CN105842631A

CN105842631A - 原电池腐蚀检测装置

Info

Publication number: CN105842631A
Application number: CN201610307556.4A
Authority: CN
Inventors: 林旭梅; 赵铁军; 张鹏; 薛亮亮; 罗萍萍
Original assignee: Qindao University Of Technology
Current assignee: Qindao University Of Technology; Qingdao Sanhuatai Engineering Technology Co ltd
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2036-05-10
Also published as: CN105842631B; CN108845018A; CN108845018B

Abstract

本发明公开了一种原电池腐蚀检测装置，包括主控模块、控制选通模块、放大滤波电路模块及电源模块。具体的组成有：电阻R1‑R7、集成电路U2‑U4、电容C1‑C8等。其中，主控模块为STM32单片机，U2为CD4053B，U3为LM358，U4为TPS60400。本发明通过STM32单片机来控制检测电路，实现(钢筋混凝土)原电池电压、电流等的同时检测，通过检测数据与已获得的基准数据比较，能综合地分析原电池是否发生腐蚀，使操作简单，测量结果更加的准确。本发明还具有工程造价低，操作简单，不破坏钢筋混凝土结构等优点。

Description

原电池腐蚀检测装置

技术领域

本发明涉及一种原电池腐蚀检测装置，特别是涉及一种通过测量(钢筋混凝土)原电池电压、电流等来判断原电池是否发生腐蚀的装置。

背景技术

近年来，随着建筑行业对钢筋混凝土需求量的增大，人们对钢筋混凝土的腐蚀程度的检测越来越重视。钢筋混凝土腐蚀是一种自发进行的电化学反应。如钢筋置于潮湿环境中，其表面会覆盖一层电解质水膜，而钢筋的主要组成成分包括：铁素体、渗碳体、及游离石墨等，由于这些成分的电极电位不同，钢筋表面层在电解质溶液中构成原电池，其阳极为铁素体，阴极为渗碳体。当钢筋表面有水分附着时，就发生以等速度进行氧化反应和还原反应。其中，氧化反应是铁电离的阳极反应，还原反应是溶液氧还原的阴极反应。

现有钢筋混凝土中原电池腐蚀的检测法分为挖掘法和非挖掘法。挖掘法是把混凝土挖掘开，确认原电池的腐蚀情况。非挖掘法是在不挖掘钢筋混凝土的前提条件下，检测原电池是否发生腐蚀。非挖掘法由于具有工程造价低，不破坏钢筋混凝土结构等特点，因此值得更深入的研究及开发。

基于上述背景下，有必要研制这样一种原电池腐蚀检测装置，实现原电池的电压、电流等的测量，对测量数据进行相关处理后，即可实现多个数值的同时测量，能综合分析原电池是否发生腐蚀。

发明内容

本发明的任务在于提供一种原电池腐蚀检测装置，其以单片机为主控模块，通过检测电路实现(钢筋混凝土)原电池的电压、电流等的测量，对测量数据进行相关处理后，即可以实现多个数值的同时测量，有助于综合分析原电池是否发生腐蚀。

一种原电池腐蚀检测装置，包括主控模块、控制选通模块、放大滤波电路模块及电源模块；其中，

所述的主控模块为STM32单片机；

所述的控制选通模块包括电阻R1-R2、电容C7-C8、集成电路U2；U2的by连接原电池的阳极2；U2的bx端悬空；R1接U2的cy，另一端连接于R2的一端、U2的INH和V_EE、原电池的阴极和地接；R2的另一端接U2的cx；由STM32单片机分别选择U2的cy或cx链接U3的Inputs A的3引脚；U2的cx OR cy接U2的ax OR ay；U2的V_SS连接于U4的OUT；U2的A、B、C、V_DD端连接于STM32单片机；C7、C8一端连接U2的V_DD端，另一端连接地；U2的ax端连接于原电池的阴极，U2的ay端连接于原电池的阳极1；

所述的放大滤波电路模块包括电阻R3-R7、集成电路U3、电容C1-C3、C7-C8、二极管D1；C1的一端连接于U3的Inputs A的3引脚，另一端连接于C2的另一端、R6的一端、二极管的正极和接地；U3的Output A和Inputs A的2引脚相连于R3的一端，R3的另一端连接于U3的Inputs B的5引脚、R4的一端、C2的另一端；R4的另一端接STM32单片机的+3.3V供电端；U3的Inputs B的6引脚连接于C3的一端、R5的一端和R6的另一端；U3的OutputB端连接于R7的一端、C3的另一端、R5的另一端和二极管的负端；R7的另一端连接于STM32单片机；C7、C8一端连接U3的V_CC端，另一端连接地；V_CC连接于STM32单片机的+5V供电端；

所述的电源模块包括集成电路U4、电容C4-C6；C4的一端连接于U4的OUT，另一端连接于U4的GND端、C5的一端和接地；C5的另一端连接于U4的IN端、STM32单片机的+5V供电端；C6的一端连接于U4的C1-端，另一端连接于U4的C1+端。

所述的U2为CD4053B，U3为LM358，U4为TPS60400。

所述的C1＝10000pf，C1一端连接于U3的Inputs A的3引脚，另一端连接于GND，形成滤波电路，用于滤掉高频信号。

所述的R4＝65k，为上拉电阻；R5＝55k，为反馈电阻；R6＝50k；C3＝150pf，为滤波电容。放大电路的放大倍数计算公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过STM32单片机来控制检测电路，实现(钢筋混凝土)原电池电压、电流等的同时检测，通过检测数据与已获得的基准数据比较，能综合地分析原电池是否发生腐蚀，使操作简单，测量结果更加的准确。本发明还具有工程造价低，操作简单，不破坏钢筋混凝土结构等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明原电池腐蚀检测装置的整体结构示意框图。

图2是本发明原电池腐蚀检测装置的一种实施方式的具体电路原理示意图，未示出主控模块以及原电池。

图3是本发明对原电池电流测量时，滤波型调节器的电路仿真结果图(R＝10k，R为原电池内阻)。

图4是本发明原电池腐蚀检测装置的另一种实施方式的具体电路原理示意图，未示出主控模块以及原电池。

图5是图4方式中的U5的Output A端输出的电压仿真图。

具体实施方式

实施例1

结合图1、图2及图3，一种原电池腐蚀检测装置，包括主控模块和检测部分(电路)。检测部分设有控制选通模块、放大滤波电路模块及电源模块。

所述的主控模块为STM32单片机。

所述的控制选通模块包括电阻R1-R2、电容C7-C8、集成电路U2；U2的by连接原电池的阳极2；U2的bx端悬空；R1接U2的cy，另一端连接于R2的一端、U2的INH和V_EE、原电池的阴极和地接；R2的另一端接U2的cx；由STM32单片机分别选择U2的cy或cx链接U3的Inputs A的3引脚；U2的cx OR cy接U2的ax OR ay；U2的V_SS连接于U4的OUT；A、B、C、V_DD端连接于STM32单片机；C7、C8一端连接U2的V_DD端，另一端连接地；U2的ax端连接于原电池的阴极；U2的ay端连接于原电池的阳极1。

所述的放大滤波电路模块包括电阻R3-R7、集成电路U3、电容C1-C3、C7-C8、二极管D1；C1一端连接于U3的Inputs A的3引脚，另一端连接于C2的另一端、R6的一端、二极管的正极和接地；U3的Output A和Inputs A的2引脚相连于R3的一端，R3的另一端连接于U3的Inputs B的5引脚、R4的一端、C2的另一端；R4的另一端接STM32单片机的+3.3V供电端；U3的Inputs B的6引脚连接于C3的一端、R5的一端和R6的另一端；U3的OutputB端连接于R7的一端、C3的另一端、R5的另一端和二极管的负端；R7的另一端连接于STM32单片机；C7、C8一端连接U3的V_CC端，另一端连接地；V_CC连接于STM32单片机的+5V供电端。

上述方式中，U2为CD4053B，U3为LM358，U4为TPS60400。C1＝10000pf，C1一端连接于U3的Inputs A的3引脚，另一端连接于GND，形成滤波电路，用于滤掉高频信号。

上述方式中，R4＝65k，为上拉电阻；R5＝55k，为反馈电阻；R6＝50k；C3＝150pf，为滤波电容。放大电路的放大倍数计算公式为：

实施例1在实现原电池的电压、电流测量过程中，默认原电池的阴极接地。芯片CD4053B的A、B、C地址端，分别连接到STM32单片机的PB2、PB1、PB0，U3的Output B经电阻R7连接到STM32单片机的PA1端。

实施例1只进行电压、电流测量。测量的是原电池阳极与阴极之间的电压值和宏电流值。它们的数值变化趋势与原电池的腐蚀程度有密切的关系。采用CD4053B多路选通开关作为开关控制，当STM32单片机分别选通采样电阻R1(10KΩ)和R2(10MΩ)所在的电路时，该电路可以测量出原电池的电压和内阻。采样电阻与原电池内阻的电压和就是被测原电池电压。通过测量运算放大器LM358正相输入端的电压，实现两个采样电阻分压的测量。通过放大滤波电路的处理，将采集到的信号输入STM32单片机，利用片内的AD功能将电压信号计算出来。最后利用电阻分压原理计算出原电池的电压内阻值。最后根据欧姆定律，将原电池的电流计算出来。

利用实施例1进行电压、电流测量的方法如下：

步骤1，设定STM32单片机PB口输出地址为0x07，U2的ax端、bx端、cx端选通。ax端接原电池的阴极1，bx端悬空，cx端接采样电阻R2(10KΩ)。电压信号经过U2的IN ax、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3前级运放组成的电压跟随器。本发明利用电压跟随器的输入高阻抗、输出低阻抗的特性，起到缓冲和隔离的作用，使得后一级运放电路能够更好的工作。随后，电压信号从U3的Output A端输出，经过由R4、C2组成的上拉滤波电路进入由运放U3、R3、R5、R6、C3组成的放大滤波电路。放大滤波电路可以使电压信号得到放大，突出有用频率的电压信号，衰减无用频率的噪声信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比的作用。最后电压信号由U3的Output B端经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端。其中，R7作为限流电阻不可或缺，起到防止电路故障时烧坏STM32芯片的作用，此时测得输入接GND时的电压U_GND作为后续测量的校准电压。

步骤2，设定STM32单片机PB口输出地址为0x03，U2的ay端、bx端、cx端选通。ay端接原电池的阳极1，bx端悬空，cx端接采样电阻R2(10KΩ)。电压信号经过U2的IN ay、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3的前级运放组成的电压跟随器。电压信号经过上面介绍的放大滤波电路，经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端，测得原电池阳极端电压U_R2。

步骤3，设定STM32单片机PB口输出地址为0x02，U2的ay端、bx端、cy端选通。ay端接原电池的阳极1，bx端悬空，cy端接采样电阻R1(10MΩ)。电压信号经过U2的IN ay、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3的前级运放组成的电压跟随器。信号经过上面介绍的放大滤波电路，经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端，测的原电池阳极端电压U_R1。

步骤4，获取电压、电流值；利用电阻分压原理公式：

U * \frac{R_{1}}{R_{1} + R} = (U_{R 1} - U_{G N D})

U * \frac{R_{2}}{R_{2} + R} = (U_{R 2} - U_{G N D})

得出电压：

U = \frac{{ΔU}_{1} * {ΔU}_{2} (R_{1} - R_{2})}{{ΔU}_{1} * R_{2} - {ΔU}_{1} * R_{1}}

内阻：

R = \frac{({ΔU}_{2} - {ΔU}_{1}) R_{1} * R_{2}}{{ΔU}_{1} * R_{2} - {ΔU}_{1} * R_{1}}

应用欧姆定律I＝U/R得：

I = \frac{{ΔU}_{2} * {ΔU}_{1} (R_{1} - R_{2})}{({ΔU}_{2} - {ΔU}_{1}) R_{2} * R_{1}}

其中：ΔU₁＝U_R1-U_GND，ΔU₂＝U_R2-U_GND。

实施例2

结合图1、图3、图4及图5，一种原电池腐蚀检测装置，包括主控模块和检测部分(电路)。检测部分设有控制选通模块、放大滤波电路模块、电源模块以及标准电压模块。

所述的主控模块为STM32单片机。

所述的标准电压模块包括电阻R8-R13、电容C7-C8、集成电路U5；R8的一端和U2的bx OR by连接于U5的Output A端，R8的另一端连接于R9的一端和U5的Input A端的2引脚；R9的另一端与R11的一端和接地；R10的一端连接U5的Inputs A端的3引脚，另一端连接U5的V_EE/GND端和U4的OUT端；R13的一端连接U5的Inputs A端的3引脚，另一端连接U5的Output B端和Inputs B端的6引脚；R11的另一端连接Inputs B端的5引脚和R12的一端；R12另一端接STM32单片机；C7、C8一端连接U5的V_CC端，另一端连接地；U5的V_CC端连接于STM32单片机的+5V供电端。在进行电阻测量时，由STM32单片机选择U2的cx端。所述的U5为LM358；U5的Output A端输出的电压值是固定的1V。

实施例2不仅能够进行电压、电流测量，还能够进行不同阳极之间电阻的测量。在进行原电池的电压、电流、电阻的测量过程中，默认原电池的阴极接地。芯片CD4053B的A、B、C地址端，分别连接到STM32单片机的PB2、PB1、PB0，U3的Output B经电阻R7连接到STM32单片机的PA1端，U5的Inputs B端的5引脚经分压电阻R12连接到STM32单片机的PB7端。

关于电压、电流的测量。测量的是原电池阳极与阴极之间的电压值和宏电流值。它们的数值变化趋势与原电池的腐蚀程度有密切的关系。采用CD4053B多路选通开关作为开关控制，当STM32单片机分别选通采样电阻R1(10KΩ)和R2(10MΩ)所在的电路时，该电路可以测量出原电池的电压和内阻。采样电阻与原电池内阻的电压和就是被测原电池电压。通过测量运算放大器LM358正相输入端的电压，实现两个采样电阻分压的测量。通过放大滤波电路的处理，将采集到的信号输入STM32单片机，利用片内的AD功能将电压信号计算出来。最后利用电阻分压原理计算出原电池的电压内阻值。最后根据欧姆定律，将原电池的电流计算出来。

利用实施例2进行电压、电流测量的方法如下：

步骤11，设定STM32单片机PB口输出地址为0x07,U2的ax端、bx端、cx端选通。ax端接原电池的阴极1，bx端悬空，cx端接采样电阻R2(10KΩ)。电压信号经过U2的IN ax、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3前级运放组成的电压跟随器。本发明利用电压跟随器的输入高阻抗、输出低阻抗的特性，起到缓冲和隔离的作用，使得后一级运放电路能够更好的工作。随后，电压信号从U3的Output A端输出，经过由R4、C2组成的上拉滤波电路进入由运放U3、R3、R5、R6、C3组成的放大滤波电路。放大滤波电路可以使电压信号得到放大，突出有用频率的电压信号，衰减无用频率的噪声信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比的作用。最后电压信号由U3的Output B端经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端。其中，R7作为限流电阻不可或缺，起到防止电路故障时烧坏STM32芯片的作用，此时测得输入接GND时的电压U_GND作为后续测量的校准电压。

步骤12，设定STM32单片机PB口输出地址为0x03，U2的ay端、bx端、cx端选通。ay端接原电池的阳极1，bx端悬空，cx端接采样电阻R2(10KΩ)。电压信号经过U2的IN ay、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3的前级运放组成的电压跟随器。电压信号经过上面介绍的放大滤波电路，经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端，测得原电池阳极端电压U_R2。

步骤13，设定STM32单片机PB口输出地址为0x02，U2的ay端、bx端、cy端选通。ay端接原电池的阳极1，bx端悬空，cy端接采样电阻R1(10MΩ)。电压信号经过U2的IN ay、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3的前级运放组成的电压跟随器。信号经过上面介绍的放大滤波电路，经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端，测的原电池阳极端电压U_R1。

步骤14，获取电压值U及电流值I；利用电阻分压原理公式：

U * \frac{R_{1}}{R_{1} + R} = (U_{R 1} - U_{G N D})

U * \frac{R_{2}}{R_{2} + R} = (U_{R 2} - U_{G N D})

得出电压：

U = \frac{{ΔU}_{1} * {ΔU}_{2} (R_{1} - R_{2})}{{ΔU}_{1} * R_{2} - {ΔU}_{1} * R_{1}}

内阻：

R = \frac{({ΔU}_{2} - {ΔU}_{1}) R_{1} * R_{2}}{{ΔU}_{1} * R_{2} - {ΔU}_{1} * R_{1}}

应用欧姆定律I＝U/R得：

I = \frac{{ΔU}_{2} * {ΔU}_{1} (R_{1} - R_{2})}{({ΔU}_{2} - {ΔU}_{1}) R_{2} * R_{1}}

其中：ΔU₁＝U_R1-U_GND，ΔU₂＝U_R2-U_GND。

关于不同阳极之间电阻的测量。测量的是两个阳极之间介质的电阻值。其值与介质之间水分的含量有密切关系，是判断原电池是否发生腐蚀的数据分析依据。电阻的测量主要是研究其两端的电压和电流。把原电池的一个阳极端连接到电压、电流采集电路的输入端，同时在另一个阳极端上施加标准电压信号(1V)，进而测出两个阳极之间介质的电压和通过的电流。通过欧姆定律，算出两阳极之间介质的电阻。

利用实施例2进行不同阳极之间电阻测量的方法如下：

步骤21，设定STM32单片机PB口输出地址为0x07,U2的ax端、bx端、cx端选通。ax端接原电池的阴极1，bx端悬空，cx端接采样电阻R2(10KΩ)。电压信号经过U2的IN ax、OUT ax OR ay、IN cx OR cy、OUT cx、U3的Inputs A的3引脚，进入由U3前级运放组成的电压跟随器。本发明利用电压跟随器的输入高阻抗、输出低阻抗的特性，起到缓冲和隔离的作用，使得后一级运放电路能够更好的工作。随后，电压信号从U3的Output A端输出，经过由R4、C2组成的上拉滤波电路进入由运放U3、R3、R5、R6、C3组成的放大滤波电路。放大滤波电路可以使电压信号得到放大，突出有用频率的电压信号，衰减无用频率的噪声信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比的作用。最后电压信号由U3的Output B端经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端。其中，R7作为限流电阻不可或缺，起到防止电路故障时烧坏STM32芯片的作用，此时测得输入接GND时的电压U_GND作为后续测量的校准电压。

步骤22，设定STM32单片机PB口输出地址为0x11，U2的ay端、by端、cy端选通；ay端接原电池的阳极1，by端接原电池的阳极2，cy端接采样电阻R1(10MΩ)。U5的输出端Output A接U2的bx OR by。U5的Output A端输出的标准电压信号V_standard经U5的OutputA、U2的bx OR by、by接到原电池阳极2。电压信号经过两阳极之间的介质R_medium，分压之后的电压信号从阳极1经过U2的ay、ax OR ay、cx OR cy、cy、U3的Inputs A的3引脚进入由U3的前级运放组成的电压跟随器，后经过放大滤波电路，经限流电阻R7进入STM32单片机的AD端，测的原电池阳极1端电压V。

步骤23，获取电阻值R_medium；利用电阻分压原理：

V_{s \tan d a r d} * \frac{R_{2}}{R_{m e d i u m} + R_{2}} = V - U_{G N D}

得两阳极之间电阻：

R_{m e d i u m} = \frac{V_{s \tan d a r d}}{V - U_{G N D}} * R_{2}

最后通过原电池的电压、电流、电阻的测量数值，综合分析原电池是否发生腐蚀。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种原电池腐蚀检测装置，包括主控模块、控制选通模块、放大滤波电路模块及电源模块；其特征在于：

所述的主控模块为STM32单片机；

2.根据权利要求1所述的原电池腐蚀检测装置，其特征在于：所述的U2为CD4053B，U3为LM358，U4为TPS60400。

3.根据权利要求1所述的原电池腐蚀检测装置，其特征在于：所述的C1＝10000pf，C1一端连接于U3的Inputs A的3引脚，另一端连接于GND，形成滤波电路，用于滤掉高频信号。

4.根据权利要求1所述的原电池腐蚀检测装置，其特征在于：所述的R4＝65k，为上拉电阻；R5＝55k，为反馈电阻；R6＝50k；C3＝150pf，为滤波电容。放大电路的放大倍数计算公式为：

(V₁＝3.3V,V_ii为输入电压)