CN113049485B - 一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，属于金属材料大气自然环境腐蚀领域，其结构包括大气腐蚀监测探头、在线测量与传输模块、供电模块和电脑终端。大气腐蚀监测探头由憎水性绝缘层、亲水性离子导电体、金属导电层、惰性金属层、固体参比电极和导电引线组成，亲水性离子导电体为憎水性绝缘层所包覆，仅在环状大气腐蚀监测探头内侧靠近金属表面处与薄液膜接触；环状大气腐蚀监测探头内部金属表面通过与金属导电层接触电连接，并与惰性金属层和固体参比电极构成三电极测量体系。本发明结构简单，无需待测金属同材质材料制备大气腐蚀监测探头，探头安装方便，适用性广可重复使用；同时具备全面的腐蚀电化学原位监测和数据远程传输功能。

Description

一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置

技术领域

本发明涉及金属材料大气自然环境腐蚀领域，特别是涉及一种金属材料海洋大气腐蚀原位测量装置。

背景技术

金属物体长期处于海洋大气环境中，会受到一定的腐蚀，这种腐蚀不仅会影响金属物体的性能，还会引发环境污染以及安全事故，造成不可估量的经济损失。传统的金属腐蚀检测方法如失重法，其优点是能够提供金属腐蚀的详细数据，如腐蚀率、腐蚀类型及腐蚀产物等较多信息，其缺点为需取回样品进行检测，常常需要破坏材料结构或采取挂片的方式来达到实验目的，这种方法的局限性很大，获取数据时间间隔长、成本较高。

金属大气腐蚀，尤其是潮湿海洋大气环境中，其实质是大气中水、盐等在其表面形成薄液膜层电解液后的电化学腐蚀过程，符合电化学的一般规律。基于此，多种大气腐蚀监测技术应运而生。国内外学者开展了大量的金属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（ACM）。该方法主要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，如专利文献【CN 205786244 U】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，但其无法直接测量金属材料大气腐蚀速率。专利文献【CN 109765172 A】则公开了一种金属及涂层材料海洋大气腐蚀原位测量装置及方法，该装置腐蚀探头采取三电极体系，实现了在线实时测量在大气环境中裸露或者带涂层金属材料的阻抗等电化学性能，基于阻抗或极化曲线测试，可以定性/定量评价腐蚀速率大小。然而，这些大气腐蚀监测装置探头主要采用与待检测金属相同材质的材料制备而成，通过环氧将工作电极（待检测金属材质）与对电极（和参比电极）灌封，制备过程较为繁琐，且封装质量控制难度大，一致性较差。专利文献【CN 111812019 A】公开了一种金属大气腐蚀监测传感器，包括金属基材、憎水性绝缘板、导电材料层和亲水性涂层，采用层叠结构，简化了制备工艺，同时利用亲水性涂层提高了薄液膜的附着性和延展性，提高了检测灵敏度。然而，该传感器只能进行电偶电流检测，无法实现阻抗和极化曲线测试。

此外，上述所有装置探头不可重复使用，且无法保证工作电极（待检测金属）表面状态与材料实际应用情况一致，更无法直接使用待测结构物（如金属杆塔）进行腐蚀监测。因此，测量结果不能直接反馈待测金属（结构物）的腐蚀情况，只能作为参考。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种结构简单、腐蚀监测探头可重复使用的金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，该装置能直接贴附在待测金属材料或金属结构物表面进行腐蚀（电偶）电流、阻抗和极化曲线的在线原位监测；同时，具备远程数据加密传输等功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，包括：大气腐蚀监测探头、在线测量与传输模块、供电模块和电脑终端，供电模块、电脑终端、大气腐蚀监测探头分别和在线测量与传输模块连接；

其中在线测量与传输模块和大气腐蚀测量探头连接，实现大气腐蚀测量探头下待测金属材料的腐蚀（电偶）电流、阻抗、极化曲线等原位电化学测量与数据存储、远程传输功能；

其中供电模块为在线测量与传输模块提供电能；

其中电脑终端具备对在线测量与传输模块编程功能，包括参数设置、时间校正以及远程数据接收功能；

所述大气腐蚀监测探头由憎水性绝缘层、亲水性离子导电体、金属导电层、惰性金属层、固体参比电极和导电引线组成；所述大气腐蚀监测探头为中空的环状，底面为平面，能够紧密的贴附在平面金属件表面，其外表面包覆憎水性绝缘层，内部填充固态亲水性离子导电体；所述憎水性绝缘层在环状大气腐蚀监测探头内侧靠近金属表面的一角开口，内部亲水性离子导电体下沿与待测金属表面平齐，且在开口处与金属表面液膜接触；所述惰性金属层、固体参比电极和金属导电层均为环状，与导电引线电连接；所述导电引线从憎水性绝缘层中引出；所述惰性金属层位于远离金属表面一侧，下表面紧贴亲水性离子导电体，上表面紧贴憎水性绝缘层；所述金属导电层位于贴近金属表面一侧，置于憎水性绝缘层中，其靠近金属一侧的表面外露并与憎水性绝缘层平齐；所述固体参比电极完全置于亲水性离子导电体中间。

作为本发明改进地，所述在线测量与传输模块包括滤波/补偿电路、信号发生器、调理与功放电路、定时时钟、单片机微控制器、存储器、A/D数据采集器、通讯接口电路和无线传输单元；

其中：所述电脑终端通过通讯接口电路与单片机微控制器连接，设置程序与参数存在单片机微控制器中；断开通讯后，单片机微控制器按照设置参数，通过定时时钟唤醒进行工作；所述信号发生器接收单片机微控制器指令，通过调理与功放电路输出电信号到大气腐蚀监测探头，待测金属产生的电位和电流等通过滤波/补偿电路后送入A/D数据采集器进行采集，由单片机微控制器对采集的电位与电流数据进行处理、分析后，存储到存储器并通过无线传输单元传输回电脑终端。

作为本发明改进地，所述信号发生器根据单片机微控制器指令，可以输出直流、正弦波信号或三角波电信号，通过调理与功放电路施加到大气腐蚀监测探头，从而实现恒电位极化（电位为0时，为电偶腐蚀电流监测）、交流阻抗、循环伏安等腐蚀电化学测试。

作为本发明改进地，所述信号发生器可以并发地输出4路激励信号，从而实现4组大气腐蚀监测探头的同步测量。

作为本发明改进地，上述金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置在应用时，直接将大气腐蚀监测探头固定贴附在平面金属件表面，其底部金属导电层与待测金属实现电连接，从而无需单独制备与待测金属同材质的工作电极，应用方便，且可以应用到不同材质的金属材料，适用性广，不产生材料消耗，可重复使用。所述固态亲水性离子导电体与环状大气腐蚀监测探头内部金属表面薄液膜接触，在潮湿海洋大气环境下，其会吸收水分和电解质，从而使环状大气腐蚀监测探头内部金属（工作电极）和惰性金属层（对电极）、固体参比电极形成三电极体系，实现环状大气腐蚀监测探头内待测金属海洋大气环境下腐蚀（电偶）电流、阻抗及极化曲线等原位腐蚀电化学监测。所述憎水性绝缘层由于其疏水性，表面难以形成连续电解质液膜，从而有效避免环状大气腐蚀监测探头外部金属电化学信号干扰。远程传输实现了偏远地区无人值守式大气腐蚀监测数据获取，降低了数据采集成本和难度。

作为本发明改进地，本发明金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置的大气腐蚀监测探头优选为截面为（长）方形的圆环状，内径大于10mm，高度低于6mm，以获取足够面积的金属测试表面，同时减少对表面状态的干扰；所述憎水性绝缘层优选为超疏水塑料；所述惰性金属层材质优选为Pt，所述金属导电层优选为Au、Ag、Cu等导电性良好的耐蚀金属，所述固体参比电极优选为丝状Ag/AgCl固态参比电极，以建立稳定的三电极测试体系。

作为本发明改进地，待测金属为钢时，所述憎水性绝缘层与惰性金属层之间可以增加一层强磁性材料，应用时，所述大气腐蚀监测探头通过磁力作用紧密贴附在金属试样表面进行腐蚀监测，安装十分方便；待测金属为其他材料时，可以采取弓形卡具、捆系等方式将大气腐蚀监测探头紧密固定在金属表面，本领域普通技术人员均可以简单地实现，作为现有技术，不再赘述。

作为本发明改进地，供电模块包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板电连接的蓄电池，白天日照期间，蓄电池存储太阳能电池板所产生的电能，所述蓄电池与在线测量与传输模块连接，为其持续提供电能，保障了本发明长时间腐蚀监测能力。

作为本发明改进地，所述在线测量与传输模块的无线传输单元基于GSM移动通讯技术，采用SMS或者GPRS模式实现加密远程数据通讯，且与存储器连接，在电脑终端间隔较长时间开机采集数据时，也能从存储器读取长期数据进行传输。该方式无需沿线铺设电缆，相比传统网络在设备添加、升级、扩展上具有更大的开放性和灵活性，可大幅度减少施工费用，降低测量成本；即使间隔长时间（每天测量4次可存储半年）读取数据，也不会造成数据丢失。

本发明的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明适用于金属材料海洋大气环境恒电位极化、阻抗和循环伏安等腐蚀电化学性能的原位、长时间、连续测量和数据远程获取，无需待测金属同材质材料制备大气腐蚀监测探头，探头安装应用方便，适用性广，具有可重复使用的特点，借助本发明，可以研究海洋大气环境金属腐蚀行为和规律，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为本发明腐蚀原位监测装置组成图及大气腐蚀监测探头纵向截面图；

附图2为本发明的大气腐蚀监测探头横向截面图；

附图3为本发明在线测量与传输模块的组成图。

其中：1-大气腐蚀监测探头；101-憎水性绝缘层；102-惰性金属层；103-固体参比电极；104-金属导电层；105-亲水性离子导电体；106-导电引线；2-在线测量与传输模块；201-A/D数据采集器；202-调理与功放电路；203-信号发生器；204-滤波/补偿电路；205-单片机微控制器；206-存储器；207-无线传输单元；208-定时时钟；209-通讯接口电路；3-供电模块；4-电脑终端；5-待测金属。

具体实施方式

下面首先结合附图1-3对本发明一种大气暴露环境试验腐蚀挂片夹具的第一种具体实施方式作进一步说明。

如附图1所示，该装置主要包括大气腐蚀监测探头1、在线测量与传输模块2、供电模块3和电脑终端4。其中，供电模块3、电脑终端4、大气腐蚀监测探头1分别和在线测量与传输模块2连接。供电模块3由太阳能电池板及与其连接的蓄电池组成，白天日照期间，蓄电池存储太阳能电池板所产生的电能，所述蓄电池直接为在线测量与传输模块2提供电能。所述电脑终端4具备对在线测量与传输模块2编程功能，包括参数设置、时间校正、以及远程数据接收功能。大气腐蚀监测探头1则紧密贴附在待测金属5表面，实现大气腐蚀测量探头1下待测金属5材料的原位电化学测量。

结合附图2，所述大气腐蚀监测探头1由憎水性绝缘层101、惰性金属层102、固体参比电极103、金属导电层104、亲水性离子导电体105和导电引线106组成。大气腐蚀监测探头1为中空的圆环状，内径20mm，截面为长方形，高度5mm。外表面包覆的憎水性绝缘层101为超疏水塑料，其在环状大气腐蚀监测探头1内侧靠近待测金属5表面的一角开口，贴近待测金属5表面一侧的憎水性绝缘层101在开口处为楔形，楔形尖端与腐蚀监测探头1内壁平齐。内部亲水性离子导电体105在开口处外露与待测金属5表面液膜接触，其下沿的一点与待测金属5表面平齐。所述惰性金属层102、固体参比电极103和金属导电层104均为环状，与导电引线106电连接，所述导电引线106从憎水性绝缘层101中引出，随后与在线测量与传输模块2连接。其中，惰性金属层102材质为Pt，位于远离待测金属5表面一侧，下表面紧贴亲水性离子导电体105，上表面紧贴憎水性绝缘层101；所述金属导电层104材质为Cu，位于贴近待测金属5表面一侧，置于憎水性绝缘层101中，其靠近待测金属5一侧的表面外露并与憎水性绝缘层101外表面平齐；所述固体参比电极103为Ag/AgCl参比电极丝，完全置于亲水性离子导电体105中间。应用时，大气腐蚀监测探头1固定在待测金属5表面（平面）上，其下表面憎水性绝缘层101和金属导电层104与待测金属5表面紧密贴附，将内外待测金属5表面分离，环状大气腐蚀监测探头1内部固定面积的待测金属5通过金属导电层104与导电引线106电连接形成工作电极，在潮湿海洋大气环境下，亲水性离子导电体105吸收水分和电解质，使环状大气腐蚀监测探头1形成三电极测试体系。

结合附图3，所述在线测量与传输模块2包括A/D数据采集器201、调理与功放电路202、信号发生器203、滤波/补偿电路204、单片机微控制器205、存储器206、无线传输单元207、定时时钟208和通讯接口电路209。其中，电脑终端4通过通讯接口电路209与单片机微控制器205连接，设置程序与参数存在单片机微控制器205中；断开通讯后，单片机微控制器205按照设置参数，通过定时时钟208唤醒进行工作；信号发生器203接收单片机微控制器205指令，并发输出4路电信号，并通过调理与功放电路202施加到4组大气腐蚀监测探头1，待测金属5产生的极化电位和极化电流等通过滤波/补偿电路204后送入A/D数据采集器201进行采集，由单片机微控制器205对同步采集的多组电位与电流数据进行处理、分析后，存储到存储器206并通过无线传输单元207传输回电脑终端4；无线传输单元207基于GSM移动通讯技术，采用SMS或者GPRS模式实现加密远程数据通讯，且与存储器206连接，在电脑终端4间隔较长时间开机采集数据时，也能从存储器206读取长期数据进行传输。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，包括：大气腐蚀监测探头（1）、在线测量与传输模块（2）、供电模块（3）和电脑终端（4），供电模块（3）、电脑终端（4）、大气腐蚀监测探头（1）分别与在线测量与传输模块（2）连接；

其中在线测量与传输模块（2）和大气腐蚀测量探头连接，实现大气腐蚀测量探头下待测金属（5）材料的原位电化学测量与数据存储、远程传输功能；

其中供电模块（3）为在线测量与传输模块（2）提供电能；

其中电脑终端（4）具备对在线测量与传输模块（2）编程功能，包括参数设置、时间校正以及远程数据接收功能；

所述大气腐蚀监测探头（1）由憎水性绝缘层（101）、亲水性离子导电体（105）、金属导电层（104）、惰性金属层（102）、固体参比电极（103）和导电引线（106）组成；所述大气腐蚀监测探头（1）为中空的环状，底面为平面，能够紧密的贴附在平面金属件表面，其外表面包覆憎水性绝缘层（101），内部填充固态亲水性离子导电体（105）；所述憎水性绝缘层（101）在环状大气腐蚀监测探头（1）内侧靠近金属表面的一角开口，内部亲水性离子导电体（105）在开口处外露与待测金属（5）表面液膜接触，其下沿与待测金属（5）表面平齐；所述惰性金属层（102）、固体参比电极（103）和金属导电层（104）均为环状，与导电引线（106）电连接；所述导电引线（106）从憎水性绝缘层（101）中引出；所述惰性金属层（102）位于远离金属表面一侧，下表面紧贴亲水性离子导电体（105），上表面紧贴憎水性绝缘层（101）；所述金属导电层（104）位于贴近金属表面一侧，置于憎水性绝缘层（101）中，其靠近金属一侧的表面外露并与憎水性绝缘层（101）平齐；所述固体参比电极（103）完全置于亲水性离子导电体（105）中间。

2.根据权利要求1所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述在线测量与传输模块（2）包括滤波/补偿电路（204）、信号发生器（203）、调理与功放电路（202）、定时时钟（208）、单片机微控制器（205）、存储器（206）、A/D数据采集器（201）、通讯接口电路（209）和无线传输单元（207）；

其中：所述电脑终端（4）通过通讯接口电路（209）与单片机微控制器（205）连接，设置程序与参数存在单片机微控制器（205）中；断开通讯后，单片机微控制器（205）按照设置参数，通过定时时钟（208）唤醒进行工作；所述信号发生器（203）接收单片机微控制器（205）指令，通过调理与功放电路（202）输出电信号到大气腐蚀监测探头（1），待测金属（5）产生的电位和电流等通过滤波/补偿电路（204）后送入A/D数据采集器（201）进行采集，由单片机微控制器（205）对采集的电位与电流数据进行处理、分析后，存储到存储器（206）并通过无线传输单元（207）传输回电脑终端（4）。

3.根据权利要求2所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述信号发生器（203）根据单片机微控制器（205）指令，可以输出直流、正弦波信号或三角波电信号，通过调理与功放电路（202）施加到大气腐蚀监测探头（1），从而实现腐蚀电化学测试。

4.根据权利要求2或3所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述信号发生器（203）并发地输出4路激励信号，从而实现4组大气腐蚀监测探头（1）的同步测量。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，该金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置在应用时，直接将大气腐蚀监测探头（1）固定贴附在平面金属件表面，其底部金属导电层（104）与待测金属（5）实现电连接。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述大气腐蚀监测探头（1）为截面为长方形的圆环状，内径大于10mm，高度低于6mm；所述憎水性绝缘层（101）为超疏水塑料；所述惰性金属层（102）材质为Pt，所述金属导电层（104）为导电性良好的耐蚀金属，所述固体参比电极（103）为丝状Ag/AgCl固态参比电极。

7.根据权利要求1、2或3所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，当待测金属（5）为钢时，所述憎水性绝缘层（101）与惰性金属层（102）之间增加一层强磁性材料；待测金属（5）为其他材料时，采取弓形卡具、捆系方式将大气腐蚀监测探头（1）紧密固定在金属表面。

8.根据权利要求1、2或3所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述供电模块（3）包括太阳能电池板以及与所述太阳能电池板电连接的蓄电池，白天日照期间，蓄电池存储太阳能电池板所产生的电能，所述蓄电池与在线测量与传输模块（2）连接，为其持续提供电能。

9.根据权利要求1、2或3所述的一种金属材料海洋大气腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述在线测量与传输模块（2）的无线传输单元（207）基于GSM移动通讯技术，采用SMS或者GPRS模式实现加密远程数据通讯，且与存储器（206）连接，在电脑终端（4）间隔较长时间开机采集数据时，也能从存储器（206）读取长期数据进行传输。

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