CN109765172A - 一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法，属于金属/涂层材料大气腐蚀老化领域。该装置包括：大气腐蚀测量探头、在线测量与传输模块、供电模块和控制软件；在线测量与传输模块与大气腐蚀测量探头连接，在线实时测量大气腐蚀测量探头的阻抗；在线测量与传输模块与供电模块连接，供电模块为在线测量与传输模块提供电能；控制软件具备对在线测量与传输模块编程功能。本发明适用于各种金属及涂层海洋大气环境阻抗和腐蚀电位原位、自持、长时间、连续测量，具有测量精度高、适用性广、无需外部电源的特点，借助本发明，可以研究海洋大气环境金属腐蚀行为和涂层老化行为，为金属构件物大气腐蚀防护提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法，属于金属/涂层材料大气腐蚀老化领域，广泛用金属材料在潮湿、氯离子含量高的海洋大气腐蚀行为及涂层防护性能研究。
背景技术
海洋大气湿度高、氯离子含量高，腐蚀性强，服役于海洋大气环境金属/涂层材料面临严重的腐蚀和老化问题，是导致金属构件，如跨海大桥拉索、船舶上层建筑、滨海设施等，过早失效的主要原因之一。为发展耐海洋大气腐蚀金属材料和行之有效的防护手段，国内外学者普遍采用海洋大气暴露失重试验和实验室模拟试验研究金属大气腐蚀行为、评价涂层防护效果。
海洋大气暴露试验可获取金属材料在海洋大气环境准确腐蚀速率，但无法实时获取腐蚀速率随表面盐沉降量、湿润度等变化数据，获取的腐蚀信息量较少。实验室模拟试验可模拟各种海洋大气环境，便于研究温度、湿度、润湿时间等各因素对金属材料腐蚀行为、涂层老化规律影响，但模拟环境与实际环境存在一定的差异，无法准确代表金属/涂层材料在实际大气环境腐蚀老化行为。
为解决海洋大气暴露失重试验和实验室模拟试验局限性以及薄液膜条件下电化学测量难度大等问题，国内外学者开展了大量的金属/涂层材料服役海洋大气环境在线测量技术研究，并发展了广泛应用的大气腐蚀监测电池法（金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法CM）、Kelvin探头参比电极技术、电阻探针技术等。大气腐蚀监测电池法主要是通过测量两种不同金属偶接形成原电池的腐蚀电流评价大气环境腐蚀性强弱，如201610374579.7和201620508544.3基于通过测量异种金属偶对间电流评价大气腐蚀性强弱的原理，发明的一种大气腐蚀性监测设备，但该方法无法测量金属材料大气腐蚀速率。Kelvin探头参比电极技术可以测量薄液膜条件下金属电极电位和极化曲线，进而研究金属的大气腐蚀规律，不适用于现场在线测量。基于腐蚀导致金属电阻变化原理，201010209506.5发明了一种大气环境中金属腐蚀速率测量探头及方法，通过向测量探头施加直流信号，通过解析电压变化分析试样厚度变化，计算腐蚀速率；201610187966.X发明了一种自然环境腐蚀监测用电阻探针，通过测量金属材料在大气、海水、土壤中的电阻变化分析计算腐蚀速率，但电阻探针试样制作难度大、成本高，测量结果易受温度等干扰。
此外，针对大气腐蚀的薄液膜特点，201510496157.2、201510700102.9、201710760671.1、201710080807.4发明了用于模拟大气环境腐蚀研究的试验装置，通过在试样表面形成薄液膜，形成离子导电回路，通过商业化的电流测量仪测量腐蚀电流或者阻抗，实现室内模拟环境大气腐蚀研究。但上述专利发明的大气腐蚀试验装置无法用于未形成薄液膜大气环境腐蚀监测。
通过对现有技术分析可知，金属/涂层材料大气腐蚀原位测量的技术难点主要在于：（1）大气环境，试样表面干燥、润湿、液膜等多种状态，且周期交替，无法持续形成腐蚀电流测量回路，制约了腐蚀电流测量技术在大气腐蚀原位测量领域的应用；（2）电阻探针试样制作难度大、成本高，测量结果易受温度等干扰，只是用于部分金属大气腐蚀原位测量；（3）实验室模拟测试结果无法完全真实大气环境，测量结果存在误差。
发明内容
本发明的技术任务在于针对现有技术不足，提供一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法。该装置和方法可在线实时测量暴露在大气环境中裸露或者带涂层金属材料阻抗，评价金属/涂层材料耐大气腐蚀老化性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1、本发明提供一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，包括：大气腐蚀测量探头（1）、在线测量与传输模块（2）、供电模块、测试桩（5）和控制软件（6）；
所述在线测量与传输模块（2）与大气腐蚀测量探头（1）连接，在线实时测量大气腐蚀测量探头（1）的阻抗；
所述在线测量与传输模块（2）与供电模块连接，供电模块为在线测量与传输模块（2）提供电能；
所述控制软件（6）具备对在线测量与传输模块（2）编程功能，包括读取、导入和删除测量数据功能、测量结果图形显示和列表显示功能、参数设置功能、时间校正功能；
所述在线测量与传输模块（2）包括通道切换电路（201）、调理与功放电路（202）、激励信号发生电路（203）、阻抗测量电路（204）、数据处理与控制单元电路（205）、温度测量电路（206）、湿度测量电路（207）、时钟与定时唤醒电路（208）、通讯接口电路（209）、存储及无线传输电路（210），其中：
所述控制软件（6）通过通讯接口电路（209）与数据处理与控制单元电路（205）连接，编程设置温度测量范围和频率、湿度测量范围和频率、阻抗测量频率、正弦波幅值和频率，设置参数存在数据处理与控制单元电路（205）中；断开通讯接口后，数据处理与控制单元电路（205）按照设置参数，通过时钟与定时唤醒电路（208）定时工作，控制阻抗测量电路（204）、温度测量电路（206）、湿度测量电路（207）自动测量金属大气腐蚀阻抗、温度和湿度；
所述激励信号发生电路（203）通过调理与功放电路（202）向大气腐蚀测量探头（1）施加一定幅值和频率范围的正弦波信号；
所述数据处理与控制单元电路（205）与阻抗测量电路（204）互连，对测量进行进行采集、模数转换、计算；所述数据处理与控制单元电路（205）将测量、分析后的数据存储到存储及无线传输电路（210）中，然后无线远程传输到客户端。
为了进一步实现本发明的目的，所述激励信号发生电路（203）通过调理与功放电路（202）向大气腐蚀测量探头（1）施加幅值为5mV-100mV，频率范围为100kHz-100μHz正弦波信号。
为了进一步实现本发明的目的，所述阻抗测量电路（204）采用高速DDS+DMA+ADDA数字模拟电子技术通过通道切换电路（201）在激励信号发生电路（203）施加正弦波信号的过程中同步测量待测大气腐蚀测量探头（1）阻抗。
为了进一步实现本发明的目的，所述供电模块包括太阳能电池板（3）、与所述太阳能电池板（3）电连接的蓄电池（4），白天日照期，蓄电池（4）用于储存太阳能电池板（3）所产生的电能，蓄电池（4）还与在线测量与传输模块（2）连接，用于为在线测量与传输模块（2）持续提供电能。
为了进一步实现本发明的目的，所述太阳能电池板（3）安装在测试桩（5）上，蓄电池（4）埋在测试桩（5）附近土壤中。
为了进一步实现本发明的目的，所述通讯接口电路（209）采用RS32接口。
为了进一步实现本发明的目的，所述大气腐蚀测量探头（1）、在线测量与传输模块（2）、供电模块安装在测试桩（5）上。
为了进一步实现本发明的目的，所述大气腐蚀测量探头（1）包括参比电极（11）、待测金属试样或者涂层试样（12）和封装（13），参比电极（11）、待测金属试样或者涂层试样（12）固封在封装（13）内，并从封装（13）内引出导线。
2、本发明另提供一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量方法，该方法基于上述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，包括步骤如下：
S1、制作大气腐蚀测量探头（1）；
S2、将在线测量与传输模块（2）通过通讯接口与安装了控制软件（6）的电脑连接，成功读取在线测量与传输模块（2）后，通过控制软件（6）设置温度测量范围和频率、湿度测量范围和频率、阻抗测量频率、正弦波幅值和频率、时间，并保存；
S3、将在线测量与传输模块（2）与供电模块安装到测试桩（5）上，然后再将供电模块和测试桩（5）安装在测试现场，并通过专用电缆将在线测量与传输模块（2）和供电模块连接；
S4、将大气腐蚀测量探头（1）的两个试样、参比电极导线分别与在线测量与传输模块（2）工作电极、辅助电极和参比电极接线端连接，打开在线测量与传输模块（2），按照设定参数自动测量阻抗和腐蚀电位，并远程传输至服务器；
S5、通过控制软件（6）登录客户端，读取测试数据，并计算金属试样大气腐蚀速率。
为了进一步实现本发明的目的，大气腐蚀测量探头（1）制作时，将加工好的待测金属试样或者涂层试样（12）背面焊接导线，然后用环氧树脂将其与参比电极（11）一并封装一体。
本发明的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明适用于各种金属及涂层海洋大气环境阻抗和腐蚀电位原位、自持、长时间、连续测量，具有测量精度高、适用性广、无需外部电源的特点，借助本发明，可以研究海洋大气环境金属腐蚀行为和涂层老化行为，为金属构件物大气腐蚀防护提供技术支撑。
附图说明
附图1是本发明原位测量装置的组成图；
附图2是本发明在线测量与传输模块的组成图；
附图3是本发明大气腐蚀测量探头的结构图；
附图4是本发明的现场大气腐蚀测试结果如图；
附图5是通道切换电路的电路图；
附图6是调理与功放电路的电路图；
附图7是激励信号发生电路和阻抗测量电路的电路图；
附图8是数据处理与控制单元电路的电路图；
附图9是温度测量电路和湿度测量电路的电路图；
附图10是时钟与定时唤醒电路的电路图；
附图11通讯接口电路的电路图；
附图12是存储及无线传输电路的电路图。
图中，1、大气腐蚀测量探头，11、参比电极，12、待测金属试样或者涂层试样，13、封装，2、在线测量与传输模块，201、通道切换电路，202、调理与功放电路，203、激励信号发生电路，204、阻抗测量电路，205、数据处理与控制单元电路，206、温度测量电路,207、湿度测量电路，208、时钟与定时唤醒电路，209、通讯接口电路，210、存储及无线传输电路，3、太阳能电池板，4、蓄电池，5、测试桩，6、控制软件。
具体实施方式
下面结合附图1-12，对本发明的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法作以下详细说明。
实施例一
如附图1所示，本发明的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，包括：大气腐蚀测量探头1、在线测量与传输模块2、太阳能电池板3、蓄电池4、测试桩5和控制软件6。
所述在线测量与传输模块2与大气腐蚀测量探头1连接，在线实时测量大气腐蚀测量探头1的阻抗。
所述在线测量与传输模块2与蓄电池4连接，蓄电池为在线测量与传输模块2提供稳定可靠的电能。
所述太阳能电池板3与蓄电池4连接，白天日照期，太阳能电池板3为蓄电池4充电，确保蓄电池4为在线测量与传输模块2持续供电。
所述大气腐蚀测量探头1、在线测量与传输模块2、太阳能电池板3安装在测试桩5上，蓄电池4埋在测试桩5附近土壤中。
所述控制软件6具备对在线测量与传输模块2编程功能，包括读取、导入和删除测量数据功能、测量结果图形显示和列表显示功能、参数设置功能、时间校正功能；
如附图2、4-12所示，所述在线测量与传输模块2包括通道切换电路201、调理与功放电路202、激励信号发生电路203、阻抗测量电路204、数据处理与控制单元电路205、温度测量电路206、湿度测量电路207、时钟与定时唤醒电路208、通讯接口电路209、存储及无线传输电路210，其中：
所述控制软件6通过通讯接口电路209与数据处理与控制单元电路205连接，编程设置温度测量范围和频率、湿度测量范围和频率、阻抗测量频率、正弦波幅值和频率，设置参数存在数据处理与控制单元电路205中；断开通讯接口后，数据处理与控制单元电路205按照设置参数，通过时钟与定时唤醒电路208定时工作，控制阻抗测量电路204、温度测量电路206、湿度测量电路207自动测量金属大气腐蚀阻抗、温度和湿度。
所述激励信号发生电路203通过调理与功放电路202向大气腐蚀测量探头1施加幅值为5mV-100mV，频率范围为100kHz-100μHz正弦波信号。
所述阻抗测量电路204采用高速DDS+DMA+ADDA数字模拟电子技术通过通道切换电路201在激励信号发生电路（203）施加正弦波信号的过程中同步测量待测大气腐蚀测量探头1阻抗。
所述数据处理与控制单元电路205与阻抗测量电路204互连，对测量进行进行采集、模数转换、计算；所述数据处理与控制单元电路205将测量、分析后的数据存储到存储及无线传输电路210中，然后无线远程传输到客户端。
本发明中，所述通讯接口电路209采用RS32接口。需要说明的是，控制软件6编程功能的实现为本领域技术人员公知，在此不再赘述。
如附图3所示，所述大气腐蚀测量探头1包括参比电极11、待测金属试样或者涂层试样12和封装13，参比电极11、待测金属试样或者涂层试样12固封在封装13内，并从封装13内引出导线。
实施例二
本发明的金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量方法，基于实施例一的装置，具体包括以下步骤：
S1、制作大气腐蚀测量探头1，将加工好的待测金属试样或者涂层试样12背面焊接导线，然后按图3用环氧树脂将其与参比电极11一并封装一体；
S2、将在线测量与传输模块2通过通讯接口与安装了控制软件6的电脑连接，成功读取在线测量与传输模块2后，通过控制软件6设置温度测量范围和频率、湿度测量范围和频率、阻抗测量频率、正弦波幅值和频率、时间，并保存；
S3、将在线测量与传输模块2与供电模块安装到测试桩5上，然后再将供电模块和测试桩5安装在测试现场，并通过专用电缆将在线测量与传输模块2和供电模块连接；
S4、将大气腐蚀测量探头1的两个试样、参比电极导线分别与在线测量与传输模块2工作电极、辅助电极和参比电极接线端连接，打开在线测量与传输模块2，按照设定参数自动测量阻抗和腐蚀电位，并远程传输至服务器；
S5、通过控制软件6登录客户端，读取测试数据，并按公式（Ⅰ）计算金属试样大气腐蚀速率，v为金属材料大气腐蚀电流密度，单位为安培每平方米；B为常数，通过试验确定，单位为伏；R 1为低频阻抗值，R 2为高频阻抗值，单位为欧姆平方米。通过公式（Ⅱ）计算涂层阻抗R，根据阻抗大小评价涂层防腐性能优劣以及随时间的劣化规律。
（Ⅰ）
（Ⅱ）
按照测试方法，在南海某岛礁开展了为期32天镀锌铝涂层钢大气腐蚀测试，阻抗测量时，施加的正弦波信号频率范围为100kHz～0.01Hz，幅值为5mV，测试结果如图4所示。根据公式（Ⅰ）计算，不同时间段镀锌铝涂层钢腐蚀速率如表1所示。
表1
| 时间/天 | 2 | 4 | 8 | 24 | 32 |
| 腐蚀速率/μAcm<sup>-2</sup> | 0.89 | 1.31 | 0.21 | 0.43 | 1.25 |
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
Claims (10)
1.一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，包括：大气腐蚀测量探头（1）、在线测量与传输模块（2）、供电模块、测试桩（5）和控制软件（6）；
所述在线测量与传输模块（2）与大气腐蚀测量探头（1）连接，在线实时测量大气腐蚀测量探头（1）的阻抗；
所述在线测量与传输模块（2）与供电模块连接，供电模块为在线测量与传输模块（2）提供电能；
所述控制软件（6）具备对在线测量与传输模块（2）编程功能，包括读取、导入和删除测量数据功能、测量结果图形显示和列表显示功能、参数设置功能、时间校正功能；
所述在线测量与传输模块（2）包括通道切换电路（201）、调理与功放电路（202）、激励信号发生电路（203）、阻抗测量电路（204）、数据处理与控制单元电路（205）、温度测量电路（206）、湿度测量电路（207）、时钟与定时唤醒电路（208）、通讯接口电路（209）、存储及无线传输电路（210），其中：
所述控制软件（6）通过通讯接口电路（209）与数据处理与控制单元电路（205）连接，编程设置温度测量范围和频率、湿度测量范围和频率、阻抗测量频率、正弦波幅值和频率，设置参数存在数据处理与控制单元电路（205）中；断开通讯接口后，数据处理与控制单元电路（205）按照设置参数，通过时钟与定时唤醒电路（208）定时工作，控制阻抗测量电路（204）、温度测量电路（206）、湿度测量电路（207）自动测量金属大气腐蚀阻抗、温度和湿度；
所述激励信号发生电路（203）通过调理与功放电路（202）向大气腐蚀测量探头（1）施加一定幅值和频率范围的正弦波信号；
所述数据处理与控制单元电路（205）与阻抗测量电路（204）互连，对测量进行进行采集、模数转换、计算；所述数据处理与控制单元电路（205）将测量、分析后的数据存储到存储及无线传输电路（210）中，然后无线远程传输到客户端。
2.根据权利要求1所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述激励信号发生电路（203）通过调理与功放电路（202）向大气腐蚀测量探头（1）施加幅值为5mV-100mV，频率范围为100kHz-100μHz正弦波信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述阻抗测量电路（204）采用高速DDS+DMA+ADDA数字模拟电子技术通过通道切换电路（201）在激励信号发生电路（203）施加正弦波信号的过程中同步测量大气腐蚀测量探头（1）阻抗。
4.根据权利要求1或2所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述供电模块包括太阳能电池板（3）、与所述太阳能电池板（3）电连接的蓄电池（4），蓄电池（4）用于储存太阳能电池板（3）所产生的电能，蓄电池（4）还与在线测量与传输模块（2）连接，用于为在线测量与传输模块（2）提供电能。
5.根据权利要求4所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述太阳能电池板（3）安装在测试桩（5）上，蓄电池（4）埋在测试桩（5）附近土壤中。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述通讯接口电路（209）采用RS32接口。
7.根据权利要求1、2或5所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述大气腐蚀测量探头（1）、在线测量与传输模块（2）、供电模块安装在测试桩（5）上。
8.根据权利要求1、2或5所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，其特征在于，所述大气腐蚀测量探头（1）包括参比电极（11）、待测金属试样或者涂层试样（12）和封装（13），参比电极（11）、待测金属试样或者涂层试样（12）固封在封装（13）内，并从封装（13）内引出导线。
9.一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1、2或5所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置，包括步骤如下：
S1、制作大气腐蚀测量探头（1）；
S2、将在线测量与传输模块（2）通过通讯接口与安装了控制软件（6）的电脑连接，成功读取在线测量与传输模块（2）后，通过控制软件（6）设置温度测量范围和频率、湿度测量范围和频率、阻抗测量频率、正弦波幅值和频率、时间，并保存；
S3、将在线测量与传输模块（2）与供电模块安装到测试桩（5）上，然后再将供电模块和测试桩（5）安装在测试现场，并通过专用电缆将在线测量与传输模块（2）和供电模块连接；
S4、将大气腐蚀测量探头（1）的两个试样、参比电极导线分别与在线测量与传输模块（2）工作电极、辅助电极和参比电极接线端连接，打开在线测量与传输模块（2），按照设定参数自动测量阻抗和腐蚀电位，并远程传输至服务器；
S5、通过控制软件（6）登录客户端，读取测试数据，并计算金属试样大气腐蚀速率。
10.根据权利要求9所述的一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量方法，其特征在于，大气腐蚀测量探头（1）制作时，将加工好的待测金属试样或者涂层试样（12）背面焊接导线，然后将其与参比电极（11）一并封装一体。
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