针的另一端电连接至恒电位仪；

S3：将三电极系统中的辅助电极以与工作电极相距9-11mm的距离设置于试样夹持盘上的环形槽内；

S4：将三电极系统中的参比电极以与工作电极相距0.5-2.5mm的距离嵌设于试样夹持盘上的条状槽内；

S5：将流速探头嵌设于试样夹持盘上。

根据本发明的一种动态电化学测试的连接方法，其特征在于：所述的工作电极对称安设于试样夹持盘上。

根据本发明的一种动态电化学测试的连接方法，其特征在于：所述的容纳电解质溶液的容器为环形燕尾杯，所述的引出环为圆形结构，所述的电针设置于引出环的中心位置。

本发明的一种动态电化学测试装置及其连接方法主要用于旋转型磨蚀试验机对固液双相流介质或多相流介质中的磨蚀性能测试。摒弃了目前同类设备所采用的固体滑动接触方式，利用液体形状任意可变的特点，实现了动态条件下的电化学连接。利用该动态测试装置，可以方便、可靠的实现对材料磨蚀性能测试过程中待测试样电化学信号的采集及电流电压的控制，从而分析磨蚀失效过程中腐蚀、磨损及其交互作用的分量，有利于磨蚀影响因素的确定及磨蚀机理的研究分析，为磨蚀新材料的研制及选用提供依据。

附图说明

图1为本发明的整体安装效果示意图；

图2为本发明中的动态连接池结构示意图；

图3为本发明中的三电极分布示意图。

图中，1为中空的传动轴；2为动态连接池；3为轴内导线；4为绝缘套；5为试验盖板；6为三电极系统；7为三电极接线板；8为测试仪接线板；9为环形燕尾杯；10为电解质溶液；11为电针；12为接线柱；13为引出环；14为试验筒；15为试样夹持盘；16为工作电极；17为测速探头；18为辅助电极；19为线路槽；20为参比电极。

具体实施方式

下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种动态电化学测试装置及其连接方法作进一步具体说明。

技术方案：

一种动态电化学测试装置，包括三电极系统、恒电位仪、传动轴、试样夹持盘及动态连接池；所述的动态连接池包括电解质溶液、容纳电解质溶液的容器、接线柱、引出环及电针；所述的容纳电解质溶液的容器固定于传动轴上；所述的引出环设置于容纳电解质溶液的容器底内侧，并与接线柱一侧连接；所述的接线柱固定于容纳电解质溶液的容器底部，接线柱的另一侧连接传动轴内的导线；所述的电针一端连接恒电位仪，另一端与引出环以相对静止并距引出环处处相等的方式固定；所述的电针另一端与引出环及接线柱形成电化学信号通过的通路；所述的传动轴为中空结构，外部套设绝缘套，中空部为导线走线空间。

进一步地，所述的容纳电解质溶液的容器为环形燕尾杯；所述的引出环为圆形结构，所述的电针设置于引出环的中心位置；所述的电针为细长的圆棒。

进一步地，所述的电针另一端距引出环8—22mm。

进一步地，所述的三电极系统包括工作电极、辅助电极及参比电极；所述的工作电极、辅助电极及参比电极集成安装于试样夹持盘。

进一步地，所述的试样夹持盘至少包含有环形槽、线路槽及条状槽；所述的工作电极对称安设于试样夹持盘上；所述的辅助电极设置于环形槽内；所述的参比电极嵌设于条状槽内；所述的工作电极与辅助电极均通过线路槽与传动轴内的导线连接；所述的参比电极通过传动轴内的导线连接到动态连接池；所述的三电极系统通过工作电极、工作电极与传动轴内的导线连接以及参比电极通过传动轴内的导线连接到动态连接池实现三电极系统与恒电位仪间的电化学信号传输。

进一步地，所述的辅助电极外侧与工作电极相距9-11mm；所述的参比电极与工作电极相距0.5-2.5mm。

进一步地，所述的动态电化学测试装置还包括有外置测速仪、测速探头及测速仪接线板；所述的测速探头安设于试样夹持盘上，并通过测速仪接线板连接外置测速仪，实时监测试样与介质的相对速度。

进一步地，所述的电解质溶液为PH值9-11的碱性溶液。

进一步地，所述的电针、引出环及接线柱均为银材质。

一种动态电化学测试的连接方法，用于实现三电极系统与恒电位仪之间电化学信号的传输，涉及三电极系统、动态电化学测试装置及恒电位仪之间的连接，包括连接用传动轴，若干导线，试样夹持盘，集成设于试样夹持盘上的工作电极、辅助电极及参比电极，设置于容器底内侧的引出环，并与接线柱一侧连接，固定于容器底部的接线柱，电针，容纳电解质溶液的容器，测速探头，三电极接线板，恒电位仪，具体如下：

S1：将容纳电解质溶液的容器以可随传动轴一起转动的方式固定于传动轴上；

S2：将电针固定于三电极接线板，电针一端以与引出环相距8-22mm的距离并相对于引出环处处相等的方式插至电解质溶液中，电针的另一端电连接至恒电位仪；

S3：将三电极系统中的辅助电极以与工作电极相距9-11mm的距离设置于试样夹持盘上的环形槽内；

S4：将三电极系统中的参比电极以与工作电极相距0.5-2.5mm的距离嵌设于试样夹持盘上的条状槽内；

S5：将流速探头嵌设于试样夹持盘上。

进一步地，所述的工作电极对称安设于试样夹持盘上。

进一步地，所述的容纳电解质溶液的容器为环形燕尾杯，所述的引出环为圆形结构，所述的电针设置于引出环的中心位置。

优点如下：

本发明的一种动态电化学测试装置及其连接方法主要用于旋转型磨蚀试验机对固液双相流介质或多相流介质中的磨蚀性能测试。摒弃了目前同类设备所采用的固体滑动接触方式，利用液体形状任意可变的特点，实现了动态条件下的电化学连接。利用该动态测试装置，可以方便、可靠的实现对材料磨蚀性能测试过程中待测试样电化学信号的采集及电流电压的控制，从而分析磨蚀失效过程中腐蚀、磨损及其交互作用的分量，有利于磨蚀影响因素的确定及磨蚀机理的研究分析，为磨蚀新材料的研制及选用提供依据。同时，该电化学测试的动态连接方法及装置也可以用于其它多相介质环境中的磨蚀测试，如水厂、大坝中水轮机过流部件等。

该动态电化学测试装置借助动态连接池实现了旋转状态下电化学信号的传输，所采用的中介介质为导电性能良好的碱性电解质溶液，且旋转的引出环与静止电针之间的距离始终保持不变，从而在旋转状态下仍保证电化学信号的稳定，解决了采用铜环-碳刷连接方式容易产生的噪音、干扰及电流、电压的不稳定问题。

同时，该动态电化学测试装置中的三电极体系采用集成安装的形式固定在夹持盘内，其相对位置在试验过程中保持不变，解决了目前其它类似试验装置中存在的由于电极相对位置或有效面积变动而产生的介质电阻、电流和电压的波动，消除其对测量结果的影响。特别是集成安装电极体系与动态连接池动态连接方法相配合，解决了电化学信号从输入到输出全过程的稳定，最大限度的降低了试样旋转、介质流动引起的电流、电压波动，从而有效测试材料在动态多相流介质中的电化学信息及其磨蚀性能的变化情况。

而且，本动态电化学测试装置中还在夹持盘上设置了测速探头，能够实时测定实验流体介质的实际流速，且该探头随夹持盘共同运动，所测速度为介质与待测试样之间真实的相对速度。由此可准确评价流体速度与材料磨蚀性能之间的对应关系，进而分析速度对材料磨蚀性能的影响，促进磨蚀失效机理的研究。

具体实施方式：

如图1、2、3所示的一种动态电化学测试装置及其连接方法，可用于多相流介质条件下旋转式腐蚀磨损试验机的电化学特性测试，从而有助于各种耐磨损、磨蚀材料的磨蚀性能对比、材料筛选试验以及磨蚀机理研究等。

实施例：

本实施例涉及的动态电化学测试装置包括中空的传动轴(1)；动态连接池(2)；轴内导线(3)；绝缘套(4)；试验盖板(5)；三电极系统(6)；三电极接线板(7)；测试仪接线板(8)；环形燕尾杯(9)；电解质溶液(10)；电针(11)；接线柱(12)；引出环(13)；试验筒(14)；试样夹持盘(15)；工作电极(16)；测速探头(17)；辅助电极(18)；线路槽(19)；参比电极(20)。动态连接池(2)的环形燕尾杯(9)固定在传动轴(1)上，主要包括电针(11)、引出圆环(13)和接线柱(12)。动态连接池内注入导电的电解质溶液，实现电针与引出圆环的连接。

三电极系统(6)采用集成方式安装在试样夹持盘(15)中，其中辅助电极(18)为环状铂丝，放置于距离工作电极(16)(待测试样)约10mm的环形槽内，工作电极与辅助电极均通过线路槽(19)与传动轴(1)内的导线(3)连接；参比电极(20)安置于夹持盘(15)的长条状沟槽内，末端距离工作电极(16)约1-2mm，另一端通过传动轴(1)内的导线(3)连接到动态连接池(2)。最终三电极系统(6)通过动态连接池(2)与三电极接线板(7)连接。

流速探头(17)同样嵌入试样加持盘(15)中，并以同样的方式通过动态连接池(2)连接到测试仪接线板(8)。

本发明的动态电化学测试装置的工作原理及工作过程如下：

向四个动态连接池(连接池的数目根据实际情况增减)中注入导电的电解质溶液，溶液深度超过环形燕尾杯的腰部，但不得超过燕尾杯上口的竖直外侧板下端(保持2mm以上间距)；将工作电极(待测试样)经清洁、干燥、称重后安装在加持盘上；随后向试验筒内加入多相介质，深度超过夹持盘20mm以上。随后将三电极系统通过三电极接线板连接到外置的恒电位仪上，同时将测速探头同样通过测速仪接线板连接外置测速仪。最后根据试验要求设定试验时间、试验速度、电压、电流等试验参数，进行多相流介质条件下的磨蚀测试试验及电化学信息数据采集。

试验过程中，电化学的电流、电压等电化学信号通过夹持盘内的三电极体系与中空传动轴的导线传递到环形燕尾杯底部的接线柱，接线柱与燕尾杯底部内侧的引出圆环连接，进而通过电解质溶液与电针连接，最后电化学信号传递到恒电位仪。试验过程中环形燕尾杯随传动轴一起转动，电针虽然处于静止状态但由于燕尾杯内电解质溶液的存在始终与燕尾杯底部的引出圆环保持良好的接触。由于采用集成安装方式，三电极在试验过程的相对位置保持稳定，从而消除了旋转状态下由于电极相对距离变化产生的电化学信息波动，真实反映了试验过程中待测试样的电化学腐蚀情况及磨蚀性能。

采用该动态电化学测试装置，配合外置的恒电位仪，能够对待测试样施加一定的电位进行电化学保护，有效的抑制腐蚀，实现不同试验条件(如纯磨损)下的性能测试；同时还可以根据试验过程中电流、电压的变化，分析试验过程中材料的腐蚀破坏情况，从而有利于磨蚀机理的研究分析。

Claims (9)

1.一种动态电化学测试装置，包括三电极系统、恒电位仪、传动轴、试样夹持盘，其特征在于：

所述的动态电化学测试装置还包括动态连接池；

所述的动态连接池包括电解质溶液、容纳电解质溶液的容器、接线柱、引出环及电针；

所述的容纳电解质溶液的容器固定于传动轴上；

所述的引出环设置于容纳电解质溶液的容器底内侧，并与接线柱一侧连接；

所述的接线柱固定于容纳电解质溶液的容器底部，接线柱的另一侧连接传动轴内的导线；

所述的电针一端连接恒电位仪，另一端与引出环以相对静止并距引出环处处相等的方式固定；

所述的电针另一端与引出环及接线柱形成电化学信号通过的通路；

所述的传动轴为中空结构，外部套设绝缘套，中空部为导线走线空间。

2.根据权利要求1所述的一种动态电化学测试装置，其特征在于：

所述的容纳电解质溶液的容器为环形燕尾杯；

所述的引出环为圆形结构，所述的电针设置于引出环的中心位置；

所述的电针为细长的圆棒。

3.根据权利要求1所述的一种动态电化学测试装置，其特征在于：所述的电针另一端距引出环8—22mm。

4.根据权利要求1所述的一种动态电化学测试装置，其特征在于：

所述的三电极系统包括工作电极、辅助电极及参比电极；

所述的工作电极、辅助电极及参比电极集成安装于试样夹持盘；

所述的试样夹持盘至少包含有环形槽、线路槽及条状槽；

所述的工作电极对称安设于试样夹持盘上；

所述的辅助电极设置于环形槽内；

所述的参比电极嵌设于条状槽内；

所述的工作电极与辅助电极均通过线路槽与传动轴内的导线连接；

所述的参比电极通过传动轴内的导线连接到动态连接池；

所述的三电极系统通过工作电极、工作电极与传动轴内的导线连接以及参比电极通过传动轴内的导线连接到动态连接池实现三电极系统与恒电位仪间的电化学信号传输。

5.根据权利要求4所述的一种动态电化学测试装置，其特征在于：所述的辅助电极外侧与工作电极相距9-11mm；所述的参比电极与工作电极相距0.5-2.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种动态电化学测试装置，其特征在于：

所述的动态电化学测试装置还包括有外置测速仪、测速探头及测速仪接线板；

所述的测速探头安设于试样夹持盘上，并通过测速仪接线板连接外置测速仪，实时监测试样与介质的相对速度。

7.一种动态电化学测试的连接方法，用于实现三电极系统与恒电位仪之间电化学信号的传输，涉及三电极系统、动态电化学测试装置及恒电位仪之间的连接，包括连接用传动轴，若干导线，试样夹持盘，集成设于试样夹持盘上的工作电极、辅助电极及参比电极，设置于容器底内侧的引出环，并与接线柱一侧连接，固定于容器底部的接线柱，电针，容纳电解质溶液的容器，测速探头，三电极接线板，恒电位仪，其特征在于，所述连接方法具体如下：

S1：将容纳电解质溶液的容器以可随传动轴一起转动的方式固定于传动轴上；

S2：将电针固定于三电极接线板，电针一端以与引出环相距8-22mm的距离并相对于引出环处处相等的方式插至电解质溶液中，电针的另一端电连接至恒电位仪；

S3：将三电极系统中的辅助电极以与工作电极相距9-11mm的距离设置于试样夹持盘上的环形槽内；

S4：将三电极系统中的参比电极以与工作电极相距0.5-2.5mm的距离嵌设于试样夹持盘上的条状槽内；

S5：将流速探头嵌设于试样夹持盘上。

8.根据权利要求7所述的一种动态电化学测试的连接方法，其特征在于：所述的工作电极对称安设于试样夹持盘上。

9.根据权利要求7所述的一种动态电化学测试的连接方法，其特征在于：所述的容纳电解质溶液的容器为环形燕尾杯，所述的引出环为圆形结构，所述的电针设置于引出环的中心位置。