CN105891092A - 一种自然环境腐蚀监测用电阻探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自然环境(如大气，海水、土壤等)腐蚀监测用电阻探针及其制造方法。该探针在保证测量精度，满足大气腐蚀监测要求的基础上，简化了探针结构，精简了加工流程，采用基础的机加工即可成型，大大降低了探针的制造成本。同时，探针在结构设计时考虑到了与现有腐蚀监测仪接口匹配，使其在后期的数据采集过程中可直接利用现有型号的腐蚀监测仪，大大降低了应用成本。

Description

一种自然环境腐蚀监测用电阻探针

技术领域

本发明属于环境监测仪器领域，涉及一种自然环境腐蚀监测用电阻探针及其制造方法，尤其是能对大气腐蚀速率进行实时的监测。

背景技术

大气腐蚀作为金属在自然环境中发生的腐蚀损失的最普遍的一种，对其发生过程的监测早已受到人们广泛的关注和重视。目前，大气腐蚀监测用方法中最为普遍的几种为：挂片法，大气腐蚀监测电池法(ACM)，以及Kelvin探头参比电极技术。而在这几种技术中，挂片法因其数据准确率高，操作简单，成本低廉等优势使其在实际监测中得到了广泛应用。相应的ACM法和Kelvin探头参比电极技术因其基本原理及测量精度的限制，以及现场可操作性，成本等问题使其在实际监测的应用中遇到了必须要解决的困难，目前还未能大面积应用。

而电阻探针技术作为腐蚀监测用的一种历史比较悠久的方法，其在实验研究领域和工业应用领域均得到了很好的发展，且目前该技术的理论研究和技术产品均已相当成熟。然而，在大气腐蚀监测领域中，该技术的实际应用型产品在我国国内的发展还很不乐观。我国的大气腐蚀监测站点中所用技术还为比较耗时耗力的挂片法，而挂片法只能做长期的平均腐蚀速率测评，不能提供连续的腐蚀数据，这一缺点将会严重限制其应用。而电阻探针作为一种传统的监测方法，其监测成本较低，可操作性强，且能提供持续不间断的实时腐蚀数据。若将其成功应用于大气腐蚀监测领域，将会对大气环境腐蚀性测评，建材耐蚀性评定等工作做出巨大贡献。

现有技术CN101017127A提供了一种用Kelvin探针(SKP)与石英晶体微天平(QCM)联合测试金属材料大气腐蚀的方法及所用的装置。测试时，将沉积Pt或Au膜的石英晶片封装，除油，吹干；将目标金属沉积到石英晶体片的外表面；调节气氛箱中气体流量；利用SKP扫描电极表面电位分布，同时使用QCM检测电极表面质量的变化。这种技术的厕灵精度较高，可用于特定环境中高精密度的腐蚀测量。然而，该方法的技术特点——镀膜成型，决定了其高昂的制作成本，以及随后的石英晶体为天平的精确度严重受待监测环境的影响，使其的应用严重受环境的制约，因此该方法只能在特定环境中使用，对于在污染严重的工业环境的使用受到限制。要解决该方法的问题，需从其测量的根本原理入手，在简化制作工艺的基础上，克服其对待监测环境的不稳定性，降低其监测成本，并稳定其监测精度。

CN101876624A提供了一种检测装置和方法，特别是一种大气环境中金属材料腐蚀速率测量探头及其使用方法。它包括：激励信号输入端(1)、试片托盘(2)，多个腐蚀试片、温度补偿试片(5)、激励信号输出端(6)和多个响应信号测量端。检测时，探头接口与检测电路相连，对腐蚀试片与补偿试片施加同一直流激励信号；获取腐蚀试片及补偿试片两端的激励响应信号，计算腐蚀试片的减薄量，根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。该技术利用了电阻探针法的基本原理，并加入了温度补偿部分，但其探头结构以及接线方式设计过于复杂，不但大大提高了探头的制造成本，同时也加大了导线电阻对探头自身电阻变化的干扰，降低了其测量灵敏度。对该技术进行改进，可从其探头的基本结构设计入手，使其制造工艺简单化，在降低成本的同时也提高了探针自身的测量精度。

发明内容

针对于自然环境中，如大气，海水，自来水，土壤等对材料的腐蚀情况一般为一个比较缓慢的过程，其腐蚀速率往往相当微小，因此，自然环境腐蚀监测用电阻探针必须要求一个相对高的测量精度；同时，由于监测用探针将会暴露于自然环境中，周围环境温度的变化将会对电阻探针本身的电阻率产生一个不可忽视的影响，为了提高探针的测量精度，就必须克服这一影响。另一方面，在保证探针测量精度的同时，为了使其能在工业以及实际测量中大面积应用，必须简化其制造工艺，降低其生产成本。

综上原因，本发明通过以下技术方案来实现：

一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，电阻探针的金属部分(B)包括测试部分(B1)和参考部分(B2)、以及连接部分(B3)，金属部分固定于绝缘的塑料板(A)上，其中参考部分用环氧树脂密封，监测时只有测试部分暴露于腐蚀环境中，其中，测试部分以及参考部分均与导线连接，其中，接线口(1)为恒流源通入口，接线口(5)为恒流源流出口，接线口(1)和接线口(2)分别连接在测试部分上，接线口(3)和接线口(2)之间连接电压表V1，(3)和接线口(4)之间连接电压表V2，接线口(3)连接在连接部分上，接线口(1)和接线口(5)分别连接在测试部分和参考部分。

其中，电阻探针优选采用片状结构，五根导线通过焊接方式连接。

优选探针测试部分和参考部分为长方形，其中测试部分的长宽比范围优选为50-100：3.6-7.2，参考部分的长宽比范围优选如50-100：1.8-3.6。

通过大量的实验发现，为了实现本发明解决的技术问题，探针结构的长宽比可根据待监测环境腐蚀性等级而调整，在腐蚀性弱的情况下，需要选用长宽比高的探针结构(如100：3.6)，腐蚀性强的情况下可选用长宽比低的探针结构(如50：7.2)。

通过大量的实验，为了实现本发明解决的技术问题，探针结构的厚度可根据待监测环境腐蚀性等级而调整，在腐蚀性弱的情况下，需要选用厚度小的探针结构(如25微米)，腐蚀性强的情况下可选用厚度比较大的探针结构(如500微米)。优选探针本体的厚度设计为25～500微米，具有非常高的灵敏度。

本发明所述自然环境包括大气，海水，自来水，土壤等。

所述电阻探针的金属部分由不同种类的钢，金属合金等材料组成。通过置换探针本体金属部分，可监测不同材料在某一环境中的腐蚀情况，进行环境腐蚀等级评估或材料耐蚀性分析。

本发明的在一目的在于提供一种自然环境腐蚀监测方法，使用前述所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，接线口(1)通入恒流源，记录V1/V2的值，可得到探针电阻变化的情况，从而获得腐蚀数据。

所述自然环境包括大气，海水，自来水，土壤。

进行腐蚀监测时，数据采集器将通过检测V1/V2的值而得出测试部分与参考部分的电阻比率，通过对该比值的换算，即可得到探针腐蚀腐蚀部分厚度的变化，从而得出待测的腐蚀速率。

本发明优选所采用的技术方案为：

1)电阻探针采用片状结构，使其金属表面中的一个表面(测试部分)暴露于腐蚀性环境中，随着探针在腐蚀环境中发生腐蚀，其探针横截面积减小，在通过恒流源的情况下，其探针电阻的变化将会反应探针的腐蚀情况；

2)为了提高电阻的测量精度，获得高的起始电阻，探针长宽比达最高可达100：3.6的结构，同时探针本体的厚度设计为微米级别(25～500微米)；

3)为了克服温度对探针本体电阻变化的影响，探针采用了一部分暴露一部分密封的结构，通过监测二者比值的变化获得腐蚀速率数据，克服了温度的影响；

4)为了提高探针电阻测量的精度，探针采用了四端法测量，并可与现有的腐蚀监测仪进行匹配，不需要特定的腐蚀监测设备，降低了腐蚀监测的成本；

5)为了降低探针制作的成本，采用了线切割的机械加工方式；

6)为了提高探针本体的强度，采用了树脂作为探针本体的基底，将探针金属部分固定于其上，提高了探针的抗冲击能力。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

提供了一种可用于自然环境腐蚀监测的电阻探针，其测量精度满足要求，可与现有腐蚀监测仪器相匹配，加工制作成本低廉，可提供持续不断的腐蚀数据，对自然环境如大气腐蚀情况的评测，材料耐蚀性的评估，以及缓蚀剂效果的评定等都具有非常重要的作用，可大面积应用于自然环境如大气腐蚀监测领域中去。

探针金属部分采用了线切割的机械加工方式，降低了加工成本。

附图说明

图1是本发明一种自然环境腐蚀监测用电阻探针结构的示意图。

图2是本发明另一尺寸的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针结构的示意图。

图1和2中，A部分为塑料基底，其目的为保证探针的机械强度。B部分为金属片部分，其基本结构为上下两个臂(即测试部分(B1)和参考部分(B2)、、以及连接部分(B3))。金属片上臂为腐蚀暴露部分(即测试部分)，下臂为参考部分，将下臂用环氧树脂胶密封住，其中，接线口(1)为恒流源通入口，接线口(5)为恒流源流出口，接线口(3)和(2)之间连接电压表V1，(3)和(4)之间连接电压表V2。

图3为采用本发明电阻探针测得的腐蚀损耗图谱。

图4为采用本发明电阻探针测得的腐蚀速率图谱。

具体实施方式

下面结合具体事例和附图对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。

实施例1

参照图1所示，一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，电阻探针的金属部分(B1)包括测试部分(B1)和参考部分(B2)、以及连接部分(B3)，金属部分固定于绝缘的塑料板(A)上，其中参考部分用环氧树脂密封，监测时只有测试部分暴露于腐蚀环境中。

其中，测试部分以及参考部分均与导线连接，其中，接线口(1)为恒流源通入口，接线口(5)为恒流源流出口，接线口(1)和接线口(2)分别连接在测试部分上，接线口(3)和接线口(2)之间连接电压表V1，(3)和接线口(4)之间连接电压表V2，接线口(3)连接在连接部分上，接线口(1)和接线口(2)分别连接在参考部分，根据V1/V2的值，可得到探针电阻变化的情况，从而获得腐蚀数据。

实施例2

实施例1所述一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，电阻探针优选采用片状结构，五根导线通过焊接方式连接。

优选探针测试部分和参考部分为长方形，其中测试部分的长宽比范围优选为50mm：7.2mm，参考部分的长宽比范围优选如50mm：3.6mm，探针本体的厚度设计为25微米，电阻探针的金属部分由钢材料组成。

实施例3

实施例2所述一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，探针本体的厚度设计为500微米，电阻探针的金属部分由合金材料组成。

实施例4

如图2所示，实施例1所述一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其中测试部分的长宽比范围优选为100mm：3.6mm，参考部分的长宽比范围优选如50mm：1.8mm，探针本体的厚度设计为200微米，电阻探针的金属部分由合金材料组成。

实施例5

一种自然环境腐蚀监测用电阻探针的制造方法，探针金属部分采用了线切割的机械加工方式制备，导线通过焊接方式连接。

探针制造过程主要分为机械加工、表面处理、焊接接线以及最后的涂胶封装四部分。其中机械加工工艺主要为线切割。表面处理部分主要为机械磨平，其目的是为了获得较高的光洁度，避免不均匀腐蚀的发生。焊接用材料为锡铅钎料，导线用铜丝。封装材料为环氧树脂和硅胶，二者结合使用，使其密封性达到要求。

实施例6大气腐蚀监测举例

采用前述实施例2—4的电阻探针进行大气腐蚀监测

探针封装以后，检测无误后即可进行联机测试，监测系统数据采集器和监测系统服务器连接。

进行腐蚀监测时，腐蚀数据采集器的数据采集间隔最小为2分钟，采集所得第一手数据为R_测/R_参的比值，数据采集后以表格形式存储，待从服务器中导出以后，可进行相应的数学计算，得到腐蚀损耗的数据，进而计算出腐蚀速率。

探针制作以后，在室内环境中进行了性能测试，其结果如图3所示：从图3中可以看出，探针在室温下的腐蚀损耗波动小于40nm，由此我们可以推断出该探针可识别腐蚀损耗约为80nm，对比目前已有探针数据，该探针的灵敏度满足自然环境的腐蚀监测要求。

在室内环境条件下，进行了质量浓度为4.5％的NaCl溶液腐蚀测试，其测试结果如图4所示：图4为监测所得的腐蚀速率随时间变化的曲线，从图中可以看出，随着腐蚀时间的延长，其腐蚀损耗逐渐增加，然后到达峰值以后逐渐减小，这与溶液中氯离子随着腐蚀的进行，其浓度逐渐减小，从而使得腐蚀速率逐渐减小的原理是相符的。图中曲线为监测六小时后的腐蚀速率曲线图，计算所得腐蚀速率比较稳定，基本为一条平直的曲线，这表明探针在监测过程中并未发生不均匀腐蚀等情况，其封装工艺等也达到了标准，未发生溶液浸入等现象，证明目前的工艺是可行的。

所述电阻探针还可以用于海水，自来水，土壤等的腐蚀监测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其特征在于：电阻探针的金属部分(B)包括测试部分(B1)和参考部分(B2)、以及连接部分(B3)，金属部分固定于绝缘的塑料板(A)上，其中参考部分用环氧树脂密封，监测时只有测试部分暴露于腐蚀环境中，其中，测试部分以及参考部分均与导线连接，其中，接线口(1)为恒流源通入口，接线口(5)为恒流源流出口，接线口(1)和接线口(2)分别连接在测试部分上，接线口(3)和接线口(2)之间连接电压表V1，(3)和接线口(4)之间连接电压表V2，接线口(3)连接在连接部分上，接线口(1)和接线口(5)分别连接在测试部分和参考部分。

2.根据权利要求1所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其特征在于：电阻探针采用片状结构，五根导线通过焊接方式连接。

3.根据权利要求1所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其特征在于：优选探针测试部分和参考部分为长方形，其中测试部分的长宽比范围优选为50-100：3.6-7.2，参考部分的长宽比范围优选如50-100：1.8-3.6。

4.根据权利要求1所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其特征在于：探针本体的厚度设计为25～500微米。

5.根据权利要求1—4任一权利要求所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其特征在于：所述自然环境包括大气，海水，自来水，土壤等。

6.根据权利要求1—4任一权利要求所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，其特征在于：所述电阻探针的金属部分由不同种类的钢，金属合金等材料组成。

7.一种自然环境腐蚀监测方法，其特征在于，使用权利要求1—6任一权利要求所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，接线口(1)通入恒流源，记录V1/V2的值，可得到探针电阻变化的情况，从而获得腐蚀数据。

8.根据权利要求7所述的一种自然环境腐蚀监测方法，其特征在于，所述自然环境包括大气，海水，自来水，土壤等。

9.一种权利要求1—4任一权利要求所述的一种自然环境腐蚀监测用电阻探针的制造方法，探针金属部分采用了线切割的机械加工方式制备，导线通过焊接方式连接。