CN86105493A - 一种微分极化电阻测量方法及测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量腐蚀体系极化电阻的方法，其特征在于对电极进行小幅值线性极化扫描，通过测量腐蚀电位处的电流微分值来求得极化电阻。本发明还提供了一种实施上述测量方法用的微分极化电阻测试仪。它由(I)线性电位扫描信号电路；(II)恒电位电路；(III)微分电路；(IV)滤波放大电路；(V)微分电流采样保持电路；(VI)腐蚀电位跟踪保持电路所组成。本发明所提供的微分极化电阻测量方法和测试仪克服了现行线性极化测量技术的缺点，而且还可以提高测量速度。
Description
本发明属于测试材料的耐腐蚀性能和通过测试腐蚀体系的极化电阻确定腐蚀速度或分析材料耐蚀性能的技术领域。即提供一种测量金属腐蚀体系的极化电阻 监测腐蚀速度的方法和仪器。
极化电阻技术在腐蚀研究和工业生产中都有着广泛的应用，通过对金属腐蚀体系的极化电阻的测量，可以定量地分析金属材料在介质中的腐蚀速度，监控工业生产设备的腐蚀情况。通常在腐蚀电化学中流行采用方波电位法测量在自腐蚀电化附近的“线性极化电阻”（以下简称为线性极化技术）作为极化电阻。可以证明，用上述线性极化技术测量极化电阻不仅理论衰减不可克服，而且从测试技术实施方面来考虑，也会遇到一些问题，如（1）线性极化测量所包含的理论误差的大小依赖于极化方向及被测量体系的极化性质。然而对一个待测的实际体系来说，除非详尽探讨过其极化行为，否则无法确定测量结果所包含的理论误差大小;（2）虽然测量中极化值△E愈小，理论误差也愈小，但△E减小会使由于Ecorr变化造成的读数误差增大;（3）线性极化测量读数的速度及频率选择均会影响测量结果，因为读数过快，电极未达到稳定，而读数过慢，上述Ecorr在测量中变动所造成的误差则会增大。
本发明的目的就是要舍弃用线性极化技术的旧方法，提出一种微分极化技术的新方法，从根本上克服上述缺点。本发明所提供的极化电阻测量方法，其特征在于对电极进行小幅值线性电位极化，通过测量腐蚀电位处的电流微分值来求得极化电阻。采用微分极化技术测量极化电阻，由于系基于测量极化曲线Ecorr处的斜率，而不是通过将极化曲线处理为直线而得到极化电阻，故不仅可消除理论误差，此外，由于利用微分法消除了双层充电电流的影响，还可以提高测量速度。
本发明的微分极化电阻测量方法的提出，基于如下的理论分析：对于一个待测的腐蚀体系，若参比电极到研究电极之间的溶液电阻Rs可以忽略不计，或予以补偿，则该体系的等效电路可用图1表示。（图1中Cd用于模拟双层电容，Zf用于模拟电极的法拉弟阻抗）
现对研究电极极化，使电极极化按线性规律变化，即使电极的极化信号E（t）＝Kt（其中K为扫描速度常数，t为时间变量），则极化电流I＝Inf+If（其中Inf为双层充电电流，即非法拉弟电流，If为电极反应电流，即法拉弟电流）。
若极化时电位变动范围不大（通常为±10mv），可以认为电极的双层电容Cd不变，因而有：
Inf＝Cd·dE/dt （1）
在电极电位变动时，总的极化电流为：
I＝Cd·dE/dt+If （2）
由于dE/dt＝K，所以式（2）可写成：
I＝K·Cd+If （3）
将式（3）对时间t微分，并只读取E＝Ecorr时的电流微分值，由式（3）可得：
（dI/dt）Ecorr＝（dIf/dE·dE/dt）Ecorr
＝ (K)/(Rp) （4）
其中Rp正是极化电阻，它直接由极化曲线在腐蚀电位处的斜率来表示，由于电位的扫描速度是给定的，故极化电阻可以通过测量在腐蚀电位处电流的微分值求出。
由此可见，本发明的微分极化测量方法有如下优点：
（1）采用微分极化电阻测量，可以消除由于线性近似而引起的理论误差;
（2）由于测量是取Ecorr处的微分电流值，因此可以在Ecorr附近选定一个固定的极化扫描范围;
（3）利用微分可消除双层充电电流对测量结果的影响，提高测量速度。
本发明还提供了一种用于实施微分极化电阻测量方法的微分极化电阻测试仪，其结构原理如图2所示。
由图2可见，从结构原理上来分析，本发明所提供的微分极化电阻测试仪包括如下几部分：（Ⅰ）线性极化扫描信号发生电路;（Ⅱ）恒电位电路;（Ⅲ）微分电路;（Ⅳ）滤波放大电路;（Ⅴ）微分电流采样保持电路;（Ⅵ）腐蚀电位跟踪保持电路。
在图2中，WE为研究电极、CE为辅助电极、RE为参比电极。对研究电极的极化由恒电位电路控制，极化扫描信号由线性极化扫描发生电路给定，当研究电极极化时，流过电极的电流经电流-电压转换转变为电压信号输出，再经滤波放大使信号增加到一定的幅度送到微分器输入端，微分信号输出幅值与扫描速度、电流-电压转换的反馈电阻、滤波放大倍数、微分器的参数及体系的性质均有关。
微分电流的定点采样由采样控制脉冲控制，当线性极化扫描信号过零时，即电极的极化在Ecorr处，采样控制脉冲电路给出一个采样脉冲，使数字表对微分器输出的微分电流进行采样。
在微分极化电阻测量中，腐蚀电位由腐蚀电位跟踪保持电路给定，这样有利于提高测量的准确性和测量速度。
对实际腐蚀体系进行测量时，如原理所述，溶液欧阻电阻会影响到测量结果。对溶液欧姆电阻的补偿采用电压正反馈的方法，即在恒电位电路的输出端上取一个分压反馈到恒电位电路放大器的输入端，调节分压值与溶液欧姆压降相当，便可以补偿溶液欧姆电阻的影响。
由本发明所提供的微分极化电阻测试仪其实施例如图3～9所示。其中图3系微分极化电阻测试仪整机线路图，它所包括的六个主要电路为：图4给出的线性极化扫描发生电路;图5给出的恒电位电路;图6给出的微分电路;图7给出的滤波放大电路;图8给出的微分电流采样保持电路;图9给出的腐蚀电位跟踪保持电路。在本实施例中，为使线路结构紧凑和小型化采用了一些集成运算放大器，而这些集成运算放大器如用分立元件予以代替是完全可行的。
下面分别就组成本微分极化电阻测试仪的各主要电路加以说明：
（Ⅰ）线性极化扫描信号电路，它由积分器（A6）、比较器（A7）、跟踪器（A8）和比较器触发电路构成。
当启动K3触发开关使比较器（A7）翻转，积分器（A6）开始对流过积分电阻的电流进行积分，使其输出端产生一个线性上升信号，经B3分压由跟随器（A8）输出。该电路功能为产生用于电极极化的线性极化扫描信号。B1为触发网络。
（Ⅱ）恒电位电路，用以恒定参比电极（RE）到研究电极（WE）之间的电位，在本测试仪中恒电位电路采用反相放大恒电位原理，它由主放大器（A1）、电流-电压转换器（A3）和电压跟随器（A2）及跟随器（A5）构成。其中（A1）、（A2）、（A3）构成基本的反相放大式恒电位电路，通过研究电极的电流直接经电流-电压转换器A3转变成电压信号。对于溶液欧姆电阻的补偿是由（A3）的输出端上设置-正反馈分压电路B3来实现，该电路的反馈信号通过跟随器（A5）反馈到主放大器（A5）的输入端来。
（Ⅲ）微分电路，它用于对电极的电流信号进行微分处理。它由运算放大器（A9）和电阻、电容网络构成，而接在滤波放大电路的输出端上，为了抑制腐蚀电化学实验中高频噪声对微分电路的影响，在微分电容C0前串接一个小电阻R1，并在反馈回路中加接C1与R0并联，使R0C1＝R1C0可以进行相位补偿。
（Ⅳ）滤波放大电路，为了进一步降低噪声对微分的影响，在微分电路前端还可增设一个滤波放大电路，它由一个二级四阶滤波电路和反相放大器（A15）构成。放大作用即通过放大器A15来执行，其输入端与恒电位仪的电流-电压转换器输出端相接，输出端接微分电路。
（Ⅴ）微分电流采样保持电路，它由比较器（A14）、场效应管3DJ及数字电压表构成，数字电压表的触发采样的两个控制端分别与场效应管的漏板（D极）、源极（S极）相连接，场效应管的栅极（G极）则与比较器（A14）输入端相接。当腐蚀电位为E＝Ecorr时，即线性信号扫描过零时，对微分电流的采样保持所采集的信号利用了数字表的采样保持功能。其工作原理如图8所示，采样保持控制脉冲由比较器（A14）产生，其输入与线性扫描信号电路中（A6）的输出相接，当扫描信号过零时，比较器（A14）产生正脉冲，使场效应管3DJ导通，于是数字表对微分电流进行一次采样。
（Ⅵ）腐蚀电位跟踪保持电路，为了在测量前能够自动的跟踪腐蚀电位，在测量中将腐蚀电位保持并施加给研究电极。在仪器中设有腐蚀电位跟踪保持电路，如图9所示，它由反相器（A12）、跟随器（A4）、跟随器（A13）及继电器J构成。其输入端为参比电极（RE），输出端与恒电位电路放大器（A1）的输入端相连。由跟随器（A4）输出端得到的是腐蚀电位，经反相器（A12）反相，经继电器J再经保持电路（A13）输入到恒电位电路至放大器（A1）输入端，由于继电器J在测量前处于闭合，在测量中处于断开状态，因此可以实现腐蚀电位的自动跟踪保持。
本发明所提供的微分极化电阻测试仪部件组装及外观结构如图10、11所示。
在图10、图11中，（1）恒电位电路准备，工作选择开关;（2）数字表连续，触发采样选择开关;（3）线性极化扫描信号启动开关;（4）线性极化扫描信号扫速选择开关;（5）线性极化扫描信号幅值选择开关;（6）电源指示灯;（7）溶液欧姆电阻补偿分压电阻;（8）电源开关;（9）测量电位、电流、微分电流选择开关;（10）电流量程选择开关;（11）数字表;（12）恒电位电路主放调零;（13）微分输出调零;（14）恒电位电路电流-电压转换调零;（15）熔断器;（16）电源插头;（17）外接研究电极WE，辅助电极CE，参比电极RE插头。
采用本发明所提供的微分极化电阻测试仪进行极化电阻测量时，先启动开关（1）使恒电位电路工作状态，再使开关（12）处于单点采样位置，并使开关（10）处于测量微分电流位置，最后按触发开关（3），于是线性极化扫描电路产生扫描信号通过恒电位电路施加到研究电极WE上，流过研究电极WE的电流经滤波放大，经微分到数字电压表输入端，当扫描信号过零时，微分电流采样保持脉冲产生采样脉冲，此时数字表对微分电流进行采样一次。即（dI/dt）Ecorr的值，故根据（4）式Rp＝K/（dI/dt）Ecorr便可得出所研究腐蚀体系的极化电阻。
Claims (8)
1、一种测量腐蚀体系极化电阻的方法，其特征在于对电极进行小幅值线性电位极化扫描，通过测量在腐蚀电位处的电流微分值来求得极化电阻。
2、一种专用于实施权利要求1所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于它由（Ⅰ）线性极化扫描信号电路;（Ⅱ）恒电位电路;（Ⅲ）微分电路;（Ⅳ）滤波放大电路;（Ⅴ）微分电流采样保持电路;（Ⅵ）腐蚀电位跟踪保持电位所组成。
3、按权利要求2所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于所说的线性极化扫描信号电路由积分器（A6）、比较器（A7）、跟随器（A5）和比较器触发电路构成。
4、按权利要求2所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于所说的恒电位电路由放大器（A1）、跟随器（A2）、电流-电压转换器（A3）、跟随器（A5）构成。其中（A1）、（A2）、（A3）构成反相放大式恒电位电路，并在（A3）输出端设-正反馈分压电路（B2），该电路的反馈信号经跟随器（A5）反馈到（A1）的输入端。
5、按权利要求2所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于所说的微分电路系由放大器（A9）和电阻、电容网络构成，其输入端接在滤波放大电路输出端上。
6、按权利要求2所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于所说的滤波放大电路由一个二级4阶滤波电路和反相放大器（A15）构成，其输入端接恒电位电路的电流输出，输出端接微分电路输入端。
7、按权利要求2所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于所说的微分电流采样保持电路由比较器（A14）、场效应管3DJ及数字表所构成。数字表的触发采样的两个控制端分别与场效应管3DJ的漏极（D极）、源极（S极）相连接，栅极（G极）与比较器（A14）输入端相接。
8、按权利要求2所述的微分极化电阻测试仪，其特征在于所说的腐蚀电位跟踪、保持电路由反相放大器（A12）、跟随器（A4）跟随器（A13）及继电器J构成。其输入端为参比电极（BE），输出端与恒电位电路放大器（A1）输入端相连。
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1986
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