CN112048724B - 一种外加电源的阴极保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学技术领域，更具体地，涉及一种外加电源的阴极保护系统。用于解决现有的阴极保护系统，在遇到工作环境中有杂散电流干扰时，系统会失去工作效能的问题。此种外加电源的阴极保护系统包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述四个子系统通过钢构件连接在一起，所述钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼。以实现在电解液环境中，即使存在各种杂散电流干扰，该系统下的阴极依然可以得有效保护，避免遭受腐蚀的技术效果。

Description

一种外加电源的阴极保护系统

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，更具体地，涉及一种外加电源的阴极保护系统。

背景技术

为了对抗工作在地下或水下环境中的钢铁件的表面腐蚀，已经进化出了阴极保护技术和阳极保护技术这两种不同方向的技术路线。本发明中以阴极保护技术为主来进行叙述，阴极保护系统又可分为牺牲阳极阴极保护系统和外加电源阴极保护系统两种。

以铁元素在自然淡水环境下的条件为例，是否发生腐蚀，可以从Fe-H₂O-pH图（见图5、图6）上判断，它主要分为三类腐蚀状态的区域：免蚀区；腐蚀区；钝化区。免蚀区属于阴极保护技术体系，钝化区属于阳极保护技术体系。

在金属腐蚀的理论体系中，腐蚀是指金属材料在电解液环境下，金属将电子传递给电解液后，金属原子转变为金属离子的过程。

遵循该定义，本发明中认为导致在电解液环境中的金属材料会出现腐蚀，是符合法拉第第一定律（电解定律）的定义。在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流强度和通电时间成正比。当金属原子的电子，在极化电位的驱动下，穿透了金属和电解液之间的双电层界面的阻隔，从金属流入电解液环境中，此时该金属材料表面上发生了阳极氧化反应，即发生腐蚀。反之如果电解液中有电子穿透了金属材料表面和电解液之间的双电层界面阻抗，进入金属材料中，此时该金属材料表面上发生了阴极还原反应，发生电镀现象。即被极化的金属材料在电解液环境下，极化电流的从金属材料流入环境电解液，才是金属在电解液环境下发生腐蚀的决定性条件。

随着城市的发展，各种地铁、地下电力线缆大大增加，这些设备在运营中将不可避免地产生流经大地的杂散电流。这些杂散电流（或称迷流）不仅会对地下或水下金属材料的裸露表面产生严重的电化学腐蚀作用、极大的加快了腐蚀速度外，还会对阴极保护系统的工作效果造成很大的破坏性影响，导致阴极保护系统工作效果欠佳，甚至完全失效。

在地下或水下的环境中出现了一个杂散电流干扰源后，由于电解液存在一定的电导率，就形成了一个以干扰源为中心、向四周扩散、电强度逐步衰减的球形电场，最终衰减为大地0电位，其影响可以达到几十米甚至几千米。当存在多个、多样的干扰源，各干扰源形成的球形衰减电场会相互影响耦合，最终形成了在不同的位置点、不同时间点，电解液的内电位均不相同的环境电场E_环。

在地下或水下的环境中工作的钢构件，当表面的绝缘防腐层出现破损裸露点后，环境电场E_环就会形成从这些裸露点处流入或流出钢构件的电流，同时使得钢构件的电位E_钢发生改变；而钢材料均属于极良好的电子导体，电阻率极小，各杂散电流干扰源在钢构件多个绝缘防腐层破损点处的博弈、耦合，最终导致钢构件电位E_钢虽然随时间变化而变化，但在同一时间点在钢构件的各个位置点，其电位E_钢却几乎完全相同，各个裸露位置点在钢构件侧的电位差别，在工程实践中完全可以忽略不计。

环境电场E_环通过钢构件各表面裸露点处的双电层界面，与钢构件电位E_钢进行博弈，就最终决定了在不同位置的裸露点处，电流是从环境中流入钢构件（该裸露点被保护），还是从钢构件流入环境中（该裸露点被腐蚀）。

在本发明中，把上面所描述的、由于环境电场E_环和钢构件上电位E_钢的相互博弈，使得钢结构表面双电层有电流形成并穿过双电层，这些电流统称为一次电流。并在本发明中的叙述中规定从钢构件流入环境中为一次电流的正方向，正方向电流导致钢构件裸露点发生腐蚀；从环境中流入钢构件为一次电流的负方向，负方向电流使得钢构件裸露点被保护。

另外由于环境电场E_环的大小随位置变化而变化，故在环境电场E_环电位相对高的裸露点处，形成电流进入钢构件，经由钢构件作为电通道后，又从环境电场V_环电位相对低的裸露点处流出。在本发明中，把这种由于在不同位置、存在大小不同的环境电场E_环，在环境电场E_环电位高的裸露点处形成电流进入钢构件，把钢构件做电子通道后，又从另外一些环境电场E_环电位低的位置点流出钢构件的电流，统称为二次电流（或平衡电流）。并在本发明中的叙述中规定从钢构件流入环境中为二次电流的正方向，同样正方向电流导致钢构件裸露点发生腐蚀；从环境中流入钢构件为二次电流的负方向，负方向电流使得钢构件裸露点被保护。

经理论分析和实验检验，一次电流和二次电流是同时发生并相互叠加，且证实其流动规律遵循比尔霍夫电流定律，即所有从钢构件流出的一次电流和二次电流的总和，等于钢构件所有流入的一次电流和二次电流的总和。

避免在钢构件表面绝缘层破损处出现正值一次电流的办法：

一次电流是因为环境电场E_环，与钢材料上电位E_钢博弈的结果，故可以知道当环境电场E_环高于钢材料上电位E_钢时，一次电流都会是负值，裸露点就不会发现腐蚀现象。因此如果将钢构件上的电位E_钢，调整得永远都比环境电场E_环的最低电位还要低时,即可保证一次电流均为负值。

在本发明中所采用的具体工程办法是，让一个电极与钢构件有电连接，通过调整该电极上双电容界面层金属侧的电位，因为导线和钢材料均有着极低的电阻，使得在工程应用的层面上可以视二者的电位相同，从而达到调整钢构件电位E_钢的目的。如果将钢构件电位E_钢，调整到比环境电场E_环的最小值还低一定程度的时候，即可以确保钢构件表面上所产生的一次电流，全部为进入钢构件的正值一次电流，且所有进入钢构件的一次电流，将全部在该电极（极化体）处排出。

避免在钢构件表面绝缘层破损处出现负值二次电流的办法：

二次电流是因为环境电场中各个位置的电位E_环都不相同，导致在环境电位高的地方，电流流入钢构件表面绝缘层破损点，形成负值二次电流；而又会在环境电位低的地方，这些流入钢构件的二次电流流出钢构件表面绝缘层破损点，形成正值二次电流。

在本发明中所采用的具体工程办法是，让一个电极与钢构件有电连接，通过调整与该电极配套外加电源阳极上双电容界面层电解液侧的电位，从而使得环境电场E_环的作用效应发生改变，即可确保钢构件表面处所产生的二次电流全部为负值，所有的正值二次电流将全部在该电极（排流体）处排出。而需要施加在该外加电源阳极的电位，与环境电场E_环的最大值与最小值之间的差值相关。

传统的阴极保护系统，认为钢材料电位，是决定钢材料是否腐蚀的决定性条件，是因为完全没有考虑到环境电场对极化电流流向的影响，或默认环境电场全部为0，故在理论和实践方面都存在很大不足和缺陷。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷（不足），提供一种外加电源的阴极保护系统，用于解决现有的阴极保护系统，在遇到工作环境中有杂散电流干扰时，系统会失去工作效能的问题。根据在背景技术中对腐蚀现象和法拉第第一定律（电解定律）的认知基础上，提出一种新型外加电源的阴极保护系统，该系统可以实现即使在电解液环境中存在各种杂散电流干扰，该系统下的阴极依然可以得有效保护，避免遭受腐蚀的技术效果。一种外加电源的阴极保护系统，包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，用于测量钢构件的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差；所述钢构件排流控制系统，根据所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统获取的电流差，将所有流入钢构件的电流，从钢构件排流控制系统的排流体排出；所述钢构件电位测量系统用于获取钢构件上的电位；所述钢构件电位控制系统，根据钢构件电位测量系统获取到的钢构件的电位，将钢构件上的电位控制在合适的数值范围内；所述四个子系统通过钢构件连接在一起，均与钢构件有电连接；所述钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统包括测量试片，所述测量试片被充分极化，且其材质与钢构件的材质相同，所述测量试片上留下面积一定且固定的裸露测量点。

进一步地，所述法拉第笼包括外金属纱网、笼体和内金属纱网三层结构；其中外金属纱网设置在笼体的外壁上，内金属纱网设置在笼体的内壁上；所述笼体为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网和外金属纱网为导电性强的金属材料。

进一步地，内金属纱网和外金属纱网通过笼体隔开，二者互不接触；所述内金属纱网和外金属纱网也不与其它导电性材料接触；所述内金属纱网和外金属纱网事实上接地。

进一步地，所述笼体上设置有孔洞,所述内金属纱网和外金属纱网上有孔眼，所述孔洞和孔眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼；所述内金属纱网和外金属纱网设置有两层以上。

进一步地，所述内金属纱网的内侧，外金属纱网的外侧，设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞。

进一步地，钢构件电位测量系统，用于得到钢构件的电位E_钢；钢构件电位控制系统，以上述测量到的E_钢为控制信号，把钢构件的电位E_钢控制在合适的数值范围内。

进一步地，所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，用于得到钢构件各个地点如果出现裸露点，即可能在该裸露点所生成的钢构件与环境之间的电流差I_钢-环和电位差E_钢-环；钢构件排流控制系统，以上述测量到的I_钢-环为控制信号，消除电流从被保护钢构件的防腐层破损处流到环境中；且让所有流入钢构件的电流，又从钢构件排流控制系统的排流体处排出。

进一步地，上所述的钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，在一个工作单元内有多套，且要求尽量均匀的分布安装在靠近钢构件表面的各个位置。其组成设备包括：测量试片、开关K1、直流电流表、开关K3、直流电位差计B等，具体结构见图1。具体包括：

测量试片、直流电流表和直流电位差计B，所述钢构件、测量试片、直流电流表和直流电位差计B通过导线连接，所述直流电流表和直流电位差计B连接在所述钢构件和测量试片之间，所述直流电流表和直流电位差计B并联连接，并分别设置有开关；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，在一个工作单元内设置有多套，且均匀的分布在靠近钢构件表面的位置。

进一步地，上所述的测量试片，要求其材质与钢构件相同，试片上留下面积一定且固定的裸露测量点；该试片应尽量靠近被保护钢构件表面，安装位置也应该尽量分开且均匀。

进一步地，所述开关K1闭合（K3断开或闭合均可）时，直流电流表的读数值，即为钢构件和测量试片之间的电流差I_试-环，该数据即是电流差测量试片所处位置附件的、钢结构防腐层破损处（如果有的话）与环境电场博弈后形成的电流差I_钢-环。

进一步地，所述开关K1断开，K3闭合时，直流电位差计B的读数值，即为钢构件和电流差测量试片之间的电位差E_试-环，该数据即是测量试片所处位置附件的、钢结构防腐层破损处（如果有的话）与环境电场博弈后形成的电位差E_钢-环。

进一步地，所述直流电流表也可以替换为阻值合适的测流电阻。

进一步地，钢构件电位测量系统，在另一份申请文件《一种钢构件电位测量系统》有详细说明其具体结构和使用方式，具体结构见图2。具体包括：

直流电位差计A、参比电极、温度&PH表计和温度&PH探头；所述钢构件、直流电位差计A、参比电极通过导线连接，所述直流电位差计A连接在所述钢构件和参比电极之间；所述温度&PH表计和温度&PH探头通过导线连接；所述钢构件设置在法拉第笼外部，所述参比电极和温度&PH探头设置在法拉第笼内部。

进一步地，钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统均在另一份申请文件《一种应用于电解液环境的法拉第笼》中所叙述的、一种在电解液环境使用的法拉第笼为基础，再配合合适的电化学设备构成。具体结构见图3、图4。

进一步地，所述的钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统等三个子系统，在一个工作单元内均应设置一套。

进一步地，所述钢构件电位控制系统，包括电位仪A、外加电源阳极A、极化体；所述外加电源阳极A、电位仪A和极化体通过导线连接，所述电位仪A连接在所述外加电源阳极A和极化体之间；所述钢构件通过导线连接在所述电位仪A和极化体之间；所述钢构件设置在法拉第笼外部，所述外加电源阳极A和极化体设置在法拉第笼内部。所述的钢构件电位控制系统，组成设备包括：法拉第笼、外加电源阳极A、极化体、电位仪A等，具体结构见图3。具体包括：

所述外加电源阳极A和极化体，分别与电位仪A的正、负极电连接，极化体同时与被保护钢构件电连接；外加电源阳极A和极化体，都布置在同一个法拉第笼的笼室内；上述外加电源阳极A、电位仪A均按具体工作的要求，选取合适的类型和型号；电位仪A具备正/负电位输出功能，且要求其输出电位、电流的能力足够。

进一步地，所述的钢构件电位控制系统，工作时电位仪A根据E_钢的数值作为控制信号，改变极化体的电位E_极，将E_钢数值一直保持在规定的范围内。

进一步地，所述钢构件排流控制系统，包括电位仪B、外加电源阳极B和排流体；所述外加电源阳极B、电位仪B和排流体通过导线连接，所述电位仪B连接在所述外加电源阳极B和排流体之间；所述钢构件通过导线连接在所述电位仪B和排流体之间；所述钢构件设置在法拉第笼外部，所述外加电源阳极B和排流体设置在法拉第笼内部。所述的钢构件排流控制系统，组成设备包括：法拉第笼、外加电源阳极B、排流体、电位仪B等，具体结构见图4。具体包括：

所述外加电源阳极B和排流体，分别与电位仪B的正、负极电连接，排流体同时与被保护钢构件电连接；外加电源阳极B和排流体，都布置在同一个法拉第笼的笼室内；排流体的材质推荐与钢构件材质相同；上述对外加电源阳极B、电位仪B的要求，与外加电源阳极A、电位仪A完全相同。

进一步地，所述的钢构件排流控制系统，其工作优先级低于钢构件电位控制系统。在确保E_钢数值一直处于规定范围内的前提下，根据从所有电流差I_钢-环数据得来的分析结果，调整电位仪B输出，最终使得所有I_环-钢的数值均一直保持在规定的范围内。该范围的具体数值，需要在使用环境中，结合被保护钢结构的使用特性和要求后确定。

进一步地，结合所有的电位差E_钢-环数据，和同一个时间点上的E_钢数值，即可以获得钢构件周边环境电场E_环的动态变化状况。

进一步地，所述钢构件、法拉第笼以及法拉第笼内部的各个元件均完全浸泡在电解液环境中。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过设计钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统四个子系统，分别用于测量钢构件的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差、获取钢构件上的电位、将钢构件上的电位控制在合适的数值范围内和将所有流入钢构件的电流从排流体处排出，并配合一种应用在电解液环境下的法拉第笼用来屏蔽笼内外的电磁干扰，从而很好的实现了即便在电解液环境中存在多种且大量的杂散电流干扰，该系统仍然能够实现对阴极的有效保护，使该系统下的阴极避免遭受腐蚀。

附图标记说明

图1为本发明实施例钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统的示意图。

图2为本发明实施例钢构件电位测量系统的示意图。

图3为本发明实施例钢构件电位控制系统的示意图。

图4为本发明实施例钢构件排流控制系统的示意图。

图5为Fe-H₂O-pH图。

图6为Fe-H₂O-pH图。

附图标记说明：1、法拉第笼，2、笼体，3、孔洞，4、内金属纱网，5、外金属纱网，6、钢构件，7、水位线，11、开关K1，12、直流电流表，13、测量试片，16开关K3，17、直流电位差计B，21、开关K2，22、直流电位差计A，23、参比电极，32、温度&PH表计，33、温度&PH探头，41、电位仪A，42、外加电源阳极A，43、极化体，51、电位仪B，52、外加电源阳极B，53、排流体。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1-4所示，本实施例一种外加电源的阴极保护系统具体实施过程为，在确保所有的测量试片13被充分极化后，开关K1闭合（开关K3闭合或断开均可），直流电流表12的测量值，即是测量试片13所安装位置点处的环境，与钢构件6裸露点（如果有的话）之间的电流差I_钢-环。

在确保所有的测量试片13被充分极化后，开关K1断开，开关K3闭合，直流电位差计B(17)的测量值，即是测量试片13所安装位置点处的环境，与钢构件6裸露点（如果有的话）之间的电位差E_钢-环。

当把直流电流表12替换为阻值合适的测流电阻时，可令开关K1、K3均闭合，可以用直流电位差计B(17)的读数，和测流电阻的阻值，计算出电流差I_钢-环；如果开关K1断开且K3闭合，此时直流电位差计B(17)的读数即为电压差E_钢-环。

接通开关K2，直流电位差计A(22)的测量值，即为钢构件6与参比电极之间23的电位差E_钢-参。再结合环境温度、电解液的PH数据，按有关公式进行修正计算，即得到钢构件6的电位E_钢。

钢构件电位控制系统根据E_钢的测量结果，调度电位仪A(41)的输出，使得E_钢的最终数值始终处于要求的范围值内。

在确保E_钢的数值始终处于设定范围值内的前提下，钢构件排流控制系统根据从所有I_钢-环数值中分析得到的数据，调度电位仪B(51)的输出，使得所有的I_钢-环均处于要求的范围值内。

整个系统的工作频率，根据实际情况和具体需要进行调整。

实施例2

如图1-4所示，本实施例一种外加电源的阴极保护系统，包括四个子系统，分别是钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统用于测量钢构件6的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差；所述钢构件排流控制系统根据所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统获取的电流差，将所有流入钢构件的电流，从钢构件排流控制系统的排流体53排出；所述钢构件电位测量系统用于获取钢构件6上的电位；所述钢构件电位控制系统根据钢构件电位测量系统获取到的钢构件6的电位，将钢构件6上的电位控制在合适的数值范围内；所述四个子系统通过钢构件6连接在一起，其中钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼1。如图1所示，所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，包括测量试片13、直流电流表12和直流电位差计B(17)，所述钢构件6、测量试片13、直流电流表12和直流电位差计B(17)通过导线连接，所述直流电流表12和直流电位差计B(17)连接在所述钢构件6和测量试片13之间，所述直流电流表12和直流电位差计B(17)并联连接，并分别设置有开关；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，在一个工作单元内设置有多套，且均匀的分布在靠近钢构件表面的位置，所述测量试片需被充分极化，并要求其材质与钢构件相同，试片上留下面积一定且固定的裸露测量点；该试片应尽量靠近被保护钢构件表面，安装位置也应该尽量分开且均匀；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统用于得到钢构件各个地点如果出现裸露点，即可能在该裸露点所生成的钢构件与环境之间的电流差I_钢-环和电位差E_钢-环。

更为具体地，所述法拉第笼包括外金属纱网、笼体和内金属纱网三层结构；其中外金属纱网设置在笼体的外壁上，内金属纱网设置在笼体的内壁上；所述笼体为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网和外金属纱网为导电性强的金属材料。内金属纱网和外金属纱网通过笼体隔开，二者互不接触；所述内金属纱网和外金属纱网也不与其它导电性材料接触；所述内金属纱网和外金属纱网事实上接地。

所述笼体上设置有孔洞,所述内金属纱网和外金属纱网上有孔眼，所述孔洞和孔眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼1；所述内金属纱网和外金属纱网设置有两层以上。

所述内金属纱网的内侧，外金属纱网的外侧，均设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞。

如图2所示，基于具有上述特征的法拉第笼，所述钢构件电位测量系统，包括直流电位差计A(22)、参比电极23、温度&PH表计32和温度&PH探头33；所述钢构件6、直流电位差计(22)、参比电极23通过导线连接，所述直流电位差计A(22)连接在所述钢构件6和参比电极23之间；所述温度&PH表计32和温度&PH探头33通过导线连接；所述钢构件6设置在法拉第笼1外部，所述参比电极23和温度&PH探头33设置在法拉第笼1内部。所述钢构件电位测量系统，用于得到钢构件6的电位E_钢。

如图3所示，基于具有上述特征的法拉第笼，所述钢构件电位控制系统，包括电位仪A(41)、外加电源阳极A(42)、极化体43；所述外加电源阳极A(42)、电位仪A(41)和极化体43通过导线连接，所述电位仪A(41)连接在所述外加电源阳极A(42)和极化体43之间；所述钢构件6通过导线连接在所述电位仪A(41)和极化体43之间；所述钢构件6设置在法拉第笼1外部，所述外加电源阳极A(42)和极化体43设置在法拉第笼1内部。所述钢构件电位控制系统，以上述钢构件电位测量系统测量到的E_钢为控制信号，把钢构件6的电位E_钢控制在合适的数值范围内

如图4所示，基于具有上述特征的法拉第笼1，所述钢构件排流控制系统，包括电位仪B(51)、外加电源阳极B(52)和排流体53；所述外加电源阳极B(52)、电位仪B(51)和排流体53通过导线连接，所述电位仪B(51)连接在所述外加电源阳极B(52)和排流体53之间；所述钢构件6通过导线连接在所述电位仪B(51)和排流体53之间；所述钢构件6设置在法拉第笼1外部，所述外加电源阳极B(52)和排流体53设置在法拉第笼1内部。

所述钢构件6、法拉第笼1以及法拉第笼内部元件均设置在电解液的水位线7以下，即完全浸泡在电解液环境中。

按照上述结构连接此种外加电源的阴极保护系统，在具体测量时，需确保所有的测量试片13已充分极化，当开关K1闭合（开关K3闭合或断开均可），此时直流电流表12的测量值为钢构件6和测量试片13之间的电流差I_试-环，该数据即是测量试片13所处位置附件的、钢结构防腐层破损处（如果有的话）与环境电场博弈后形成的电流差I_钢-环。当开关K1断开，开关K3闭合，直流电位差计B(17)的测量值为钢构件6和测量试片13之间的电位差E_试-环，该数据即是测量试片所处位置附件的、钢结构防腐层破损处（如果有的话）与环境电场博弈后形成的电位差E_钢-环。

当直流电流表替换为阻值合适的测流电阻时，闭合开关K1、K3，可以通过直流电位差计的读数，和测流电阻的阻值，计算出电流差I_钢-环；当开关K1断开且K3闭合，此时直流电位差计的读数即为电压差E_钢-环。

对于所述钢构件电位测量系统，接通开关K2时，直流电位差计B(17)的测量值，即为钢构件6与参比电极23之间的电位差E_钢-参。再结合环境温度、电解液的PH数据，按有关公式进行修正计算，即可得到钢构件6的电位E_钢。

所述钢构件电位控制系统根据E_钢的测量结果，调度电位仪A(41)的输出，使得E_钢的最终数值始终处于要求的范围值内。所述外加电源阳极A(42)和极化体43，分别与电位仪A(41)的正、负极电连接，极化体43同时与被保护钢构件6电连接；外加电源阳极A(42)和极化体43，都布置在同一个法拉第笼1的笼室内；上述外加电源阳极A(42)、电位仪A(41)均按具体工作的要求，选取合适的类型和型号；电位仪A(41)具备正/负电位输出功能，且要求其输出电位、电流的能力足够。所述的钢构件电位控制系统，工作时电位仪A(41)根据E_钢的数值作为控制信号，改变极化体的电位E_极，将E_钢数值一直保持在规定的范围内。

在确保E_钢的数值始终处于设定范围值内的前提下，所述钢构件排流控制系统根据从所有I_钢-环数值中分析得到的数据，调度电位仪B(51)的输出，使得所有的I_钢-环均处于要求的范围值内。所述钢构件排流控制系统，以钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统测量到的I_钢-环为控制信号，消除电流从被保护钢构件6的防腐层破损处流到环境中，且让所有流入钢构件6的电流，又从钢构件排流控制系统的排流体处排出。所述外加电源阳极B(52)和排流体，分别与电位仪B(51)的正、负极电连接，排流体同时与被保护钢构件电连接；外加电源阳极B(52)和排流体53，都布置在同一个法拉第笼1的笼室内；排流体53的材质推荐与钢构件材质相同；上述对外加电源阳极B(52)、电位仪B(51)的要求，与外加电源阳极A(42)、电位仪A(41)完全相同。所述钢构件排流控制系统，其工作优先级低于钢构件电位控制系统。在确保E_钢数值一直处于规定范围内的前提下，根据从所有电流差I_钢-环数据得来的分析结果，调整电位仪B(51)输出，最终使得所有I_环-钢的数值均一直保持在规定的范围内。该范围的具体数值，需要在使用环境中，结合被保护钢结构6的使用特性和要求后确定。结合所有的电位差E_钢-环数据，和同一个时间点上的E_钢数值，即可以获得钢构件6周边环境电场E_环的动态变化状况。

整个系统的工作频率，根据实际情况和具体需要进行调整。所述的钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统等三个子系统，在一个工作单元内均应至少设置一套。

本发明通过设计钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统四个子系统，分别用于测量钢构件的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差、获取钢构件6上的电位、将钢构件6上的电位控制在合适的数值范围内和将所有流入钢构件的电流从排流体53处排出，并配合一种应用在电解液环境下的法拉第笼用来屏蔽笼内外的电磁干扰，从而很好的实现了在电解液环境中，对外加电源的阴极的有效保护，使外加电源的阴极避免遭受杂散电流腐蚀。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定，如该系统也适用于钢材料在电解质环境下的阴极保护，甚至可以扩展到其他金属材料在电解液、或电解质环境中的阴极保护。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，包括四个子系统，即钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统、钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统、钢构件排流控制系统；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统用于测量钢构件（6）的某个裸露处与环境之间的电流差和电位差；所述钢构件排流控制系统，根据所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统获取的电流差，将所有流入钢构件的电流，从钢构件排流控制系统的排流体（53）排出；所述钢构件电位测量系统，用于获取钢构件（6）上的电位；所述钢构件电位控制系统，根据钢构件电位测量系统获取到的钢构件（6）的电位，将钢构件（6）上的电位控制在合适的数值范围内；所述四个子系统通过钢构件（6）连接在一起，所述钢构件电位测量系统、钢构件电位控制系统和钢构件排流控制系统，均包括一种应用在电解液环境下的法拉第笼（1）；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统包括测量试片（13），所述测量试片（13）被充分极化，且其材质与钢构件（6）的材质相同，所述测量试片上留下面积一定且固定的裸露测量点；

所述法拉第笼（1）包括外金属纱网（5）、笼体（2）和内金属纱网（4）三层结构；所述外金属纱网（5）设置在笼体（2）的外壁上，所述内金属纱网（4）设置在笼体（2）的内壁上；所述笼体（2）为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网（4）和外金属纱网（5）为导电性强的金属材料；

所述内金属纱网（4）和外金属纱网（5）通过笼体（2）隔开，二者互不接触；所述内金属纱网（4）和外金属纱网（5）也不与其它导电性材料接触；所述内金属纱网（4）和外金属纱网（5）事实上接地；

所述笼体（2）上设置有孔洞（3）,所述内金属纱网（4）和外金属纱网（5）上有孔眼，所述孔洞（3）和孔眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼（1）；所述内金属纱网（4）和外金属纱网（5）设置有两层以上。

2.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述内金属纱网（4）的内侧，外金属纱网（5）的外侧，设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞。

3.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，还包括直流电流表（12）和直流电位差计B（17），所述钢构件（6）、测量试片（13）、直流电流表（12）和直流电位差计B（17）通过导线连接，所述直流电流表（12）和直流电位差计B（17）连接在所述钢构件（6）和测量试片（13）之间，所述直流电流表（12）和直流电位差计B（17）并联连接，并分别设置有开关；所述钢构件与环境之间的电流差和电位差测量系统，在一个工作单元内设置有多套，且均匀的分布在靠近钢构件表面的位置。

4.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述钢构件电位测量系统，包括直流电位差计A（22）、参比电极（23）、温度&PH表计（32）和温度&PH探头（33）；所述钢构件（6）、直流电位差计A（22）、参比电极（23）通过导线连接，所述直流电位差计A（22）连接在所述钢构件（6）和参比电极（23）之间；所述温度&PH表计（32）和温度&PH探头（33）通过导线连接；所述钢构件（6）设置在法拉第笼（1）外部，所述参比电极（23）和温度&PH探头（33）设置在法拉第笼（1）内部。

5.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述钢构件电位控制系统，包括电位仪A（41）、外加电源阳极A（42）、极化体（43）；所述外加电源阳极A（42）、电位仪A（41）和极化体（43）通过导线连接，所述电位仪A（41）连接在所述外加电源阳极A（42）和极化体（43）之间；所述钢构件（6）通过导线连接在所述电位仪A（41）和极化体（43）之间；所述钢构件（6）设置在法拉第笼（1）外部，所述外加电源阳极A（42）和极化体（43）设置在法拉第笼（1）内部。

6.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述钢构件排流控制系统，包括、电位仪B（51）、外加电源阳极B（52）和排流体（53）；所述外加电源阳极B（52）、电位仪B（51）和排流体（53）通过导线连接，所述电位仪B（51）连接在所述外加电源阳极B（52）和排流体（53）之间；所述钢构件（6）通过导线连接在所述电位仪B（51）和排流体（53）之间；所述钢构件（6）设置在法拉第笼（1）外部，所述外加电源阳极B（52）和排流体（53）设置在法拉第笼（1）内部。

7.根据权利要求1所述的一种外加电源的阴极保护系统，其特征在于，所述钢构件（6）、法拉第笼（1）以及法拉第笼内部的各个元件均完全浸泡在电解液环境中。

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