CN107561001A - 电阻探针及测量金属在环境介质中腐蚀量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电阻探针。本发明提供的电阻探针，包括：金属带，所述金属带包括首尾依次相连的第一测量段、参考段和第二测量段，所述第一测量段、参考段和第二测量段的长度相同；设置在所述第一测量段的首端的第一引脚；设置在所述参考段的首端的第二引脚；设置在所述参考段的尾端的第三引脚；设置在所述第二测量段的尾端的第四引脚。本发明提供的电阻探针结构简单、测量简便，具有较高的分辨率和较高的灵敏度，可用于连续监测环境介质的腐蚀性及其波动规律。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测仪器领域，涉及一种环境介质中金属腐蚀量检测装置。
背景技术
目前，大气腐蚀监测站点中常用耗时耗力的挂片法来监测环境的腐蚀性。挂片法适合做长期的平均腐蚀速率测评，但不能提供连续的腐蚀检测数据，不利于及时监测大气环境中腐蚀性的异常波动。
上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种电阻探针和一种测量金属在环境介质中腐蚀量的装置。
本发明提供的电阻探针结构简单、测量简便，具有较高的分辨率和较高的灵敏度，可用于连续监测环境介质的腐蚀性及其波动规律。
本发明提供的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置，方便地获得金属在环境介质中腐蚀量，测量速度快、精度高。
(二)技术方案
第一方面，为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种电阻探针，包括：
金属带，所述金属带包括首尾依次相连的第一测量段、参考段和第二测量段，所述第一测量段、参考段和第二测量段的长度相同；
设置在所述第一测量段的首端的第一引脚；
设置在所述参考段的首端的第二引脚；
设置在所述参考段的尾端的第三引脚；
设置在所述第二测量段的尾端的第四引脚。
优选地，所述电阻探针中，所述第一测量段、参考段和第二测量段以相同的方式蜿蜒设置。
具体地，所述的电阻探针中，
所述第一测量段的安装部分与环境介质相隔离地设置；所述第一测量段的工作部分暴露在环境介质中；
所述第二测量段的安装部分与环境介质相隔离地设置；所述第二测量段的工作部分暴露在环境介质中；
所述参考段与环境介质相隔离地设置；
所述第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚与环境介质相隔离地设置。
具体地，所述的电阻探针中，所述参考段与环境介质接触的表面包覆有涂层。
具体地，所述的电阻探针中，所述环境介质包括大气、海水、自来水、土壤、液化天然气、化工原料等。
第二方面，为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种测量金属在环境介质中腐蚀量的装置，包括：
在第一方面中说明的电阻探针；
恒流源模块，所述恒流源模块的电流输入端适于与所述第一引脚连接，所述恒流源模块的电流输出端适于与所述第四引脚连接；
第一电压测量模块，所述第一电压测量模块适于测量所述第一引脚与所述第二引脚之间的第一测量端电压值V1；
第二电压测量模块，所述第二电压测量模块适于测量所述第二引脚与所述第三引脚之间的参考端电压值V2；
第三电压测量模块，所述第三电压测量模块适于测量所述第三引脚与所述第四引脚之间的第二测量端电压值V3；
腐蚀测量模块，其适于获得所述第一测量段的测量部分在指定的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT1，和/或，所述第二测量段的测量部分在指定的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT2。
具体地，所述的装置中，所述腐蚀测量模块适于获得所述第一测量段在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT1，其中，
和/或，
所述腐蚀测量模块适于获得所述第二测量段在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT2，其中，
T1为所述第一测量段的测量部分在第一测量时刻ts的初始厚度，T2为所述第二测量段的测量部分在第一测量时刻ts的初始厚度；V1ts为在第一测量时刻ts时第一测量端电压值，V1te为在第二测量时刻te时第一测量端电压值；V2ts为在第一测量时刻ts时参考端电压值，V2te为在第二测量时刻te参考端电压值；V3ts为在第一测量时刻ts时第一测量端电压值，V3te为在第二测量时刻te第二测量端电压值。
进一步地，所述的装置中，所述腐蚀测量模块还适于获得所述第一测量段的测量部分在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度腐蚀率ν1，其中，和/或，
所述第二测量段的测量部分在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度腐蚀率ν2，其中，
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的电阻探针，设置有长度相等的两个测量段和一个参考段，该参考段可作为基准来补偿测量段因温度变化引起的电阻值漂移；两个测量段共用与同一个参考段，使得电阻探针的结构更紧凑；两个测量段可提供两组数据，数据量更多；利用电阻作为测量敏感量，结构简单、测量简便，可以具有较高的分辨率和较高的灵敏度；可用于连续监测环境介质的腐蚀性及其波动规律。
本发明的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置，利用恒流源为电阻探针供电，利用多组两两引脚之间的电势差，方便地获得金属在环境介质中腐蚀量，测量速度快、精度高。
附图说明
图1为本发明一个实施例的金属电阻探针的结构示意图；
图2为本发明又一实施例的金属电阻探针的结构示意图；
图3为本发明再一实施例的金属电阻探针的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置的组成示意图；
【附图标记说明】
1：电阻探针；
2：恒流源；
31：第一电压测量模块；
32：第二电压测量模块；
33：第三电压测量模块；
4：腐蚀测量模块；
10：第一测量段；
20：参考段；
30：第二测量段；
100：第一引脚；
200：第二引脚；
300：第三引脚；
400：第四引脚；
A1：第一测量段的范围；
B：参考段的范围；
A2：第二测量段的范围。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
第一方面，如图1所示，本发明一个实施例的电阻探针，包括：
金属带，所述金属带包括首尾依次相连的第一测量段10、参考段20和第二测量段30，所述第一测量段10、参考段20和第二测量段30的长度相同；
设置在所述第一测量段的首端的第一引脚100；
设置在所述参考段的首端的第二引脚200；
设置在所述参考段的尾端的第三引脚300；
设置在所述第二测量段的尾端的第四引脚400。
本发明实施例的电阻探针用于对环境介质对金属腐蚀性的测量和评估。所述环境介质包括大气、海水、自来水、土壤、液化天然气、化工原料等。
本发明实施例的电阻探针的基本结构为金属带。金属带由适于制作为条带状、延展性好的导电金属或导电合金制备而成。该导电金属或导电合金的材质与需要测量在环境介质中腐蚀量的工程结构的材质一致。也即金属带的材质为建筑工程、化工设备等各种工程用结构件普遍应用的工程材料，如铝合金、铝镁合金、Q235等。
鉴于电阻探针在环境介质中使用时，环境介质的温度变化对电阻探针的绝对电阻值的影响较大，因此不能忽略温度对其动态电阻值的影响。本发明实施例的电阻探针设置参考段作为测量段的温度补偿部分，以消除温度对电阻探针的电阻值的影响，保证测量精度。
如图1所示，本发明实施例的电阻探针中，测量段A1、A2和参考段B以A1-B-A2的形式组合在一起，测量段A1、A2均可利用参考段B来补偿温度引起的电阻值漂移。
本发明实施例的电阻探针中，参数相同的两个测量段共用与其参数相同的参考段，使得结构更紧凑，有利于减少和补偿制造引起的参数漂移；结构简单、测量简便，可以具有较高的分辨率和较高的灵敏度。本发明实施例的电阻探针的制备方法包括以下步骤：
根据目标结构件在环境介质中腐蚀性的测量要求，设计与目标结构件的材质相同的电阻探针，确定其厚度、测量段和参考段的长度、引脚的长度、测量段和参考段的蜿蜒方式。根据厚度和材质，选择适合的薄板下料；并在线切割设备上，根据预先设置的排样方案，利用激光加工下料后的薄板，从而获得多个初始厚度相同的电阻探针。
本发明实施例的电阻探针，原料获取容易、加工工艺简单、对加工设备和测量设备的要求低，便于大规模量产；因此价格低，适于大范围部署及推广应用。
具体地，在根据测量需求定制电阻探针时，根据安装空间和设计需要，在保证第一测量段、参考段和第二测量段的长度相同的基础上，第一测量段、参考段和第二测量段可以设置为不同的蜿蜒形式。
优选地，所述第一测量段10、参考段20和第二测量段30以相同的蜿蜒方式设置。
如图2所示，所述第一测量段10(A1)、参考段20(B)和第二测量段30(A2)均设置为“锯齿形”的蜿蜒形式；如图3所示，所述第一测量段10(A1)、参考段20(B)和第二测量段30(A2)均设置为“矩形方波”的蜿蜒形式。
应当理解为，蜿蜒形式可以采用本领域技术人员不付出创造性劳动可以想到的任何其他的形式，这里不再赘述。
具体地，本发明实施例的电阻探针部署在环境介质中使用时，或在实验室内调试时，或在加工过程中进行性能测试时，
所述第一测量段的安装部分与环境介质相隔离地设置；所述第一测量段的工作部分暴露在环境介质中；
所述第二测量段的安装部分与环境介质相隔离地设置；所述第二测量段的工作部分暴露在环境介质中；
所述参考段与环境介质相隔离地设置；
所述第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚与环境介质相隔离地设置。
优选地，提供的成品电阻探针，在参考段包覆有涂层，以实现与环境介质的隔离；或仅在参考段与环境介质接触的表面包覆有涂层。涂层选择导热性良好的材料，以保证参考段的温度变化能够与暴露在环境介质中的测量段的温度保持一致。
本发明实施例的电阻探针具有带状结构，便于通过粘贴或镶嵌的方式部署在位于环境介质中的安装结构上，稳定性好，适合连续监测环境介质的腐蚀性及其波动规律。
第二方面，如图4所示，本发明一个实施例的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置，包括：
在第一方面中说明的电阻探针1；
恒流源模块2，所述恒流源模块的电流输入端适于与所述第一引脚连接，所述恒流源模块的电流输出端适于与所述第四引脚连接；
第一电压测量模块31，所述第一电压测量模块适于测量所述第一引脚与所述第二引脚之间的第一测量端电压值V1；
第二电压测量模块32，所述第二电压测量模块适于测量所述第二引脚与所述第三引脚之间的参考端电压值V2；
第三电压测量模块33，所述第三电压测量模块适于测量所述第三引脚与所述第四引脚之间的第二测量端电压值V3；
腐蚀测量模块4，其适于获得所述第一测量段的测量部分在指定的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT1，和/或，所述第二测量段的测量部分在指定的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT2。
本发明一个实施例的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置中，由恒流源模块为电阻探针供电，其电流输入端和电流输出端分别与制备电阻探针的金属带的首末端对应地连接。因此，“恒流源模块2的电流输入端适于与所述第四引脚连接，电流输出端适于与所述第一引脚连接”与“恒流源模块2的电流输入端适于与所述第一引脚连接，电流输出端适于与所述第四引脚连接”是等同的实施方式。
应当理解为，第一电压测量模块31、第二电压测量模块32、第三电压测量模块33既可以为分别独立设置的模块，也可以组合在一起设置为一个模块，并实现组合后的功能。
应当理解为，腐蚀测量模块4、第一电压测量模块31、第二电压测量模块32、第三电压测量模块33既可以为分别独立设置的模块，也可以组合在一起设置为一个单独的模块，并实现组合后的功能。
具体地，本发明实施例的装置中，所述腐蚀测量模块4适于获得所述第一测量段在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT1，其中，
所述腐蚀测量模块适于获得所述第二测量段在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT2，其中，
T1为所述第一测量段的测量部分在第一测量时刻ts的初始厚度，T2为所述第二测量段的测量部分在第一测量时刻ts的初始厚度；V1ts为在第一测量时刻ts时第一测量端电压值，V1te为在第二测量时刻te第一测量端电压值；V2ts为在第一测量时刻ts时参考端电压值，V2te为在第二测量时刻te参考端电压值；V3ts为在第一测量时刻ts时第一测量端电压值，V3te为在第二测量时刻te第二测量端电压值。
需要说明的是，以上以第一参考段和第二参考段检测用于测量时刻的起点和终点相同的监测时间段的示例。在具体实施时，第一参考段和第二参考段检测可以分别用于测量时刻的起点和终点不同的监测时间段的腐蚀量测量。
进一步地，本发明实施例的装置中，所述腐蚀测量模块还适于获得所述第一测量段的测量部分在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度腐蚀率ν1，其中，和/或，
所述第二测量段的测量部分在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度腐蚀率ν2，其中，
本发明实施例的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置，利用恒流源为电阻探针供电，利用多组两两引脚之间的电势差，方便地获得金属在环境介质中腐蚀量和腐蚀速度，测量速度快、精度高。
记投入使用时电阻探针的测试部分(即前述的测量段)和温度补偿部分(即前述的参考段)的初始电阻比为
记监测环境介质的腐蚀性过程中电阻探针测试部分和温度补偿部分的实时电阻比为
在腐蚀监测过程中，可以认为，电阻探针测试部分的阻值变化包括由腐蚀引起的电阻值变化和由温度引起的电阻值变化；而温度补偿部分的电阻值变化只受其自身的温度影响。
记腐蚀过程中由于腐蚀导致的电阻探针测试部分的电阻变化值为ΔR，则有
R测'＝R测”+ΔR (3)
式(3)中，R测‘’为测试部分受温度影响电阻发生变化后的阻值。设计电阻探针的测试部分和温度补偿部分的材质和结构参数完全相同，因此可以认为二者的热温度系数相同，因此，由温度变化引起的阻值变化率一致，即
由公式(1)、(2)、(3)、(4)可知
电阻探针的材质为电的良导体；电阻探针的测量段的测量部分在环境介质中逐渐被腐蚀测量段的电阻值及尺寸引起的电阻值变化满足：
式(6)中，b为探针金属宽度，ΔT为电阻探针测量段的测量部分的金属的损耗厚度，T为电阻探针测量段的测量部分的初始厚度。
则根据公式(5)和(6)，有
为了获得式(7)需要的电阻值变化率，本发明实施例的测量金属在环境介质中腐蚀量的装置采用恒流源分别为测量段和参考段供电，并分别获取两两引脚之间的电势差，将对电阻值的测量转换为对电压值的测量，精度高，速度快。
进一步地，
假设初始比值K0＝1，1天后的探针初始厚度为0.2mm，则
则年腐蚀速率的计算公式为
即此处的金属腐蚀速率V＝0.73mm/a。
以某电阻探针在广州大气中的腐蚀速度0.0562mm/a为例讨论电阻探针的电学参数和尺寸参数的设计方法。
若电阻探针一天的腐蚀厚度为
ΔT＝0.562÷365＝1.5398×10-4mm
本发明实施例中，测量段和参考段采用相同的尺寸参数和材质，则有K0＝1；选择金属带的初始厚度T＝0.15mm，代入公式(7)，有
可以得出K＇＝1.0010，
又因为
因参考部分电阻变化量很微小，可忽略不计，取其初始值作为腐蚀监测中的实时电阻值，R补＇＝R补＝14.2mΩ，则可得到R测’＝14.2142mΩ，
即探针阻值变化量ΔR＝0.0142mΩ。则为了准确检测该金属电阻探针的阻值变化，需要设计最小分辨率与之对应的测量电路及计算模块。
具体地，如果选择4-20mA恒流源模块为该金属电阻探针用电，则电压测量模块和腐蚀测量模块需要能够检测到的电压分辨率为0.284V。
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 (8)
1.一种电阻探针，其特征在于，包括：
金属带，所述金属带包括首尾依次相连的第一测量段、参考段和第二测量段，所述第一测量段、参考段和第二测量段的长度相同；
设置在所述第一测量段的首端的第一引脚；
设置在所述参考段的首端的第二引脚；
设置在所述参考段的尾端的第三引脚；
设置在所述第二测量段的尾端的第四引脚。
2.根据权利要求1所述的电阻探针，其特征在于，所述第一测量段、参考段和第二测量段以相同的方式蜿蜒设置。
3.根据权利要求1或2任一所述的电阻探针，其特征在于，
所述第一测量段的安装部分与环境介质相隔离地设置；所述第一测量段的工作部分暴露在环境介质中；
所述第二测量段的安装部分与环境介质相隔离地设置；所述第二测量段的工作部分暴露在环境介质中；
所述参考段与环境介质相隔离地设置；
所述第一引脚、第二引脚、第三引脚和第四引脚与环境介质相隔离地设置。
4.根据权利要求3所述的电阻探针，所述参考段与环境介质接触的表面包覆有涂层。
5.根据权利要求3所述的电阻探针，所述环境介质包括大气、海水、自来水、土壤、液化天然气、化工原料等。
6.一种测量金属在环境介质中腐蚀量的装置，其特征在于，包括：
如权利要求2-5任一所述的电阻探针；
恒流源模块，所述恒流源模块的电流输入端适于与所述第一引脚连接，所述恒流源模块的电流输出端适于与所述第四引脚连接；
第一电压测量模块，所述第一电压测量模块适于测量所述第一引脚与所述第二引脚之间的第一测量端电压值V1；
第二电压测量模块，所述第二电压测量模块适于测量所述第二引脚与所述第三引脚之间的参考端电压值V2；
第三电压测量模块，所述第三电压测量模块适于测量所述第三引脚与所述第四引脚之间的第二测量端电压值V3；
腐蚀测量模块，其适于获得所述第一测量段的测量部分在指定的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT1，和/或，所述第二测量段的测量部分在指定的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT2。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述腐蚀测量模块适于获得所述第一测量段在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT1，其中，
和/或，
所述腐蚀测量模块适于获得所述第二测量段在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度ΔT2，其中，
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T1为所述第一测量段的测量部分在第一测量时刻ts的初始厚度，T2为所述第二测量段的测量部分在第一测量时刻ts的初始厚度；V1ts为在第一测量时刻ts时第一测量端电压值，V1te为在第二测量时刻te时第一测量端电压值；V2ts为在第一测量时刻ts时参考端电压值，V2te为在第二测量时刻te参考端电压值；V3ts为在第一测量时刻ts时第一测量端电压值，V3te为在第二测量时刻te第二测量端电压值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述腐蚀测量模块还适于获得所述第一测量段的测量部分在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度腐蚀率ν1，其中，和/或，
所述第二测量段的测量部分在第一测量时刻ts至第二测量时刻te的监测时间段内被环境介质腐蚀的金属厚度腐蚀率ν2，其中，
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