CN115976523A - 一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，所述多功能无线节点包括腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块、探针式腐蚀传感器、阳极材料。该多功能无线节点能够切换恒电位输出、恒压输出和恒流输出三种模式，能够调整输出幅值，以满足阴极保护和电化学除氯及再碱化等多种腐蚀电化学控制的需求；具有内置的腐蚀控制决策模型，能够根据钢筋腐蚀电化学状态自主调整腐蚀电化学控制输出模式与幅值，高效节能地实现钢混结构腐蚀控制；能够接入GPRS网络，实现云服务器对腐蚀电化学控制的实时调整、改写腐蚀控制决策模型、监听腐蚀电化学控制状态。

Description

一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种钢混结构腐蚀控制装置，具体涉及一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点。

背景技术

目前钢混结构的电化学防腐通常使用恒电位仪对钢筋进行阴极保护，是来源于埋地管线、船舶、化工设备等基于热力学的腐蚀电化学控制技术，根据钢筋开路电位评估腐蚀状态，决定是否施加阴极保护。恒电位仪在钢筋和阳极材料之间通电，将钢筋电位控制在保护电位范围内，减缓或抑止腐蚀的发生。

然而，钢筋所处的混凝土电解质环境与土壤、海水等环境存在显著差异。首先，混凝土中钢筋的开路电位受到混凝土湿度、水泥品种、保护层厚度等因素的影响，仅凭开路电位评估钢筋腐蚀状态具有极大的错误率，需要更精准的电化学测量以获取腐蚀电流密度等更准确的腐蚀电化学信息，进而有效指导腐蚀电化学控制的施加；其次，混凝土碳化和氯离子入侵是造成钢筋腐蚀的主要原因，在碳化或氯盐污染严重的钢混结构中钢筋将处于高速腐蚀状态，仅将钢筋电位控制在保护电位范围的阴极保护技术难以有效地再碱化混凝土和迁出氯离子，一旦结束阴极保护，钢筋将在数天内恢复高速腐蚀，因此恒电位仪和阳极材料需要长期工作，造成高能耗和阳极材料低寿命；最后，粒子在混凝土中的自然扩散是非常缓慢的，但通过阳极材料对钢筋施加高强度的阴极电流能够在短时间内完成混凝土的再碱化和除氯，投放的电场关闭后，钢筋仍然能够在长期内保持极低的腐蚀速率，直到自然碳化或氯离子入侵再次抵达钢筋处。除此之外，混凝土介质环境和钢筋腐蚀状态具有显著的时变性，需要实时调整腐蚀电化学控制模式及强度，对腐蚀速率可忽略的钝化态钢筋不进行电化学控制，对低速腐蚀的钢筋进行阴极保护，对高速腐蚀的钢筋以大电流迅速完成电化学再碱化和除氯，蓬勃发展的物联网技术为远程调整腐蚀电化学控制提供了可能，减少了人工现场调整的成本，提高了调整的实时性。

目前用于钢混结构腐蚀电化学控制的恒电位仪等设备不能根据腐蚀电流密度等钢筋腐蚀电化学状态在阴极保护及电化学再碱化和除氯等不同模式和强度的腐蚀电化学控制方法之间切换，存在有效性低与能耗高等缺点，并且无法接入物联网，不能远程控制，不能实时掌握设备运行状态。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点。该多功能无线节点能够切换恒电位输出、恒压输出和恒流输出三种模式，能够调整输出幅值，以满足阴极保护和电化学除氯及再碱化等多种腐蚀电化学控制的需求；具有内置的腐蚀控制决策模型，能够根据钢筋腐蚀电化学状态自主调整腐蚀电化学控制输出模式与幅值，高效节能地实现钢混结构腐蚀控制；能够接入GPRS网络，实现云服务器对腐蚀电化学控制的实时调整、改写腐蚀控制决策模型、监听腐蚀电化学控制状态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，包括腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块、探针式腐蚀传感器、阳极材料，其中：

所述腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块封装于电磁屏蔽壳内，置于钢混结构外部；

所述探针式腐蚀传感器固定在钢筋上；

所述阳极材料安装在混凝土表面；

所述探针式腐蚀传感器包括工作电极、参比电极、辅助电极、焊点密封壳、传感器电缆；工作电极、参比电极、辅助电极以及钢筋各自与传感器电缆中的一条导线焊接，焊点置于焊点密封壳中，并灌入环氧树脂密封保护焊点同时将探针式腐蚀传感器固定在钢筋上；工作电极的材质和表面状态与钢筋一致；

所述腐蚀电化学监测模块通过传感器电缆与探针式腐蚀传感器电连接，对工作电极、参比电极、辅助电极组成的三电极体系进行腐蚀电化学测量获取钢筋的腐蚀电化学状态；测量钢筋与参比电极之间的电位差，以获取钢筋的开路电位以及腐蚀电化学控制下的电位；腐蚀电化学监测模块通过数字隔离器与主控模块建立通讯连接；非电化学测量期间，腐蚀电化学监测模块将工作电极与钢筋建立电连接，以体现宏电池腐蚀和腐蚀电化学控制对测点处腐蚀状态的影响，在电化学测量前断开工作电极与钢筋的电连接，并等待工作电极的开路电位稳定；

所述直流电源为稳压模块和腐蚀电化学控制输出模块供电，稳压模块为腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、无线通讯模块、数字隔离器、隔离稳压器供电，隔离稳压器为腐蚀电化学监测模块供电，腐蚀电化学监测模块为数字隔离器供电；

所述腐蚀电化学控制输出模块的阳极输出端与阳极材料电连接，阴极输出端与钢筋电连接，具有开启和关断两种输出状态，开启状态下阴极输出端通路，关断状态下阴极输出端断路；具有恒压输出和恒流输出两种模式，输出幅值可设置，对钢筋施加阴极电流实现腐蚀电化学控制；

所述腐蚀电化学控制输出模块包括输出调整电路、幅值设定电路、输出开关电路、模式切换电路、槽压采样电路、电流采样电路；当数字信号输入端SWITCH为高电平时，输出开关电路将阴极输出端通路，切换至输出开启状态，当数字信号输入端SWITCH为低电平时，输出开关电路将阴极输出端断路，切换至输出关断状态；在输出开启状态下，当数字信号输入端SHIFT为高电平时，模式切换电路将电流采样点与幅值采样点连接，切换至恒流输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出电流幅值，当数字信号输入端SHIFT为低电平时，模式切换电路将槽压采样点与幅值采样点连接，切换至恒压输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出槽压幅值；槽压采样电路采集阴阳极输出端之间的槽压并转换为VOLMEASURE处的模拟电压信号，电流采样电路采集阴阳极输出端之间的电流并转换为CURMEASURE处的模拟电压信号；

所述主控模块控制SWITCH和SHIFT处的电平状态并控制AMPSET处的模拟电压信号值实现对腐蚀电化学控制输出模块的设置，并读取VOLMEASURE和CURMEASURE处的模拟电压信号值，以测量输出的槽压和电流幅值；

所述主控模块通过调整腐蚀电化学控制输出模块的输出槽压幅值实现恒电位输出模式，主控模块设置SWITCH为高电平，设置SHIFT为低电平，将腐蚀电化学控制输出模块设置为输出开启状态并切换模式为恒压输出，通过调整AMPSET处的模拟电压信号值设置输出槽压幅值，控制腐蚀电化学监测模块测量钢筋电位，与钢筋电位的设定值比较，若钢筋电位测量值高于设定值，则通过AMPSET增加槽压幅值，若钢筋电位测量值低于设定值，则通过AMPSET减小槽压幅值，不断循环进行钢筋电位的测量和输出槽压幅值的调整，将钢筋电位稳定在设定电位处，达到恒电位输出的效果；

所述主控模块内置腐蚀控制决策模型，实现多功能无线节点的自主运行；在自主模式下，主控模块定期通过腐蚀电化学监测模块进行电化学测量获取钢筋开路电位、钢筋腐蚀电流密度等腐蚀电化学状态，再由腐蚀控制决策模型根据腐蚀电化学状态进行多功能无线节点的输出状态、模式和幅值的决策；若钢筋的腐蚀速率可忽略，则不进行电化学控制，输出状态配置为关断；若钢筋处于低速腐蚀状态，则进行阴极保护，输出状态配置为开启，输出模式为恒电位输出；若钢筋处于高速腐蚀状态，则进行电化学除氯和再碱化，输出状态配置为开启，输出模式配置为恒压或者恒流输出；在开启输出状态下，设置输出幅值与腐蚀速率线性相关；

所述腐蚀控制决策模型可以由云服务器进行修改；

所述主控模块通过无线通讯模块与云服务器建立通讯连接，进行指令接收与数据上传，云服务器远程控制并监听多功能无线节点的输出状态、模式和幅值。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、目前用于钢混结构腐蚀电化学控制的设备只具有恒电位输出或恒压输出等单一的输出模式，不能根据钢筋腐蚀状态进行切换，本发明提供的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点兼具恒电位输出、恒压输出以及恒流输出三种模式，恒压输出范围是0～35V，噪声小于±10mV，输出相对误差在±1％以内；恒流输出范围是0～1A，噪声小于±0.2mA，输出相对误差在±3％以内；恒电位输出通过调整恒压输出幅值实现，噪声小于±5mV，输出相对误差在±1％以内。本发明提供的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点既能进行阴极保护，也能进行电化学除氯和再碱化，广泛适用于各种不同腐蚀状态的钢混结构。

2、本发明提供的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点具有无线通讯能力，能够接收云服务器指令，云服务器能够实时配置本发明多功能无线节点的输出模式和幅值，以满足腐蚀状态具有显著时变特性的钢混结构的腐蚀控制需求，同时监听本发明多功能无线节点的运行状态，极大节省了人工现场调整的成本并极大提高了实时性。

3、本发明提供的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点具有自主运行能力，配备了腐蚀电化学监测模块且内置了腐蚀控制决策模型，能够定期获取腐蚀电流密度等精准的钢混结构腐蚀电化学状态，腐蚀控制决策模型根据腐蚀严重程度选择不同的输出模式和幅值，对腐蚀速率可忽略的钢筋不进行腐蚀电化学控制，对低速腐蚀的钢筋进行阴极保护，对高速腐蚀的钢筋进行电化学除氯和再碱化，输出幅值与腐蚀速率线性相关，具有高效节能的优点。

附图说明

图1为本发明的电气原理框图；

图2为本发明的稳压模块的电气原理图；

图3为本发明的腐蚀电化学控制输出模块的电气原理图；

图4为本发明的主控模块的电气原理图；

图5为本发明的探针式腐蚀传感器示意图；

图6为本发明的腐蚀电化学监测模块的电气原理框图；

图7为本发明的嵌入式程序流程图；

图8为本发明对缩尺钢混桥墩腐蚀电化学控制实验示意图；

图9为本发明的恒压控制效果图；

图10为本发明的恒流控制效果图；

图11为本发明的恒电位控制效果图；

图12为本发明的腐蚀控制决策模型流程图；

图中：01-腐蚀电化学控制输出模块，02-主控模块，03-稳压模块，04-无线通讯模块，05-直流电源，06-数字隔离器，07-隔离稳压器，08-腐蚀电化学监测模块，09-探针式腐蚀传感器，10-阳极材料，11-钢筋，12-混凝土，011-输出调整电路，012-幅值设定电路，013-输出开关电路，014-模式切换电路，015-槽压采样电路，016-电流采样电路，0111-槽压采样点，0121-输出幅值反馈点，0122-幅值采样点，0161-电流采样点，021-单片机电路，022-逻辑电平转换电路，023-数模转换电路，024-基准电压电路，025-模数转换电路，031-稳压电路一，032-稳压电路二，033-稳压电路三，034-电压反转电路，035-稳压电路四，036-稳压电路五，037-数模隔离电路，081-电极选择模块，082-钢筋电位控制模块，083-激励发生模块，084-响应采集模块，085-监测主控模块，091-工作电极，092-参比电极，093-辅助电极，094-焊点密封壳，095-传感器电缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，如图1所示，所述多功能无线节点包括腐蚀电化学控制输出模块01、主控模块02、稳压模块03、无线通讯模块04、直流电源05、数字隔离器06、隔离稳压器07、腐蚀电化学监测模块08、探针式腐蚀传感器09、阳极材料10，其中：

所述腐蚀电化学控制输出模块01、主控模块02、稳压模块03、无线通讯模块04、直流电源05、数字隔离器06、隔离稳压器07、腐蚀电化学监测模块08封装于电磁屏蔽壳内，置于钢混结构外部；

所述探针式腐蚀传感器09固定在钢筋11上；

所述阳极材料10安装在混凝土12表面；

所述直流电源05为稳压模块03和腐蚀电化学控制输出模块01供电，稳压模块03为腐蚀电化学控制输出模块01、主控模块02、无线通讯模块04、数字隔离器06、隔离稳压器07供电，隔离稳压器07为腐蚀电化学监测模块08供电，腐蚀电化学监测模块08为数字隔离器06供电；

所述主控模块02与无线通讯模块04通信，通过无线通讯模块04与云服务器建立通讯连接，进行指令接收与数据上传，云服务器远程控制并监听多功能无线节点的输出状态、模式和幅值；

所述主控模块02通过数字隔离器06与腐蚀电化学监测模块通讯，获取钢混结构腐蚀状态；

所述腐蚀电化学监测模块08通过对探针式腐蚀传感器09进行电化学测量，以感知钢筋的腐蚀状态；

所述主控模块02对腐蚀电化学控制输出模块01的输出状态、模式和幅值进行调整，并测量腐蚀电化学控制输出模块01的输出槽压和输出电流；

所述腐蚀电化学控制输出模块01的阴极输出端与钢筋11电连接，阳极输出端与阳极材料10电连接，对钢筋11施加阴极电流，进行腐蚀电化学控制。

如图2所示，DCPOWER是直流电源05的正极，GND是直流电源05的地线，稳压模块03由直流电源05供电，+9VDD、+5VDD、+3V3DD是稳压模块03的数字电源输出端，DGND是数字电源的地线，+5VCC、-5VCC是稳压模块03的模拟电源输出端，AGND是模拟电源的地线；所述稳压模块03包括稳压电路一031、稳压电路二032、稳压电路三033、电压反转电路034、稳压电路四035、稳压电路五036、数模隔离电路037；稳压电路一031由DCPOWER供电，输出9V数字电源，输出端为+9VDD；稳压电路二032由+9VDD供电，输出5V数字电源，输出端为+5VDD；稳压电路三033由+5VDD供电，输出3.3V数字电源，输出端为+3V3DD；稳压电路四035由+9VDD供电，输出5V模拟电源，输出端为+5VCC；电压反转电路034由+9VDD供电，将9V数字电源反转为-9V数字电源为稳压电路五036供电，稳压电路五036输出-5V模拟电源，输出端为-5VCC；数模隔离电路037包括磁珠YL5和YL6，模拟地AGND与电源地GND之间通过磁珠YL5连接，数字地DGND和电源地GND之间通过磁珠YL6连接。

如图3所示，腐蚀电化学控制输出模块01由直流电源05以及稳压模块03的数字电源输出端+5VDD、模拟电源输出端+5VCC和-5VCC供电；腐蚀电化学控制输出模块01包括输出调整电路011、幅值设定电路012、输出开关电路013、模式切换电路014、槽压采样电路015、电流采样电路016；输出开关电路013设置输出开启和输出关断两种输出状态；在输出开启状态下模式切换电路014切换恒压和恒流两种输出模式；在恒压输出模式下，幅值设定电路012设置阳极输出端和阴极输出端之间的槽压值，恒流输出模式下，幅值设定电路012设置阳极输出端和阴极输出端之间的电流值；输出调整电路011调整阴阳极输出端之间的槽压，使阴阳极输出端之间的槽压或电流满足幅值设定电路012的要求；槽压采样电路015采集阴阳极输出端之间的槽压，电流采样电路016采集阴阳极输出端之间的电流，以供主控模块02进行测量；腐蚀电化学控制输出模块01的阳极输出端POUT与阳极材料10电连接，阴极输出端NOUT与钢筋11电连接；

所述输出调整电路011包括开关降压型DC-DC转换芯片XU1、二极管XD1～2、磁环电感XL1、电容XC1～5、电阻XR1～2；XU1型号为XL4016E1，XD1～2型号为SR840，XC1和XC4为电解电容，XC2、XC3、XC5为陶瓷电容；防反二极管XD1正极与直流电源05的正极DCPOWER连接，负极连接到XU1的VIN引脚；XC1正极与XU1的VIN引脚连接，负极与电源地GND连接；XC2与XC1并联；XC3两端分别与XU1的VIN引脚和VC引脚连接；XU1的GND引脚连接到电源地GND；续流二极管XD2正极与电源地GND连接，负极与XU1的SW引脚连接；XL1一端与XU1的SW引脚连接，另一端与阳极输出端POUT连接；XC4正极与POUT连接，负极与电源地GND连接；XC5与XC4并联；XR1一端与POUT连接，另一端与槽压采样点0111连接，XR2一端与槽压采样点0111连接，另一端与电源地GND连接；XU1的FB引脚与幅值设定电路012的输出幅值反馈点0121连接；输出调整电路011将调整POUT处的电压，直至幅值设定电路012的输出幅值反馈点0121处电压等于XU1的内置参考电压1.25V；

所述输出开关电路013控制阴极输出端NOUT与XU4.2同相输入端的连接与断开，当数字信号输入端SWITCH为高电平状态(3.3V)时，NOUT与XU4.2的同相输入端连接，腐蚀电化学控制输出模块01处于输出开启状态，当SWITCH的电平状态为低电平状态(0V)时，NOUT与XU4.2的同相输入端断开，腐蚀电化学控制输出模块01处于输出关断状态；SWITCH的电平状态由主控模块02设置；在钢混结构腐蚀电化学控制的典型应用场景下，电流采样电阻XR18的阻值远小于阳极材料10和钢筋11之间的阻值，故NOUT的电压近似为0，POUT的电压可以视为阳极材料10和钢筋11之间的槽压；

所述槽压采样电路015包括运算放大器XU4.1、电阻XR14～15、陶瓷电容XC6；XU4.1的型号为OP2177ARZ，XU4.1的同相输入端与槽压采样点0111连接；XR14一端与模拟地AGND连接，另一端与XU4.1的反相输入端连接；XR15一端与XU4.1的反相输入端连接，另一端与XU4.1的输出端连接；XC6与XR15并联；XU4.1的输出端与模拟信号输出端VOLMEASURE连接，VOLMEASURE处电压是POUT处电压的0.09562倍，主控模块02测量VOLMEASURE的电压以计算POUT处电压；

所述电流采样电路016包括运算放大器XU4.2、电阻XR16～18、陶瓷电容XC7；XR16一端与模拟地AGND连接，另一端与XU4.2的反相输入端连接；XR17一端与XU4.2的反相输入端连接，另一端与XU4.2的输出端连接；XC7与XR17并联；XR18一端与XU4.2同相输入端连接，另一端与电源地GND连接；XU4.2的输出端与电流采样点0161连接；电流采样点0161与模拟信号输出端CURMEASURE连接；CURMEASURE处的电压值是POUT与NOUT之间电流值的2.375Ω倍；主控模块02通过测量CURMEASURE的电压值以计算腐蚀电化学控制输出模块01的输出电流值；

所述幅值设定电路012包括运算放大器XU2.1、XU2.2、XU3.1、二极管XD4、电阻XR3～9，XU2.1、XU2.2、XU3.1的型号均为OP2177ARZ，XD4的型号为1N4148；XR3一端与+5VCC连接，另一端与XU2.1的同相输入端连接；XR4一端与XU2.1的同相输入端连接，另一端与电源地GND连接；XU2.1的反相输入端与输出端连接；XR5一端与XU2.1的输出端连接，另一端与XU2.2的反相输入端连接；XR6一端与XU2.2的反相输入端连接，另一端与XU2.2的输出端连接；XR7一端与XU2.2输出端连接，另一端与XU3.1的反相输入端连接；XR8一端与XU3.1的反相输入端连接，另一端与输出幅值反馈点0121连接；XR9一端与输出幅值反馈点0121连接，另一端与电源地GND连接；XD4正极与XU3.1的输出端连接，负极与输出幅值反馈点0121连接；XU3.1的同相输入端与幅值采样点0122连接；XU2.2的同相输入端与模拟信号输入端AMPSET连接；AMPSET处的模拟信号由主控模块02设置，用于设置腐蚀电化学控制输出模块01的电压或电流输出幅值；输出幅值反馈点0121处电压按式(1)计算：

V_feedback＝2V_sample-2V_ampset+1.25(1)

其中，V_feedback是输出幅值反馈点0121处电压(V)，V_sample是幅值采样点0122处电压(V)，V_ampset是模拟信号输入端AMPSET处电压(V)；输出调整电路011调整POUT处电压V_pout，使V_feedback为1.25V，即V_sample＝V_ampset，V_ampset由主控模块02进行设定；幅值采样点0122处电压V_sample由模式切换电路014控制，当数字信号输入端SHIFT为低电平时，幅值采样点0122与槽压采样点0111连接，此时V_sample＝0.063745V_pout，为恒压输出模式，输出槽压为15.6875V_ampset；当数字信号输入端SHIFT为高电平时，幅值采样点0122与电流采样点0161连接，此时V_sample＝2.375Ω·I，为恒流输出模式，其中I为输出电流0.42105V_ampsetΩ；

所述模式切换电路014控制腐蚀电化学控制输出模块01切换恒压和恒流输出模式，当数字信号输入端SHIFT为低电平状态时，幅值采样点与槽压采样点连接，为恒压输出模式，此时AMPSET处模拟信号控制输出槽压幅值；当数字信号输入端SHIFT为高电平状态时，幅值采样点与电流采样点连接，为恒流输出模式，此时AMPSET处模拟信号控制输出电流幅值；SHIFT的电平状态由主控模块02设置。

如图4所示，所述主控模块02由稳压模块03的数字电源输出端+3V3DD和模拟电源输出端+5VCC供电；主控模块02包括单片机电路021、逻辑电平转换电路022、数模转换电路023、基准电压电路024、模数转换电路025；单片机电路021的JTCK和JTMS是嵌入式程序烧录接口，ARXD和ATXD是与腐蚀电化学监测模块08的通信接口，BRXD与BTXD是与无线通讯模块04的通信接口，SWITCH和SHIFT是数字信号输出端，输出低电平和高电平两种电平状态，SWITCH是设置腐蚀电化学控制输出模块01开启和关断输出状态的控制接口，SHIFT是设置腐蚀电化学控制输出模块01恒压或恒流输出模式的控制接口；单片机电路021通过逻辑电平转换电路022与数模转换电路023通信，设置数模转换电路023的模拟信号输出端AMPSET的电压值，范围是0～2.5V，AMPSET设置腐蚀电化学控制输出模块01的输出槽压或电流幅值；基准电压电路024由+5VCC供电，在输出端2V5REF输出2.5V模拟信号，为模数转换电路025提供测量用的基准电压；模数转换电路025测量模拟信号输入端CURMEASURE和VOLMEASURE的电压信号，转换为数字信号传输至单片机电路021，CURMEASUR和VOLMEASURE的电压值分别用于计算腐蚀电化学控制输出模块01的输出电流和槽压值。

如图5所示，所述探针式腐蚀传感器09包括工作电极091、参比电极092、辅助电极093、焊点密封壳094、传感器电缆095；工作电极091、参比电极092、辅助电极093以及钢筋11各自与传感器电缆095中的一条导线焊接，焊点置于焊点密封壳094中，并灌入环氧树脂密封保护焊点同时将探针式腐蚀传感器09固定钢混结构中的钢筋11上；工作电极091的材质和表面状态与钢筋11一致；工作电极091、参比电极092、辅助电极093组成的三电极体系用于腐蚀电化学测量，同时参比电极092用于测量钢筋11的电位；探针式腐蚀传感器09通过传感器电缆095与腐蚀电化学监测模块08连接，在非电化学测量期间，腐蚀电化学监测模块08将工作电极091与钢筋11建立电连接，以体现宏电池腐蚀和腐蚀电化学控制对测点处腐蚀状态的影响，在电化学测量前断开工作电极091与钢筋11的电连接，待工作电极091的开路电位稳定后进行电化学测量。

如图6所示，所述腐蚀电化学监测模块08包括电极选择模块081、钢筋电位控制模块082、激励发生模块083、响应采集模块084、监测主控模块085；电极选择模块081控制探针式腐蚀传感器09的工作电极091、参比电极092、辅助电极093以及钢筋11与钢筋电位控制模块082的连接与断开；监测主控模块085与激励发生模块083通讯，控制激励发生模块083输出腐蚀电化学测量用的激励信号；钢筋电位控制模块082在辅助电极093和工作电极091之间通电使工作电极091相对于参比电极092的电位差与激励发生模块083输出的激励信号一致；响应采集模块084测量工作电极091相对于参比电极092的电位差以及工作电极091与辅助电极093之间的电流；监测主控模块085根据响应采集模块084测量的电位信号和电流信号进行腐蚀电化学状态的识别，并将其通过数字隔离器06发送至主控模块02中；监测主控模块085通过控制激励发生模块083输出不同形式的激励信号实现恒电位阶跃、动电位扫描等腐蚀电化学测量。

如图7所示，本发明上电后进行初始化，并与云服务器建立通讯连接，接收云服务器的指令；云服务器通过指令可以配置输出状态，包括输出开启和输出关断；配置输出模式，包括恒压输出、恒流输出以及恒电位输出；配置输出幅值，包括输出槽压、输出电流以及钢筋设定电位；若开启输出，本发明将接通阴极电缆，并按配置的模式和幅值输出，若关断输出，本发明将断开阴极电缆；本发明的恒压输出和恒流输出依靠硬件电路实现，即主控模块02通过设置SHIFT处的电平状态实现恒压和恒流模式的切换，通过设置AMPSET处的模拟电压值调节输出槽压或电流幅值；而恒电位输出依靠软件实现，在硬件上切换到恒压输出并输出初始槽压，而后不断循环进行测量钢筋电位和调整输出槽压值，若钢筋电位测量值高于设定电位则增加输出槽压，若钢筋电位测量值低于设定电位则减小输出槽压；云服务器通过指令可以控制本发明进入或退出自主模式；在自主模式中，本发明首先对探针式腐蚀传感器进行腐蚀电化学测试，测试完成后根据测量数据识别腐蚀电化学状态，接着由本发明内置的腐蚀控制决策模型根据腐蚀电化学状态对腐蚀电化学控制的输出状态、模式与幅值进行一次修改，等待一定的时间间隔后重新进行腐蚀的测量、识别与输出修改并以此循环；云服务器通过指令可以修改本发明内置的腐蚀控制决策模型；本发明上电初始化后默认进入自主模式，能够在无网络服务区域自主工作。

实施例1

本实施例采用阻值已知的电阻作为负载，使用万用表验证本发明在不同输出幅值和不同负载下恒压和恒流输出的精度；本发明的恒压输出和恒流输出采用硬件电路实现，如表1所示，本发明恒压输出上限是35V，相对误差在±0.5％以内，如表2所示，本发明恒流输出上限是1A，相对误差在±2％以内。

表1恒压输出相对误差

表2恒流输出相对误差

实施例2

如图8所示，本实施例采用缩尺钢混桥墩模型验证本发明对真实钢混结构腐蚀电化学控制的输出效果。缩尺桥墩高40厘米，截面是边长20厘米的正方形，保护层厚度3.5厘米，4根纵向钢筋直径20毫米，2个箍筋直径8毫米，在桥墩高度6.7厘米、20厘米、33.3厘米处的混凝土表面布置一圈5厘米宽的碳纤维布作为阳极材料；缩尺桥墩浇筑时掺入水泥质量3％的氯化钠，养护完成后浸泡在氯化钠质量分数为5％的盐水中，液面高度20厘米；本实施例分别采用恒压输出、恒流输出和恒电位输出三种模式对缩尺桥墩模型进行腐蚀电化学控制，每隔5分钟增加输出幅值，本实施例将输出状态、模式和幅值实时传输至云服务器中，云服务器实时显示并存储历史数据，对于每个幅值使用万用表测量三次以验证不同幅值下的输出精度。

如图9所示，本发明对钢混结构恒压输出控制的噪声小于±10mV，输出相对误差在±1％以内；如图10所示，本发明对钢混结构恒流输出控制的噪声小于±0.2mA，输出相对误差在±3％以内；如图11所示，本发明的恒电位输出在每次调整输出幅值后1分钟以内收敛，收敛后恒电位输出噪声小于±5mV，输出相对误差在±1％以内。

实施例3

本实施例提供了一种腐蚀控制决策模型，如图12所示，该控制决策模型以钢筋开路电位和钢筋腐蚀电流密度两种腐蚀状态信息为依据进行腐蚀控制决策；若钢筋腐蚀电流密度小于0.1μA/cm²，则钢筋腐蚀速率可忽略，此时不进行腐蚀电化学控制，本发明的输出状态配置为关断；若钢筋腐蚀电流密度不小于0.1μA/cm²，则需要腐蚀控制，本发明的输出状态配置为开启；若钢筋腐蚀电流密度在0.1～10μA/cm²之间，则钢筋处于低速腐蚀状态，此时腐蚀电化学控制模式为阴极保护，本发明的输出模式配置为恒电位输出，恒电位输出幅值按腐蚀电流密度数值线性降低，实现了腐蚀速率越高，阴极保护的强度越高，同时设定了恒电位输出幅值必须低于钢筋开路电位200mV以上，使钢筋电位进入阴极塔菲尔区；此外还设定了恒电位输出幅值在-1090～-710mV(vs.SCE)之间，使钢筋电位处于热力学意义上的保护电位范围内；若钢筋腐蚀电流密度大于10μA/cm²，则钢筋处于高速腐蚀状态，此时腐蚀电化学控制模式为电化学除氯和再碱化，配置本发明输出模式为恒压输出，恒压输出幅值在5～10V之间按照腐蚀电流密度线性增加。

Claims (6)

1.一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述多功能无线节点包括腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块、探针式腐蚀传感器、阳极材料，其中：

所述探针式腐蚀传感器包括工作电极、参比电极、辅助电极、焊点密封壳、传感器电缆；工作电极、参比电极、辅助电极以及钢筋各自与传感器电缆中的一条导线焊接，焊点置于焊点密封壳中，并灌入环氧树脂密封保护焊点同时将探针式腐蚀传感器固定在钢筋上；

所述腐蚀电化学监测模块通过传感器电缆与探针式腐蚀传感器电连接，对工作电极、参比电极、辅助电极组成的三电极体系进行腐蚀电化学测量获取钢筋的腐蚀电化学状态；测量钢筋与参比电极之间的电位差，以获取钢筋的开路电位以及腐蚀电化学控制下的电位；腐蚀电化学监测模块通过数字隔离器与主控模块建立通讯连接；非电化学测量期间，腐蚀电化学监测模块将工作电极与钢筋建立电连接，以体现宏电池腐蚀和腐蚀电化学控制对测点处腐蚀状态的影响，在电化学测量前断开工作电极与钢筋的电连接，并等待工作电极的开路电位稳定；

所述直流电源为稳压模块和腐蚀电化学控制输出模块供电，稳压模块为腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、无线通讯模块、数字隔离器、隔离稳压器供电，隔离稳压器为腐蚀电化学监测模块供电，腐蚀电化学监测模块为数字隔离器供电；

所述腐蚀电化学控制输出模块的阳极输出端与阳极材料电连接，阴极输出端与钢筋电连接，具有开启和关断两种输出状态，开启状态下阴极输出端通路，关断状态下阴极输出端断路；具有恒压输出和恒流输出两种模式，输出幅值可设置，对钢筋施加阴极电流实现腐蚀电化学控制；

所述腐蚀电化学控制输出模块包括输出调整电路、幅值设定电路、输出开关电路、模式切换电路、槽压采样电路、电流采样电路；当数字信号输入端SWITCH为高电平时，输出开关电路将阴极输出端通路，切换至输出开启状态，当数字信号输入端SWITCH为低电平时，输出开关电路将阴极输出端断路，切换至输出关断状态；在输出开启状态下，当数字信号输入端SHIFT为高电平时，模式切换电路将电流采样点与幅值采样点连接，切换至恒流输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出电流幅值，当数字信号输入端SHIFT为低电平时，模式切换电路将槽压采样点与幅值采样点连接，切换至恒压输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出槽压幅值；槽压采样电路采集阴阳极输出端之间的槽压并转换为VOLMEASURE处的模拟电压信号，电流采样电路采集阴阳极输出端之间的电流并转换为CURMEASURE处的模拟电压信号；

所述主控模块控制SWITCH和SHIFT处的电平状态并控制AMPSET处的模拟电压信号值，实现对腐蚀电化学控制输出模块的设置，并读取VOLMEASURE和CURMEASURE处的模拟电压信号值，以测量输出的槽压和电流幅值；

所述主控模块调整腐蚀电化学控制输出模块的输出槽压实现恒电位输出模式，主控模块设置SWITCH为高电平，设置SHIFT为低电平，将腐蚀电化学控制输出模块设置为输出开启状态并切换模式为恒压输出，通过调整AMPSET处的模拟电压信号值设置输出槽压幅值，控制腐蚀电化学监测模块测量钢筋电位，与钢筋电位的设定值比较，若钢筋电位测量值高于设定值，则通过AMPSET增加槽压幅值，若钢筋电位测量值低于设定值，则通过AMPSET减小槽压幅值，不断循环进行钢筋电位的测量和输出槽压幅值的调整，将钢筋电位稳定在设定电位处，达到恒电位输出的效果；

所述主控模块内置腐蚀控制决策模型，实现多功能无线节点的自主运行；在自主模式下，主控模块定期通过腐蚀电化学监测模块进行电化学测量获取钢筋开路电位、钢筋腐蚀电流密度等腐蚀电化学状态，再由腐蚀控制决策模型根据腐蚀电化学状态进行多功能无线节点的输出状态、模式和幅值的决策；若钢筋的腐蚀速率可忽略，则不进行电化学控制，输出状态配置为关断；若钢筋处于低速腐蚀状态，则进行阴极保护，输出状态配置为开启，输出模式为恒电位输出；若钢筋处于高速腐蚀状态，则进行电化学除氯和再碱化，输出状态配置为开启，输出模式配置为恒压或者恒流输出；在开启输出状态下，设置输出幅值与腐蚀速率线性相关；

所述主控模块通过无线通讯模块与云服务器建立通讯连接，进行指令接收与数据上传，云服务器远程控制并监听多功能无线节点的输出状态、模式和幅值。

2.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块封装于电磁屏蔽壳内，置于钢混结构外部；探针式腐蚀传感器固定在钢筋上，阳极材料安装在混凝土表面。

3.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述腐蚀电化学控制输出模块包括输出调整电路、幅值设定电路、输出开关电路、模式切换电路、槽压采样电路、电流采样电路；输出开关电路设置输出开启和输出关断两种输出状态；在输出开启状态下模式切换电路切换恒压和恒流两种输出模式；在恒压输出模式下，幅值设定电路设置阳极输出端和阴极输出端之间的槽压值，恒流输出模式下，幅值设定电路设置阳极输出端和阴极输出端之间的电流值；输出调整电路调整阴阳极输出端之间的槽压，使阴阳极输出端之间的槽压或电流满足幅值设定电路的要求；槽压采样电路采集阴阳极输出端之间的槽压，电流采样电路采集阴阳极输出端之间的电流，以供主控模块进行测量；腐蚀电化学控制输出模块的阳极输出端POUT与阳极材料电连接，阴极输出端NOUT与钢筋电连接。

4.根据权利要求3所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述输出调整电路包括开关降压型DC-DC转换芯片XU1、二极管XD1～2、磁环电感XL1、电容XC1～5、电阻XR1～2；二极管XD1正极与直流电源的正极DCPOWER连接，负极连接到XU1的VIN引脚；XC1正极与XU1的VIN引脚连接，负极与电源地GND连接；XC2与XC1并联；XC3两端分别与XU1的VIN引脚和VC引脚连接；XU1的GND引脚连接到电源地GND；二极管XD2正极与电源地GND连接，负极与XU1的SW引脚连接；XL1一端与XU1的SW引脚连接，另一端与阳极输出端POUT连接；XC4正极与POUT连接，负极与电源地GND连接；XC5与XC4并联；XR1一端与POUT连接，另一端与槽压采样点连接，XR2一端与槽压采样点连接，另一端与电源地GND连接；XU1的FB引脚与幅值设定电路的输出幅值反馈点连接；输出调整电路将调整POUT处的电压，直至幅值设定电路的输出幅值反馈点处电压等于XU1的内置参考电压；

所述输出开关电路控制阴极输出端NOUT与XU4.2同相输入端的连接与断开，当数字信号输入端SWITCH为高电平状态时，NOUT与XU4.2的同相输入端连接，腐蚀电化学控制输出模块处于输出开启状态，当SWITCH的电平状态为低电平状态时，NOUT与XU4.2的同相输入端断开，腐蚀电化学控制输出模块处于输出关断状态；

所述槽压采样电路包括运算放大器XU4.1、电阻XR14～15、陶瓷电容XC6；XU4.1的同相输入端与槽压采样点连接；XR14一端与模拟地AGND连接，另一端与XU4.1的反相输入端连接；XR15一端与XU4.1的反相输入端连接，另一端与XU4.1的输出端连接；XC6与XR15并联；XU4.1的输出端与模拟信号输出端VOLMEASURE连接，主控模块测量VOLMEASURE的电压以计算POUT处电压；

所述电流采样电路包括运算放大器XU4.2、电阻XR16～18、陶瓷电容XC7；XR16一端与模拟地AGND连接，另一端与XU4.2的反相输入端连接；XR17一端与XU4.2的反相输入端连接，另一端与XU4.2的输出端连接；XC7与XR17并联；XR18一端与XU4.2同相输入端连接，另一端与电源地GND连接；XU4.2的输出端与电流采样点连接；电流采样点与模拟信号输出端CURMEASURE连接；主控模块通过测量CURMEASURE的电压值以计算腐蚀电化学控制输出模块的输出电流值；

所述幅值设定电路包括运算放大器XU2.1、XU2.2、XU3.1、二极管XD4、电阻XR3～9；XR3一端与+5VCC连接，另一端与XU2.1的同相输入端连接；XR4一端与XU2.1的同相输入端连接，另一端与电源地GND连接；XU2.1的反相输入端与输出端连接；XR5一端与XU2.1的输出端连接，另一端与XU2.2的反相输入端连接；XR6一端与XU2.2的反相输入端连接，另一端与XU2.2的输出端连接；XR7一端与XU2.2输出端连接，另一端与XU3.1的反相输入端连接；XR8一端与XU3.1的反相输入端连接，另一端与输出幅值反馈点连接；XR9一端与输出幅值反馈点连接，另一端与电源地GND连接；XD4正极与XU3.1的输出端连接，负极与输出幅值反馈点连接；XU3.1的同相输入端与幅值采样点连接；XU2.2的同相输入端与模拟信号输入端AMPSET连接；

所述模式切换电路控制腐蚀电化学控制输出模块切换恒压和恒流输出模式，当数字信号输入端SHIFT为低电平状态时，幅值采样点与槽压采样点连接，为恒压输出模式，此时AMPSET处模拟信号控制输出槽压幅值；当数字信号输入端SHIFT为高电平状态时，幅值采样点与电流采样点连接，为恒流输出模式，此时AMPSET处模拟信号控制输出电流幅值。

5.根据权利要求4所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于输出幅值反馈点处电压按式(1)计算：

V_feedback＝2V_sample-2V_ampset+1.25(1)

其中，V_feedback是输出幅值反馈点处电压，V_sample是幅值采样点处电压，V_ampset是模拟信号输入端AMPSET处电压。

6.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述腐蚀电化学监测模块包括电极选择模块、钢筋电位控制模块、激励发生模块、响应采集模块、监测主控模块；电极选择模块控制探针式腐蚀传感器的工作电极、参比电极、辅助电极以及钢筋与钢筋电位控制模块的连接与断开；监测主控模块与激励发生模块通讯，控制激励发生模块输出腐蚀电化学测量用的激励信号；钢筋电位控制模块在辅助电极和工作电极之间通电使工作电极相对于参比电极的电位差与激励发生模块输出的激励信号一致；响应采集模块测量工作电极相对于参比电极的电位差以及工作电极与辅助电极之间的电流；监测主控模块根据响应采集模块测量的电位信号和电流信号进行腐蚀电化学状态的识别，并将其通过数字隔离器发送至主控模块中；监测主控模块通过控制激励发生模块输出不同形式的激励信号实现恒电位阶跃、动电位扫描腐蚀电化学测量。

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