專利名稱：智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)
技術領域：
本發(fā)明涉及腐蝕監(jiān)測技術領域，特別是對設備的腐蝕或破壞進行系統(tǒng)測量，目 的在于弄清腐蝕過程、了解腐蝕控制的應用情況以及控制效果。
背景技術：
傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測主要是在停車檢修期間安裝和取出掛片進行檢測，達到監(jiān)測目 的。檢測方法如失重法，它通過稱取試驗片暴露在測試環(huán)境前后重量的變化來計算金屬 表面的平均損失重量.它的優(yōu)點是可以提供如腐蝕率、腐蝕類型、腐蝕產物的情況以及 焊接腐蝕和應力腐蝕等較多的信息，但缺點是需破壞材料的結構，試驗時間長，而且得 到的結果往往是整個試驗周期中產生腐蝕的總和，不適于現場使用.因此長期以來失重法 只用于實驗室或者暴露場的暴露試驗?，F代的腐蝕監(jiān)測實踐經驗大部分來自化學、石油化學、煉油、動力等工業(yè)，在 這些工業(yè)中，腐蝕行為可以通過各種方法監(jiān)測，如超聲波法、聲發(fā)射法、電位法、電阻 法、線性極化法、電偶法、電位監(jiān)測法、射線技術及各種探針技術，這些方法也存在一 些問題超聲波測厚法和電阻法可以對運轉中的設備反復進行測量，但是難以獲得足夠 的靈敏度來跟蹤記錄腐蝕速度的變化；線性極化法對腐蝕情況變化響應快，能獲得瞬間 腐蝕速率，但它不適于在導電性差的介質中應用，當設備表面有一層致密的氧化膜或鈍 化膜，甚至堆積有腐蝕產物時，將產生假電容，而引起很大的誤差，甚至無法測量；電 位法已在陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測中應用多年，并被用于確定局部腐蝕發(fā)生的條件，但它不能 反映腐蝕速率。近年來出現的新的監(jiān)測技術有交流阻抗技術、恒電量技術、電化學噪聲技術 等。交流阻抗技術對于高阻電解液及范圍廣泛的許多介質條件有較大可靠性。在較寬的 頻率范圍內測量交流阻抗需要時間很長，這樣就很難做到實時監(jiān)測腐蝕速率，不適合于 實際的現場腐蝕監(jiān)測。電化學噪聲技術測試的優(yōu)點是具有測量裝置簡單，不需要外來擾 動，對被測體系沒有干擾，可以采用數學方法進行分析，反映材料腐蝕真實狀況.但由于 金屬腐蝕過程中其本身的電學狀態(tài)隨機波動，其化學信號和腐蝕金屬電極之間的關系迄 今為止仍未建立完整的測試體系，因此不利于對金屬腐蝕的監(jiān)護和研究。而恒電量技術 對腐蝕監(jiān)測在快速、準確性、應用范圍等方面都有新的突破。恒電量方法就是采用先進的電子技術，將一已知量的電荷作為激勵信號，在極 短的時間內注入到電解池中，對所研究的金屬電極進行擾動，同時記錄電極極化電位隨 時間的衰減曲線并加以分析，求得多個電化學參數。從本質上看，恒電量法是一種斷電 松弛技術，恒電量激勵下的暫態(tài)張弛過程中沒有外電流流過研究電極，測量過程被認為 是在沒有任何凈電流通過的開路條件下進行的，所以不受溶液介質電阻的影響，適合于 在高阻介質中的快速測量，這是常規(guī)的電化學方法難以做到的。它具有測量快速、擾動 微小、結果重現性好等優(yōu)點。然而高的溶液介質電阻將延遲電量傳送到電解池測量的 時間，將直接影響影響測量過程，同時一般的數據傳輸裝置也會影響腐蝕的快速實時測
3量。

發(fā)明內容本發(fā)明目的是解決溶液介質電阻延遲激勵電量傳送到電解池時間及數據的高速 傳輸問題，提供一種智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明將單片機技術和恒電量方法 相結合，并采用USB技術實現下位機和計算機的通信，最后在計算機上進行數據的處理 分析。本發(fā)明提供的智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)主要由恒電量模塊、恒電量儀接口 模塊和數據處理模塊三部分組成，結構示意圖如圖1所示，其中，恒電量模塊包括高精度穩(wěn)壓電源、快速開關、阻抗變換器、放大器、自然腐 蝕電位補償裝置、標準電容等，主要完成恒電量擾動信號的產生和極化電位隨時間衰減 信號的輸出。高精度穩(wěn)壓電源給標準電容充電，高速開關打到放電回路，電容給電解池 迅速放電，電極開始極化；為了避免電荷泄露，測量裝置通過阻抗變換裝置與電解池進 行隔離，極化電位經放大器傳輸給模數轉換器；由于測量的極化電位是隨時間的衰減信 號，因此加自然腐蝕電位裝置進行電位補償。恒電量儀接口模塊主要包括單片機對A/D和D/A轉換器的控制和與主控計算
機之間的通信。單片機控制A/D和D/A轉換器完成對恒電量擾動儀信號的產生和極化
電位的采集與處理；與主機通信，單片機采集測量的極化曲線所有的數據點，通過USB
總線接口高速上傳到監(jiān)控PC機上并接收主機指令控制標準電容充電電位和自腐蝕電位補 償。 數據處理模塊在上位機監(jiān)控軟件中實現，上位機監(jiān)控軟件是監(jiān)測系統(tǒng)中至關 重要的部分，它主要包括對接收到的數據進行數據處理分析、圖形化顯示和存檔。對采 集的弱信號進行小波變換去噪，而后根據的不同的等效模型進行非線性擬合，給出極化 電阻Rp、雙電層微分電容Cd、腐蝕電流Icorr等腐蝕參數。監(jiān)控軟件包括系統(tǒng)設置、數 據瀏覽和文件存儲、數據分析和圖形顯示、以及幫助文件等。本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果1.本腐蝕監(jiān)測儀采用恒電量方法，利用雙運放回路提高極化充電的瞬時電壓， 大大提高了電荷轉送速度具有測量快速、擾動微小、結果重現性好等優(yōu)點。2.本腐蝕監(jiān)測儀采用USB接口，與傳統(tǒng)接口相比，具有傳輸速度快、熱插拔、 即插即用等優(yōu)點，與筆記本相連，還可實現便攜式監(jiān)測儀。3.在微機上進行利用Visual C++6.0與Matlab6.5混合編程開發(fā)恒電量腐蝕數據解 析系統(tǒng)。結合了 Visual C++6.0強大的系統(tǒng)開發(fā)能力，運行快，效率高，硬件操作能力強 特點和Matlab6.5充足的數值計算庫函數等優(yōu)勢，大大地減少軟件開發(fā)的工作量，加快開 發(fā)速度。

圖1恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖。圖2是等效電路模型1。圖3是對電路模型1進行拉氏變換。
圖4是等效電路模型2。圖5是對電路模型2進行拉氏變換。
具體實施方式如圖1所示，本發(fā)明提供的智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成， 分別為恒電量模塊、恒電量儀接口模塊和數據處理模塊，下面分別詳述如下1.測量原理根據電化學原理，金屬電極可以等效為極化電阻Rp和雙電層微分電容Cd并聯 的電路。若把一已知很小電量Aq施加到電極上，迫使電極極化，其電位將偏離自然腐 蝕電位cpc產生過電位Iitl，若過電位Iltl小于5mv，即在線性極化區(qū)可以認為Rp和Cd保 持常數。若無其他漏電回路，提供給金屬電極上的電量僅被腐蝕反應消耗(即通過Rp消 耗掉)，隨后電極上的電位又會逐漸返回原始的自然腐蝕電位科。通過對獲得的電極過電 位衰減曲線加以分析和計算，可以得到Rp和Cd;施加恒電量強極化激勵，解析強極化 區(qū)的極化電位獲得陽(陰)極Tafel斜率，可得腐蝕電流。這樣經過兩次強極化區(qū)和一次 線性區(qū)恒電量測量，就可以獲得Rp、Cd、ba、be,進而獲得腐蝕電流。2.恒電量模塊包括高精度穩(wěn)壓電源、快速開關、阻抗變換器、放大器、自然腐蝕電位補償裝 置、標準電容，主要完成恒電量擾動信號的產生和極化電位隨時間衰減信號的輸出。Cs是貯存電荷的標準電容，在恒電量測量開始之前，單片機通過D/A輸入極化 電壓的大小，通過高精度穩(wěn)壓電源給標準電容進行充電，則標準電容上貯存的電量AQ =Vs · Cs。在測量開始的瞬間，標準電容向電解池放電，迅速地將貯存的已知電量注 入電極體系，同時記錄電極電位，獲得的極化電位隨時間的變化就是恒電量瞬態(tài)響應信 號。恒電量模塊提供四個提供貯存電荷的標準電容，四個的標稱值依次相差十倍， 形成從低到高四種電極化范圍。在測量開始的瞬間，標準電容向電解池放電，迅速地將 貯存的已知電量注人電極體系。這種采用將貯存有已知微量電荷的電容快速并聯到電解 池上，將電荷瞬間引入電解池的恒電荷脈沖技術簡便、可靠、抗干擾能力強，但對電解 池充電的速度取決于時間常數RsCo，即Rs的增大將增加充電時間，故溶液介質電阻將直 接影響測量過程。由于Rs取決于測量體系，故只有考慮減小Co來減小時間常數RsCo。 為了保持足夠的極化電量，必須增加Co上的電壓(Vo(Aq = C0V0)),在模擬電路設計 中，利用雙運放回路提高極化充電的瞬時電壓，從而降低充電回路的時間常數。在不提 高D/A輸出信號電壓和儀器工作電源的基礎上，使電荷轉送速度提高3倍以上。Rs、Co 解釋見圖2。研究電極與參比電極之間的電壓信號經腐蝕電位補償裝置、阻抗交換器、放大 器通過A/D轉化，轉換成數字量信號，進入單片機。腐蝕電位補償裝置對自然腐蝕電位 漂移進行補償。3.恒電量儀接口模塊主要包括單片機對A/D和D/A轉換器的控制和與主控計算機之間的通信。單 片機控制A/D和D/A轉換器完成對恒電量擾動儀主機的控制和極化電位數據的采集與處
5理；與主機通信，單片機采集測量的極化曲線所有的數據點，通過USB總線接口高速上 傳到監(jiān)控PC機上并接收主機指令控制標準電容充電電位和自腐蝕電位補償。單片機通過一路DAC給出充電電位，經過雙運放電路放大，給標準電容充電。 通過另一路DAC補償自動腐蝕電位。通過A/D轉換器采集極化電壓信號。A/D芯片采用美國德州儀器公司推出的高速8位A/D轉換器TLC5540。它的最 高轉換速率可達40MSPS，模擬輸入帶寬高達75MHZ。TLC5540有內置的采樣保持電路 和標準的分壓電阻，從而可簡化外圍器件的連接。AD5547采用美國AD公司的并行16 位電流輸出型0/A轉換芯片。4MHz頻寬，0.5 μ s建立時間，內建反饋電阻，可實現電 流電壓轉換輸出4象限乘法型數模轉換器。單片機采用CY7C68013，CY7C68013是由CYPRESS公司生產的一款高速
USB2.0傳輸控制芯片，具有指令運行速度快、在線“軟配置”和提供了通用可編程接口 GPIF等優(yōu)點，因此廣泛應用于數據采集、視頻傳輸和海量存儲設備。芯片集成了 USB2.0 收發(fā)器和串行接口引擎(SIE)能夠完成USB協議的封裝和解包等功能，大大方便了用戶 的固件開發(fā)；USB固件程序可由USB總線下載到芯片，不再需要硬件編碼存儲器；端 點FIFO與接口 FIFO合二為一，大大縮減了 USB和外部邏輯電路數據傳輸上的時間；通 用可編程接口(GPIF)作為一種微編碼狀態(tài)設備，可實現時序管理，不經過CPU，通過 GPIF波形實現主機和USB設備的數據傳輸。CY7C68013有三種接口方式，本文機采用GPIF進行與外設通信。GPIF的核心 就是一個可編程狀態(tài)機，4個用戶定義的波形描述符控制狀態(tài)機。每一個GPIF波形描述 符可定義為7種狀態(tài)，在每一種狀態(tài)中，GPIF又能被設計為驅動或實施CTL輸出；采 樣或驅動FIFO數據總線；累加GPIF地址總線的值；累加指向當前FIFO的指針；觸發(fā) 一個GPIF波形。另外每一個狀態(tài)可以采樣RDYx輸入引腳、FIFO標志、INTRDY標志 和傳輸計數中止標志中的任意兩種進行“與” “或” “異或”，以決定將轉移到哪個狀 態(tài)。為了避免數據丟失，GPIF和A/D之間連接外部FIFO。A/D轉換器將數據存入外 部FIFO中，GPIF再從FIFO中讀出數據。固件是運行在接口芯片中的代碼，用以控制A/D轉換，響應各種來自系統(tǒng)的 USB標準請求，完成各種數據的交換工作和事務處理。固件包括如下源文件Reg80320.h 8051寄存器聲明及位屏蔽常數FX2.h 共同的FX2常數、宏、數據類型及函數庫內庫函數的原型函數Fw.c 固件框架源函數Periph.c 固件框架中的用戶函數掛鉤的相關定義，實現具體的外設功能Dscr.a51 USB 描述符表Ezusb.lib EZ-USB 函數庫目標代碼CYPRESS公司提供了通用驅動程序GPD。5.數據處理模塊數據處理模塊在上位機監(jiān)控軟件中實現，上位機監(jiān)控軟件是監(jiān)測系統(tǒng)中至關重 要的部分，它主要包括對接收到的數據進行數據處理分析、圖形化顯示和存檔。對采集 的弱信號進行小波變換去噪，而后根據的不同的等效模型進行非線性擬合，給出極化電 阻Rp、雙電層微分電容Cd、腐蝕電流Icorr等腐蝕參數。監(jiān)控軟件包括系統(tǒng)設置、數據瀏覽和文件存儲、數據分析和圖形顯示、以及幫助文件等。上位機軟件利用Visual C++6.0與Matlab6.5混合編程開發(fā)新的恒電量腐蝕數據解 析系統(tǒng)。結合了 Visual C++6.0強大的系統(tǒng)開發(fā)能力，運行快，效率高，硬件操作能力強 特點和Matlab6.5充足的數值計算庫函數等優(yōu)勢，大大地減少軟件開發(fā)的工作量，加快開 發(fā)速度。測量前用戶需設置測量方式、極化電位、充電電容、極化方向、測量參數、采 集速率等。測量中，將數據以文件形式存儲，然后對數據進行處理，首先根據不同的腐 蝕體系選擇擬合模型，并設定擬合量初值及擬合方式，擬合得到測量參數的估計值并通 過兩條擬合曲線的擬合程度直觀的判定結果的優(yōu)劣性。5.1等效模型電路解析在腐蝕電化學研究中，不同的腐蝕體系可能對應不同的等效電路模型。本專利 給出兩種等效模型電路相對應的兩種電位時間變化方程式。數據解析中，采用拉普拉斯 變換和逆變換的分析方法，與時域法解析恒電量激勵下電位響應曲線需要聯立解常微分 方程組相比，拉普拉斯變換及其逆運算比常微分方程組的求解更簡便。對于單個時間常數的腐蝕體系，研究中常用Randle簡單電路模型進行描述。如 圖2，測試條件為RpCd >> RsCo。圖中Co 貯存有已知微量電荷的標準電容；Rs 溶液介質電阻；Cd:電極雙電層電容；Rp:電極極化電阻。通過圖2等效電路可得電 位時間變化方程式為Δ E (t) = [Δ qRp/ (RpCd-RsC0) ] [exp (_t/RpCd) -exp (_t/RsC0)]對等效電路模型使用拉普拉斯變換可得圖3，其中當t>=0(測量開始后)， V(S) =Vtl;當1<0(測量開始前)，V(s) =O0有圖3的等效電路模型有
權利要求
1.一種智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由恒電量模塊、恒電量 儀接口模塊和數據處理模塊三部分組成，其中，第一部分為恒電量模塊包括高精度穩(wěn)壓電源、快速開關、標準電容、電解池、自 然腐蝕電位補償裝置、阻抗變換器和放大器；主要用于完成恒電量擾動信號的產生和極 化電位隨時間衰減信號的輸出。電解池是包括電解質溶液、研究電極、輔助電極和參比 電極的三電極體系；快速開關打到1位置高精度穩(wěn)壓電源給標準電容充電；快速開關打 到2位置，標準電容給電解池迅速放電；自然腐蝕電位裝置對研究電極電位進行電位補 償；阻抗變換裝置將放大器與電解池隔離，以避免電荷泄露；研究電極電位經放大器傳 輸給模數轉換器。第二部分為恒電量儀接口模塊包括單片機、A/D轉換器和D/A轉換器。通過單 片機控制A/D轉換器對電極電位進行模數轉換，控制D/A轉換器對極化電位和自然腐蝕 電位進行數模轉換；通過單片機與主機進行通信，將采集的數據通過USB總線接口高速 上傳到主機，并接收主機指令控制標準電容充電電位和自腐蝕補償電位；第三部分為數據處理模塊數據處理模塊在主機上通過軟件實現，包括數據處理分 析、圖形化顯示和存檔；該模塊首先對接收到的數據進行小波變換去噪，而后根據不同 的等效模型進行非線性擬合，最后得出極化電阻、雙電層微分電容、腐蝕電流等電化學 參數。
全文摘要
一種智能高速恒電量腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三部分恒電量模塊，主要用于完成恒電量擾動信號的產生和極化電位隨時間衰減信號的輸出；恒電量儀接口模塊，主要通過單片機控制A/D轉換器對極化電位進行模數轉換器，控制D/A轉換器對極化電位和自然腐蝕電位進行數模轉換；通過單片機與主機進行通信，將采集的數據通過USB總線接口高速上傳到主機，并接收主機指令控制標準電容充電電位和自腐蝕補償電位；數據處理模塊，對接收到的數據進行小波變換去噪，而后根據不同的等效模型進行非線性擬合，最后得出電化學參數。具有測量快速、擾動微小、結果重現性好等優(yōu)點，同時具有傳輸速度快、熱插拔、即插即用，可與筆記本相連，實現便攜式監(jiān)測儀。
文檔編號G01N17/02GK102012355SQ20101028948
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權日2010年9月25日
發(fā)明者何宏, 張小倫, 李麗 申請人:天津理工大學