CN112899693A - 一种锌制参比电极电位校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锌制参比电极电位校准装置及方法，涉及到深埋管道、海上平台钢桩与舰船的电化学防腐蚀领域，尤其是用于检查与修复以纯锌为参比电极的外加电流阴极保护装置。该装置包括：信号发生器、电流表、电解模块、电位校准模块、时序控制模块与直流电源。通过本发明，可充分去除锌制参比电极表面的杂质以及精准地校准锌制参比电极的电位。

Description

一种锌制参比电极电位校准装置及方法

技术领域

本发明涉及深埋管道、海上平台钢桩与船舶电化学领域，尤其是用于解决以纯锌为参比电极的外加电流阴极保护装置的故障，特别涉及一种锌制参比电极电位校准装置及方法。

背景技术

以纯锌作为参比电极的外加电流阴极保护装置，其纯锌材料长时间浸泡海水或者潮湿的泥土中，导致锌制材料表面发生氧化等化学反应，加上海生物或者泥土生物附着表面，最终影响锌制材料的电位检测的准确性，严重时会导致锌制参比电极无法使用，无法提供准确的参比电位，使外加电流阴极保护装置对钢材失去保护作用。

目前业界对异常的锌制参比电极的处理方法只能换新，然而换新的成本高昂过程复杂，例如舰船需要更换参比电极就必须要把舰船开进船坞中，然后抽干坞中的水，把旧的参比电极拆卸下来，再进行更换，更换之后还要进行水密处理；如果是深埋海底管道，其更换锌制参比电极电极的难度就更大。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种锌制参比电极电位校准装置及方法，本发明可充分去除锌制参比电极表面的杂质以及精准地校准锌制参比电极的电位。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种锌制参比电极电位校准装置，包括：信号发生器、电流表、电解模块、电位校准模块、时序控制模块与直流电源，其中：

所述的信号发生器用于通过模拟锌制参比电极的电位值来检测锌制参比电极的外加电流阴极保护装置是否正常工作，以及控制外加电流阴极保护装置的阳极放电；

所述的电流表用于显示外加电流阴极保护装置阳极放电的电流；

所述的电解模块用于电解锌制参比电极；

所述的电位校准模块用于对电解后的锌制参比电极进行电位校准；

所述的时序控制模块用于连接电解模块、电位校准模块、锌制参比电极、外加电流阴极保护装置和接地，协调工作顺序并实行保护；

所述的直流电源用于为装置供电。

优选地，所述的信号发生器的输出端通过导线分别与外加电流阴极保护装置的参比电位输入端和接地线相接，用于模拟锌制参比电极的参比电位；所述的电解模块的输出端通过导线连接到锌制参比电极和放电阳极上；所述的电流表串联到外加电流阴极保护装置的接地线的负极中，用于监测外加电流阴极保护装置放电的电流值。

优选地，所述的电解模块设有过流保护继电器，所述过流保护继电器带有光耦隔离，所述的电解模块通过CPU检测计算电流数值与电流的变化趋势来控制继电器动作。

优选地，所述的电位校准模块通过CPU设定电位值与电位检测的间隔时间，CPU能够对当前电位与设定电位相比较，输出校准信号。

优选地，所述的时序控制模块为多路时间控制继电器板，内置单片机用于控制继电器延时动作的时间和动作顺序。

更优选地，所述的时序控制模块中，各路继电器均设置有光耦隔离，使单片机与继电器控制电路处于隔离状态。

优选地，所述的信号发生器输出直流信号电压为0-1000mV，输出电压精度为1mV；所述的电解模块最大输出的电流为50A，输出电流精度为0.1A。

本发明还提供了一种锌制参比电极电位校准方法，采用上述的一种锌制参比电极电位校准装置实现，包括：

1)关闭外加电流阴极保护装置控制箱的电源，拆除控制箱内的参比电极的接线端子与放电负极的接地线端子；通过导线把电位校准装置分别与控制箱的参比电极接线端、接地线和放电负极的接地线端子相连接；

2)打开电位校准装置的电源开关与控制箱电源，并把控制箱档位拨到自动，打开信号发生器开关，设定外加电流阴极保护装置放电的参比电位值；

3)增大信号发生器的模拟电位值，观察电流表显示的放电电流数值是否随之增大，如果电流值随着信号发生器的输出电位值增大而增大，说明控制箱与放电电极处于正常状态；如果电流表有示数，但是无法随着信号发生器的输出电位值变化，说明控制箱内部电路出现故障；若电流表没有示数，说明控制箱出现故障或者放电阳极出现断路，需要进行检修；

4)检测到控制箱与放电电极处于正常状态后，关闭控制箱与电位校准装置的电源，拆除控制箱放电负极的接地线端子，通过导线把电位校准装置分别与控制箱的接地线、锌制参比电极和放电阳极相连接；

5)打开电位校准装置的电源，设定电解时间与电解电流，打开电解开关，使电解模块通电，进行电解；

6)电解结束后，在电位校准模块上设定正常的参比电位和校准采样对比间隔时间，打开电位校准开关，进行电位校准。

优选地，进行电解时，电流经过电解质到锌制参比电极表面生成气体，剥离表面杂质。

以上修复原理是通过利用海水或潮湿土壤的导电性，促使参比电极与放电阳极形成导电通路，并与电位校准装置构成回路；尤其是在海水当中，可直接利用海水的氢离子通过电解作用在锌制材料表面形成氢气，利用氢气形成的气泡，在锌制参比电极表面产生剥离作用，促使杂质脱落；其电解的时间短，电解后的纯锌表面干净，并且是无损的电解方式(不会消耗锌材料)。

该锌制参比电极电位校准装置的电解功能有两种，一种是利用外加电流阴极保护装置的放电能力进行电解；另一种是利用该装置的电解模块进行电解。对电解后的锌制参比电极进行电位校准，可利用电位校准模块设定正确的校准电位值，打开电位校准开关，可对锌制参比电极的电位进行校准。

优选地，进行电位校准时，锌制参比电极通过电解质与需要保护的钢材载电位校准模块输出校准信号下构成回路，当锌制参比电极的参比电位降低到设定值时，校准过程结束。

以上电位校准原理是利用锌材料的易氧化的化学性质，并且在微电流作用下氧化过程，其参比电位会随着氧化过程形成氧化锌薄膜的分布密度增加而降低。

本发明的有益效果如下：

本发明开发了一种锌制参比电极电位校准装置及方法，其原理是通过阴极析氢反应把锌制参比电极表面的杂质去除，然后通过电位校准模块，把电解后的锌制参比电极恢复正常的电位检测功能，使外加电流阴极保护装置继续工作，保护钢材避免腐蚀。本发明操作简单，一次投入可反复使用，并且使用过程无时空限制，只要把该装置连接到异常的参比电极和所在控制箱相关导线，然后设置相关参数就可以实现对异常的参比电极进行在线修复和电位校准，并且修复过程对参比电极的损耗极小，一次修复校准后至少可以维持5年。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例在用于一种锌制参比电极电位校准装置的系统接线原理图。

图2是本发明的一个较佳实施例在用于一种锌制参比电极电位校准装置的面板示意图。

图3是本发明的一个较佳实施例在用于一种锌制参比电极电位校准装置的操作流程图。

图中：1—信号发生器，10—信号发生器显示屏，11—按钮；2—电解模块，20—电解模块显示屏；3—电位校准模块，30—电位校准模块显示屏；4—时序控制模块，40—时序控制模块显示屏；5—24V直流电源；6—电流表；7—外加电流阴极保护装置，71—参比电位输入端，72—接地线，73—参比电极，74—放电阳极，75—接地线端子，710—一号导线，720—二号导线，730—三号导线，740—四号导线，750—五号导线；S1—总电源开关；S2—电位校准开关；S3—模拟参比电位按键；S4—电解按键；S5—模拟试验按键；X1—报警灯；J1，J2，J3，J4—继电器。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的尺寸。

实施例

本发明提供的锌制参比电极电位校准装置(以下亦称作锌制参比电极电位校准仪)，具有两大功能，功能一：用来检测外加电流阴极保护装置控制箱是否正常运行；功能二：用来电解去除锌制参比电极表面杂质与电位校准。

如图1所示，该装置主要包括信号发生器1、电流表6、电解模块2、电位校准模块3、时序控制模块4、24V直流电源5与5根功能输出线(带夹子)。结合图2，面板黑色圆点都是设置按键，每个功能模块都用虚线框出，5根功能输出线，即一号导线710，二号导线720，三号导线730，四号导线740，五号导线750，并且都带有夹子；面板底部的开关和按钮都是与图1相匹配的。

其中：

信号发生器1的输出端通过导线分别与外加电流阴极保护装置7的参比电位输入端71和接地线72相接。信号发生器1的功能一：用于检测外加电流阴极保护装置7的放电功能是否正常；功能二：模拟参比电极73的参比电位到外加电流阴极保护装置7的主控板，控制其驱动板对阳极进行放电，并把锌制参比电极作为阴极进行析氢电解。信号发生器1可以输出直流0-1000mV的电压，其精度为1mV，通过利用旋钮和/或按钮11可以设定输出电压数值，并且自带液晶显示屏，即信号发生器显示屏10，可以实时显示输出电位值。

电解模块2的输出端由导线接到在外加电流阴极保护装置7的参比电极73和放电阳极74上，用于电解锌参比电极，输出的直流电压和电流数值可根据锌制参比电极的腐蚀程度自动调节；设定输出电压和电流根据电解的时间自动调节；设定输出电压和电流可进行人工设定的恒定电压与恒电流；以上设置电解工作模式可通过模块上的按键进行设置。该电解模块具有过电流保护，这种保护通过CPU检测计算电流数值与电流的变化趋势来控制继电器动作，从而达到切断电路的作用；并且电解模块的CPU处理器与过流保护继电器连接的外电路带有光耦隔离，可保护电解模块不被过电流烧坏，具体可以通过面板按键设定最大电解电流，当电流超过设定值时，继电器动作保护，当电流低于设定值时，继电器自动恢复正常状态。该电解模块还自带液晶显示屏，即电解模块显示屏20，可实时显示输出电压和电流，该模块的最大输出的电流为50A，精度为0.1A，并且可以通过按键设定电流的上下漂移电流值，避免继电器频繁动作，保证电解过程持续稳定进行。

电位校准模块3用于电解后的锌制参比电极电位校准；该电位校准模块有多路继电器，一路继电器连接锌制参比电极与需要保护的钢材，另一路为报警输出。电位校准模块内置CPU用于对电位值的设定与电位检测的间隔时间的设定，CPU可对当前电位与设定电位相比较，利用相应的算法程序(可通过常规技术手段实现，在此不做赘述)控制输出校准信号，并控制继电器动作。具体可通过按键设定正常的参比电位值，结合时序控制模块4，每隔一段时间对锌制参比电极的电位进行采样，然后与设定值进行比较，当检测的锌制参比电极的电位值低于设定值时，电位校准结束，电位校准仪输出声光报警，该电位校准模块还自带液晶显示屏，即电位校准模块显示屏30。

时序控制模块4为各模块的枢纽，连接各种功能模块与外加电流阴极保护装置7的参比电极73、放电阳极74、、参比电位输入端71与接地线72(需要保护的钢材)等，用于协调各模块之间的工作顺序与对各模块进行保护。时序控制模块4为多路时间控制继电器板，内置单片机用于控制继电器延时动作的时间和动作顺序；控制动作时间可以通过按键进行调整，并内置晶体管的时间和模式显示屏，即时序控制模块显示屏40。时序控制模块4可通过输入信号与功能设定进行独立和或联合控制每一路继电器J1、J2、J3和J4，并且每一路继电器与模块的CPU处理之间都采用光耦隔离，保证单片机与继电器控制电路处于隔离状态。

电流表6，串联到外加电流阴极保护装置7的接地线72的负极中，用于监测控制箱放电的电流值。

24V直流电源5是大功率的开关电源，为整套设备的所有模块供电，电压转换类型为220VAC或380AC转直流电压，并且输出直流电压值可调节。

如图3所示，实现功能一的步骤如下：

第一步，关闭外加电流阴极保护装置7控制箱的电源，拆除控制箱内的参比电极的接线端子与放电负极的接地线端子；把锌制参比电极电位校准仪的一号导线710接入到控制箱的参比电位输入端71；把其二号导线720夹子接到控制箱的接地线72(需要保护的钢材)；把五号导线750夹子接到放电阳极74的接地线端子75上。

第二步，打开锌制参比电极电位校准仪的总电源开关S1与加电流阴极保护装置控制箱电源，并把控制箱档位拨到自动，打开信号发生器1开关，在锌制参比电极电位校准仪面板上设定外加电流阴极保护装置的放电的参比电位放电值(一般为220mV)，按下模拟参比电位按键S3和模拟试验按键S5。

第三步，顺时针旋转旋钮来增大模拟电位值，观察锌制参比电极电位校准仪的电流表显示的放电电流的数值是否随之增大，如果电流值能正常随着输入信号发生器的输出电位值增大而增大，说明控制箱与放电电极处于正常状态。如果电流表有示数，但是无法随着信号发生器的输出电位值变化，说明控制箱内部电路出现故障；若电流表没有示数，说明控制箱出现故障或者放电阳极出现断路，需要进行检修。若检查出是放电阳极出现断路，需要把放电阳极处理好才能进行功能二的操作。

功能一的工作原理是利用信号发生器模拟锌制参比电极的电位值，来控制外加电流阴极保护装置进行放电；具体放电闭环过程：参比电位值升高到放电设定值，控制箱的主控板控制驱动板进行放电→电流从放电阳极输出→通过海水或潮湿泥土→传递到接地线(需要保护钢材)→经过接地线→流过锌制参比电极电位校准仪的电流表→回到控制箱的接地线端子(负极)。因为控制箱的放电电流都比较大，最大可达到100A,因此放电阳极容易被大电流烧蚀，如果放电阳极出现断路，电路就无法形成回路，锌制参比电极电位校准仪的电流表就没有示数。

实现功能二的步骤如下：

第一步，关闭外加电流阴极保护装置控制箱与锌制参比电极电位校准仪的电源；拆除控制箱放电阳极74的接地线端子，把其二号导线720夹子接到控制箱的接地线，将锌制参比电极电位校准仪的三号导线730夹子夹到控制箱锌制参比电极上，将其四号导线740夹子夹到控制箱的放电阳极74。

第二步，打开总电源开关S1时(闭合S1)，除了电解模块2以外的其他模块都处于通电状态；在对锌制参比电极进行电解操作时，设定电解时间(默认为30分钟)，设定电解电流(默认为10A)与电解漂移电流，只要按下电解按键S4，时序控制模块4的J1继电器闭合，电解模块2就通电，电流就从电解模块2的正极流出，先后经过该模块上的电流表和过流保护继电器到放电阳极，放电阳极表现就发生氧化反应，如果放电阳极在海水中(如船舶或海上平台)，其表面会产生氯气；电流经过海水这种电解质到锌制参比电极表面，此时参比电极作为电解的阴极，其表面会生成氢气(发生析氢反应)；在生成氢气过程中，即气泡的形成产生膨胀力，会把杂质从锌表面剥离出去，锌表面就可以充分与海水接触，电流再从锌制参比电极回流到电解模块的负极。电解的时间由时序控制模块4控制，一般设定时间为30分钟，即过了30分钟，会自动停止电解工作，如需进一步的电解，只要再次按下电解按键S4。电解后的锌制参比电极的电位都比较高，需要进行电位校准。

第三步，电解结束，在电位校准模块3上设定好正常的参比电位值(用手持锌棒参比电极检测的参比电位值)和时序控制模块4的采样时间间隔(一般不需要设置，默认为30分钟)，拨动电位校准开关S2,便开始进入电位校准状态，其校准的原理是锌制参比电极通过电解质与需要保护的钢材在电位校准模块输出校准信号下构成回路，促使锌表面产生氧化锌薄膜，这层氧化锌薄膜可以更好地维护锌的参比电位的稳定性；在形成氧化锌的过程，锌的参比电位会逐渐降低，电位校准时间较长(一般至少6个小时)，当降低到设定值时，发出灯光报警(报警灯X1就会亮起)。

电位校准结束，关闭锌制参比电极电位校准仪的所有开关和总电源，恢复控制箱的接线。

本发明的锌制参比电极电位校准仪已经经过实际应用测试，结果显示，以控制箱显示的电位为基准值，通过电解与电位校准之后测量的船体电位与船体阴极保护装置显示的电位整体测量误差偏差在服务商提供范围误差之内(服务商提供的手持参比电极允许测量偏差值在20％之内都有效)。

因此，电解后的参比电极在测量电位上是准确的，符合船体上使用。该仪器还可以运用到其他商用船舶上，根据不同船型的锌制参比电极进行个性化电位校准，具有广阔的商业价值。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，例如采用触摸屏代替液晶显示及按键输入模块的方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锌制参比电极电位校准装置，包括：信号发生器、电流表、电解模块、电位校准模块、时序控制模块与直流电源，其中：

所述的信号发生器用于通过模拟锌制参比电极的电位值来检测锌制参比电极的外加电流阴极保护装置是否正常工作，以及控制外加电流阴极保护装置的阳极放电；

所述的电流表用于显示外加电流阴极保护装置阳极放电的电流；

所述的电解模块用于电解锌制参比电极；

所述的电位校准模块用于对电解后的锌制参比电极进行电位校准；

所述的时序控制模块用于连接电解模块、电位校准模块、锌制参比电极、外加电流阴极保护装置和接地，协调工作顺序并实行保护；

所述的直流电源用于为装置供电。

2.根据权利要求1所述的一种锌制参比电极电位校准装置，其特征在于，所述的信号发生器的输出端通过导线分别与外加电流阴极保护装置的参比电位输入端和接地线相接，用于模拟锌制参比电极的参比电位；所述的电解模块的输出端通过导线连接到锌制参比电极和放电阳极上；所述的电流表串联到外加电流阴极保护装置的接地线的负极中，用于监测外加电流阴极保护装置放电的电流值。

3.根据权利要求1所述的一种锌制参比电极电位校准装置，其特征在于，所述的电解模块设有过流保护继电器，所述过流保护继电器带有光耦隔离，所述的电解模块通过CPU检测计算电流数值与电流的变化趋势来控制继电器动作。

4.根据权利要求1所述的一种锌制参比电极电位校准装置，其特征在于，所述的电位校准模块通过CPU设定电位值与电位检测的间隔时间，CPU能够对当前电位与设定电位相比较，输出校准信号。

5.根据权利要求1所述的一种锌制参比电极电位校准装置，其特征在于，所述的时序控制模块为多路时间控制继电器板，内置单片机用于控制继电器延时动作的时间和动作顺序。

6.根据权利要求5所述的一种锌制参比电极电位校准装置，其特征在于，所述的时序控制模块中，各路继电器均设置有光耦隔离，使单片机与继电器控制电路处于隔离状态。

7.根据权利要求1所述的一种锌制参比电极电位校准装置，其特征在于，所述的信号发生器输出直流信号电压为0-1000mV，输出电压精度为1mV；所述的电解模块最大输出的电流为50A，输出电流精度为0.1A。

8.一种锌制参比电极电位校准方法，采用权利要求1-7任意一项所述的一种锌制参比电极电位校准装置实现，包括：

1)关闭外加电流阴极保护装置控制箱的电源，拆除控制箱内的参比电极的接线端子与放电负极的接地线端子；通过导线把电位校准装置分别与控制箱的参比电极接线端、接地线和放电负极的接地线端子相连接；

2)打开电位校准装置的电源开关与控制箱电源，并把控制箱档位拨到自动，打开信号发生器开关，设定外加电流阴极保护装置放电的参比电位值；

3)增大信号发生器的模拟电位值，观察电流表显示的放电电流数值是否随之增大，如果电流值随着信号发生器的输出电位值增大而增大，说明控制箱与放电电极处于正常状态；如果电流表有示数，但是无法随着信号发生器的输出电位值变化，说明控制箱内部电路出现故障；若电流表没有示数，说明控制箱出现故障或者放电阳极出现断路，需要进行检修；

4)检测到控制箱与放电电极处于正常状态后，关闭控制箱与电位校准装置的电源，拆除控制箱放电阳极的接地线端子，通过导线把电位校准装置分别与控制箱的接地线、锌制参比电极和放电阳极相连接；

5)打开电位校准装置的电源，设定电解时间与电解电流，打开电解开关，使电解模块通电，进行电解；

6)电解结束后，在电位校准模块上设定正常的参比电位和校准采样对比间隔时间，打开电位校准开关，进行电位校准。

9.根据权利要求8所述的一种锌制参比电极电位校准方法，其特征在于，进行电解时，电流经过电解质到锌制参比电极表面生成气体，剥离表面杂质。

10.根据权利要求9所述的一种锌制参比电极电位校准方法，其特征在于，进行电位校准时，锌制参比电极通过电解质与需要保护的钢材在电位校准模块输出校准信号下构成回路，当锌制参比电极的参比电位降低到设定值时，校准过程结束。

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