CN113791030B - 一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，包括工作电极，工作电极外侧连接辅助电极，辅助电极外侧依次连接保护电极、隔离电极和屏蔽电极；工作电极和隔离电极与埋地金属构件连接，辅助电极、保护电极和屏蔽电极均通过绝缘膜与埋地金属构件连接；工作电极、辅助电极、保护电极和屏蔽电极均通过信号线与处理器连接。以埋地金属构件自身作为工作电极，直接检测得到金属构件本体材料土壤腐蚀电化学信号，反映或得到金属构件本体的腐蚀速率。

Description

一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器

技术领域

本发明涉及腐蚀检测领域，具体为一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

土壤腐蚀是指金属材料在土壤中发生的腐蚀，由于土壤腐蚀在土壤中发生，其腐蚀情况不易察觉，其往往引发严重事故。例如，输油管道因腐蚀导致的泄露、变电站接地网因腐蚀断裂导致接地不良等，都会引起严重的安全事故。对埋地的金属构件腐蚀状况进行连续监测、准确掌握其服役状态，是防止此类事故发生的最直接手段。

对金属构件的土壤腐蚀速率进行直接检测，即原位检测，是准确评价其腐蚀状态的有效方法。原位检测是将整个金属构件作为工作电极，通过控制和判定检测电流所覆盖的工作电极面积实现检测。

现有直接检测法采用了小孔限流，它是在传统二电极或三电极的电化学传感原理基础上增加一个保护电极，即四电极体系。该方法对金属构件设置传感器，将传感器中辅助电极围成的小孔所对应的相等面积金属构件作为有效工作电极，辅助电极接收该工作电极的腐蚀电流，保护电极用于屏蔽小孔外金属构件的腐蚀电流，进而达到控制工作电极面积的目的。

该方法在传感器和金属构件之间留有非常小的间隙，影响了中间物质的传递，保护电极在使用过程中并不能有效的屏蔽电流，仍有部分电流流过辅助电极，造成检测结果的偏差，且该偏差不是确定值。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，以埋地金属构件自身作为工作电极，直接检测得到金属构件本体材料土壤腐蚀电化学信号，反映或得到金属构件本体的腐蚀速率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，包括工作电极，工作电极外侧连接辅助电极，辅助电极外侧依次连接保护电极、隔离电极和屏蔽电极；工作电极和隔离电极由埋地金属构件充当，辅助电极、保护电极和屏蔽电极均通过绝缘膜与埋地金属构件连接；工作电极、辅助电极、保护电极和屏蔽电极均通过信号线与处理器连接，处理器接收金属构件与辅助电极间的土壤腐蚀电化学信号，获取金属构件的腐蚀速率。

辅助电极、保护电极和屏蔽电极均为惰性导体材料。

辅助电极为环状，与埋地金属构件连接后，位于内侧空间的埋地金属构件形成工作电极，外侧通过绝缘膜连接保护电极。

保护电极为环状，内侧通过绝缘膜连接辅助电极，外侧通过绝缘膜连接隔离电极。

隔离电极为环状，内侧通过绝缘膜连接保护电极，外侧通过绝缘膜连接屏蔽电极。

屏蔽电极为环状，内侧通过绝缘膜连接隔离电极，外侧具有绝缘膜。

信号线包括辅助电极信号线、保护电极信号线、屏蔽电极信号线和工作电极信号线。

辅助电极信号线、保护电极信号线和屏蔽电极信号线分别从辅助电极、保护电极和屏蔽电极引出连接至处理器。

工作电极信号线从埋地金属构件上引出连接至处理器。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、以埋地金属构件自身作为工作电极，直接检测得到金属构件本体材料与辅助电极间土壤腐蚀电化学信号，反映或得到金属构件本体的腐蚀速率。

2、在传统传感器上增加一道隔离电极和一道屏蔽电极，将干扰检测得到的电化学信号的外部金属构件影响限制到相对更小的确定的范围，提高了直接检测金属构件本体腐蚀电化学信号准确度。

3、传感器直接在埋地金属构件上工作，传感器的辅助电极与工作电极间不设置限制物质扩散通道，对金属构件的正常土壤腐蚀不产生影响。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的传感器俯视视角结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的传感器截面结构示意图；

图中：1.埋地金属构件；2.绝缘膜；3.屏蔽电极；4.隔离电极；5.工作电极；6.辅助电极；7.保护电极；8.辅助电极信号线；9.保护电极信号线；10.屏蔽电极信号线；11.工作电极信号线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，现有技术将整个金属构件作为工作电极，对金属构件设置传感器，将传感器中辅助电极围成的小孔所对应的相等面积金属构件作为有效工作电极，辅助电极接收该工作电极的腐蚀电流，保护电极用于屏蔽小孔外金属构件的腐蚀电流，进而达到控制工作电极面积的目的。

实施例一：

如图1-2所示，一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，包括工作电极5，工作电极5外侧连接辅助电极6，辅助电极6外侧依次连接保护电极7、隔离电极4和屏蔽电极3；工作电极5和隔离电极4与埋地金属构件1连接，辅助电极6、保护电极7和屏蔽电极3均通过绝缘膜2与埋地金属构件1连接；工作电极5、辅助电极6、保护电极7和屏蔽电极3均通过信号线与处理器连接，处理器接收金属构件的土壤腐蚀电化学信号，获取金属构件的腐蚀速率。

辅助电极、保护电极和屏蔽电极均为惰性导体材料。

辅助电极为环状，与埋地金属构件1连接后，位于内侧空间的埋地金属构件1形成工作电极5，外侧通过绝缘膜连接保护电极7。

保护电极7为环状，内侧通过绝缘膜连接辅助电极，外侧通过绝缘膜连接隔离电极4。

隔离电极4为环状，内侧通过绝缘膜连接保护电极，外侧通过绝缘膜连接屏蔽电极3。

屏蔽电极3为环状，内侧通过绝缘膜连接隔离电极，外侧具有绝缘膜。

信号线包括辅助电极信号线8、保护电极信号线9、屏蔽电极信号线10和工作电极信号线11，

辅助电极信号线8、保护电极信号线9和屏蔽电极信号线10分别从辅助电极、保护电极和屏蔽电极引出连接至处理器。

工作电极信号线11从埋地金属构件上引出连接至处理器。

上述传感器的制备方式如下：

将埋地金属构件表面洁净处理，用砂纸打磨露出金属光泽。

惰性导体材料作为辅助电极、保护电极和屏蔽电极。

将惰性导体材料环绕成封闭形状，中间露出处理后且确定面积的金属构件作为工作电极。惰性导体材料与有效工作电极间以绝缘材料电隔离开。此处惰性导体材料作为辅助电极。

在外部继续用惰性导体材料环绕成封闭形状，包围前述的辅助电极，作为保护电极。用绝缘材料将保护电极和工作电极、辅助电极隔开。

再在保护电极外部用惰性导体材料环绕成封闭形状，包围前述的保护电极，作为屏蔽电极。保护电极与屏蔽电极间留有空白区域，露出表面处理后的埋地金属构件，形成隔离电极。此隔离电极与前述工作电极通过金属构件本体电连接。屏蔽电极与金属构件用绝缘材料离开。

用导线分别从金属构件、辅助电极、保护电极、屏蔽电极引出。

用仪器检测工作电极和辅助电极间的电化学信号即可准确反映或检测埋地金属构件的腐蚀速率。

本实施例采取以下方式制备传感器：

如图1-2所示，以聚氨酯为绝缘材料，制成绝缘膜2。在聚氨酯薄膜中预埋导电金属丝作为辅助电极信号线8、保护电极信号线9和屏蔽电极信号线10，并从背部引出。在聚氨酯膜背面涂绝缘胶，将导电金属丝包覆在胶与聚氨酯膜之间。

聚氨酯薄膜正面镀不锈钢膜，用蚀刻方法蚀刻出环形的辅助电极6、环形的保护电极7及环形的屏蔽电极3。

在蚀刻后的聚氨酯薄膜上裁切出中心孔(工作电极5位置处)，保护电极和屏蔽电极间的环型孔(隔离电极4位置处)。

在埋地金属构件1表面洁净化处理，用400#砂纸打磨平整并露出金属光泽。

将聚氨酯薄膜贴至表面处理后的金属构件1上，此时金属构件的一部分作为工作电极5，另一部分为隔离电极4。具体的，中心孔形成工作电极5，环型孔形成隔离电极4。

在金属构件靠近聚氨酯薄膜边界处点焊包覆绝缘层的导电金属丝作为工作电极信号线11。

将处理后的金属构件埋入土壤中，引出全部信号线连接至检测仪器。

电化学检测时，可采用多种方式。

以无外加激励的原电池原理为例：将保护电极信号线9和屏蔽电极信号线10连接在一起，工作电极信号线11连接检测仪器的工作电极输入端，辅助电极信号线8连接检测仪器的辅助电极输入端。此时要求外接检测仪器具有零电阻特性。

在使用前，用埋样标准试块对传感器检测数据进行标定。标定方法为在土壤腐蚀试验箱中，控制土壤温度、含水量、含氧量等参量，开展覆盖传感器金属构件和同材质标准试块的腐蚀试验。试验过程中，连续检测金属构件腐蚀速率。腐蚀试验后由仪器检测结果换算得到金属构件的腐蚀量，用标准试块的腐蚀失重结果和该腐蚀量对比，标定得到表征金属构件上传感器检测的有效检测面积。

此后，埋地金属构件土壤腐蚀的检测即可采用上述结构传感器进行检测。

上述结构以埋地金属构件自身作为工作电极，直接检测得到金属构件本体材料土壤腐蚀电化学信号，反映或得到金属构件本体的腐蚀速率。

增加一道隔离电极和一道屏蔽电极，将干扰检测得到的电化学信号的外部金属构件影响限制到相对更小的确定的范围，提高了直接检测金属构件本体腐蚀电化学信号准确度。

传感器直接在埋地金属构件上工作，传感器的辅助电极与工作电极间不设置限制物质扩散通道，对金属构件的正常土壤腐蚀不产生影响。

埋地金属构件发生腐蚀的过程也是土壤内的物质与金属构件表面之间物质传输的过程，没有物质传输就不会发生腐蚀。如果限制物质扩散通道，则改变了埋地金属构件表面的腐蚀环境，也相应改变了其腐蚀速率。在检测其腐蚀时，尽可能减少对其的影响，包括表面腐蚀环境的影响是非常重要的。

影响埋地金属构件腐蚀时物质传输的因素主要是浓度差别、通道大小、电位差别等。本实施例没有限制物质扩散通道，中间设置隔离电极，这样在隔离电极和工作电极之间的腐蚀环境成为固定面积，且隔离电极的尺寸形状也是固定，即通道固定。在辅助电极和屏蔽电极间形成稳定的过渡区间，从而阻止了屏蔽电极外侧裸露金属构件发生腐蚀时对工作电极电化学反应的影响，即避免了电位差变化和浓度差别的影响，从而使工作电极与辅助电极间电化学信号仅受确定面积的隔离电极的微小影响，从而使检测结果更容易准确标定。

电极之间的间距和宽度等数值和结果标定有一定关系，其具体数值本实施例不做限制。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims (6)

1.一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，其特征在于：包括工作电极，工作电极外侧连接辅助电极，辅助电极外侧依次连接保护电极、隔离电极和屏蔽电极；金属构件的一部分作为工作电极，另一部分为隔离电极，辅助电极、保护电极和屏蔽电极均通过绝缘膜与埋地金属构件连接；工作电极、辅助电极、保护电极和屏蔽电极均通过信号线与处理器连接；

在隔离电极和工作电极之间的腐蚀环境成为固定面积，且隔离电极的尺寸形状也是固定，即通道固定；在辅助电极和屏蔽电极间形成稳定的过渡区间，从而阻止了屏蔽电极外侧裸露金属构件发生腐蚀时对工作电极电化学反应的影响，即避免了电位差变化和浓度差别的影响，从而使工作电极与辅助电极间电化学信号仅受确定面积的隔离电极的微小影响，从而使检测结果更容易准确标定；

所述辅助电极为环状，与埋地金属构件连接后，位于内侧空间的埋地金属构件形成工作电极，外侧通过绝缘膜连接保护电极；

所述保护电极为环状，内侧通过绝缘膜连接辅助电极，外侧通过绝缘膜连接隔离电极；

所述隔离电极为环状，内侧通过绝缘膜连接保护电极，外侧通过绝缘膜连接屏蔽电极；

所述屏蔽电极为环状，内侧通过绝缘膜连接隔离电极，外侧具有绝缘膜。

2.如权利要求1所述的一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，其特征在于：所述辅助电极、保护电极和屏蔽电极均为惰性导体材料。

3.如权利要求1所述的一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，其特征在于：所述信号线包括辅助电极信号线、保护电极信号线、屏蔽电极信号线和工作电极信号线。

4.如权利要求3所述的一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，其特征在于：所述辅助电极信号线、保护电极信号线和屏蔽电极信号线分别从辅助电极、保护电极和屏蔽电极引出连接至处理器。

5.如权利要求3所述的一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，其特征在于：所述工作电极信号线从埋地金属构件上引出连接至处理器。

6.如权利要求1所述的一种埋地金属构件土壤腐蚀原位检测传感器，其特征在于：所述处理器接收金属构件的土壤腐蚀电化学信号，获取金属构件的腐蚀速率。