一種恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統的製作方法

2023-06-13 11:08:36

專利名稱：一種恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統的製作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及外加電流陰極保護技術及其試驗研究領域，具體為一種恆定電流間歇陰極保護和加速腐蝕系統。
背景技術：
隨著我國近幾十年來交通建設的日益飽和，越來越多的舊橋梁、老碼頭和舊房屋建築結構等因不利環境而遭受腐蝕破損，亟需進行修補加固和防腐。目前，為研究鋼筋混凝土結構腐蝕破壞機理常採用外加電流加速腐蝕試驗，即在鋼筋(用作陽極)和輔助陰極(如鈦網或銅網等)之間施加直流電流，使Cr1等有害介質快速向陽極(鋼筋)表面集聚，從而破壞鋼筋的鈍化模，繼而發生混凝土結構鏽脹開裂和腐蝕破損；若施以反向電流，則可以使Cr1等有害離子往輔助陽極遷移，降低鋼筋表面的氯離子含量和阻止外界氯離子向陰極即 鋼筋表面的遷移，繼而實現外加電流陰極保護功能。然而，由於腐蝕發展導致負載阻抗的變化，一般穩壓電源不能據此調節並保持加速腐蝕速率恆定，難以準確預測鋼筋鏽蝕狀態。同時，隨著鋼筋腐蝕程度的增加，鋼筋達到極化的陰極保護所需電流密度也隨之增加，而一般的外加電流陰極保護系統亦沒有辨識因腐蝕電位正移等因素導致的負載阻抗變化，在不需要外加電流時仍進行陰極保護，浪費了電能，降低了系統的經濟性和可靠性。即目前該類系統不能滿足Re結構加速腐蝕試驗及防腐工程中外加電流陰極保護的需求。

實用新型內容本實用新型的目的，就是克服現有加速腐蝕試驗電源系統不能以恆定速率進行加速腐蝕以及同時滿足多路鋼筋混凝土結構試件進行加速腐蝕試驗和陰極保護需求的不足，公開一種恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統。為了達到上述目的，採用如下技術方案一種恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，包括自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流間歇輸出的陰極保護電路和自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流輸出的加速腐蝕電路，所述加速腐蝕電路和陰極保護電路設有共用的脈寬調製單端變換器和PWM恆流控制模塊，加速腐蝕電路和陰極保護電路通過切換模塊切換。進一步地，所述脈寬調製單端變換器包括高頻輸出變壓器、開關調節管、採樣反饋電阻和驅動電路；所述驅動電路驅動開關調節管輸出大功率高頻電流，與開關調節管連接的高頻輸出變壓器連接一個以上次級獲得一路以上低壓高頻電流，所述採樣反饋電阻用於採集高頻輸出變壓器輸出的經整流後的低壓電流並提供至PWM恆流控制模塊。進一步地，所述PWM恆流控制模塊包括負反饋放大器、脈寬調製器和電流調節器，電流調節器連接負反饋放大器的輸入端，負反饋放大器輸出端連接脈寬調製器，通過脈寬調製器調節脈寬調製單端變換器的開關調節管的佔空比，輸出可調的恆流。進一步地，所述加速腐蝕電路還包括PWM恆流控制模塊和加速腐蝕負載模塊，所述加速腐蝕負載模塊一端連接被腐蝕構件，另一端連接脈寬調製單端變換器。[0009]進一步地，所述被腐蝕構件和脈寬調製單端變換器之間還設有串聯連接的整流二極體、高頻濾波器和三端穩壓塊。進一步地，所述電流間歇輸出的陰極保護電路還包括陰極保護參比電極電位控制模塊，其包括用於設定保護電位上限的保護電位調節器、用於比較參比電極電位和保護電位大小的滯後正反饋比較器、用於設定保護電位下限的參比電極變化範圍調節器、以及與滯後正反饋比較器輸出端連接的光耦器，所述保護電位調節器和參比電極變化範圍調節器連接滯後正反饋比較器，通過控制光耦器的導通或截止，進一步控制PWM恆流控制模塊；陰極保護負載模塊，其一端連接陽極，一端連接脈寬調製單端變換器，兩端之間設有串聯連接的整流二極體、高頻濾波器和三端穩壓塊。與現有技術相比，本實用新型的有益效果在於(I)通過改變開關調節管的開關時間比以及在高頻輸出變壓器連接多個次級獲得多路低壓高頻電流輸出，在整流二極體和負載之間增加三端穩壓塊和高頻濾波器，從而實 現多路可調恆定直流輸出。可用於對RC結構進行恆定速率加速腐蝕試驗，模擬自然環境下混凝土結構的鋼筋鏽蝕破損，縮減試驗時間，可較準確、方便地預測鋼筋鏽蝕狀態。(2)通過採用滯後正反饋電壓比較器作為電位控制器，其輸出的開關信號控制PWM輸入端，改變其輸出狀態，可實現陰極保護外加電流的間歇輸出。用於在腐蝕環境下施加外加電場對RC結構進行陰極保護，從而使得電子遷移導致的電化學腐蝕得到抑制，使結構避免或減弱腐蝕的發生。(3)由室內試驗確定的最佳比較點電位和最合適的滯後正反饋比較器特性的寬度，可使得系統在不斷的間歇通電過程中，參比電位的變化均在陰極保護的範圍之內，而斷電的時間又足夠長，從而比連續通電節省最大限度的電能。根據現場需要對輸出電流進行大範圍調節以及對空載電壓進行控制，這種調節對於不同現場條件下獲得經濟、有效的陰極保護是必不可少的。

圖I是本實用新型所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統的系統框圖；圖2是本實用新型所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統的具體模塊框圖；圖3是本實用新型所述的脈寬調製單端變換器電路圖；圖4是本實用新型所述的PWM恆流控制模塊電路圖；圖5是本實用新型所述的陰極保護參比電極電位控制模塊電路圖。圖示I一加速腐蝕電路；11一加速腐蝕負載模塊；2 —陰極保護電路；21—陰極保護參比電極電位控制模塊；22—陰極保護負載模塊；3—共用電路；31—脈寬調製單端變換器；32—PWM恆流控制模塊；4 一切換模塊。
具體實施方式
如圖I所示，圖I為本實用新型的結構示意圖。本實用新型主要包括自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流間歇輸出的陰極保護電路2、自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流輸出的加速腐蝕電路I、以及兩電路切換的切換模塊4。其中兩者設有共用電路3。共用電路3包括脈寬調製單端變換器31 (逆變器)和PWM恆流控制模塊32。如圖I、圖2所示，本實施例的自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流輸出的加速腐蝕電路I主要包括加速腐蝕負載模塊11、脈寬調製單端變換器31以及PWM恆流控制模塊32。電流間歇輸出的陰極保護電路2主要包括脈寬調製單端變換器31、陰極保護參比電極電位控制模塊21電路和陰極保護負載模塊22。脈寬調製單端變換器31為PWM恆流控制模塊32和陰極保護參比電極電位控制模塊21提供驅動電源。圖2中，陰極保護參比電極電位控制模塊21與PWM恆流控制模塊32通過切換模塊4連接。陰極保護參比電極電位控制模塊21主要包括依次連接的跟隨器、放大器、滯後正反饋比較器和光耦器，還設有參比電極變化範圍調節器和保護電位調節器。所述參比電極變化範圍調節器、保護電位調節器分別與滯後正反饋比較器連接。參比電極變化範圍調節器調節保護電位的下限，保護電位調節器調節保護電位的上限。 如圖3所示，脈寬調製單端變換器31的高頻高壓部分由開關調節管，高頻輸出變壓器T2和驅動電路組成。其中開關調節管由採用電壓控制型的半導體功率器件IGBT管BG14、BG15、BG16、BG17組成，驅動電路由三極體BG10、BGlU BG12、BG13組成。驅動電路BG10、BG11、BG12、BG13通過輸入變壓器Tl從脈寬調製器ICl獲得輸入信號，驅動開關調節管BG14、BG15、BG16、BG17，高頻輸出變壓器T2就獲得大功率高頻輸出，高頻輸出變壓器T2的次級主繞組輸出低壓高頻電流，經過整流二極體D27、D28整流後，主負載得到需要的大功率恆流。高頻輸出變壓器T2可設置多個次級。所述次級包括加速腐蝕負載模塊和陰極保護負載模塊。加速腐蝕負載模塊包括公共線(陽極)，所述公共線為銅網或鈦網。加速腐蝕負載模塊一端連接一個以上被腐蝕構件，所述被腐蝕構件為鋼筋；另一端連接脈寬調製單端變換器。這樣就可以獲得一路以上低壓電流輸出。陰極保護負載模塊包括被保護構件(陰極)，所述被保護構件為鋼筋。陰極保護負載模塊一端連接一個以上陽極，所述陽極為銅網或鈦網；另一端連接脈寬調製單端變換器。在脈寬調製單端變換器和被腐蝕構件、陽極之間分別設置串聯連接的整流二極體、三端穩壓塊和高頻濾波器。如圖4所示，負反饋放大器IC2，採樣反饋電阻W8 (圖3)和脈寬調製器ICl組成恆流控制電路。上述電路用於加速腐蝕電路和陰極保護電路的高精度大功率恆流輸出閉環負反饋控制。採樣反饋電阻W8設於高頻輸出變壓器T2的輸出端，採集高頻輸出變壓器輸出的經整流後的低壓電流。通過給定負反饋放大器IC2的同相輸入端一個電位，負反饋放大器IC2的反相輸入端從採樣反饋電阻W8獲得電流(恆流源負載電流)負反饋信號，負反饋放大器IC2輸出端通過控制脈寬調製器ICl的佔空比，使負載獲得同負反饋放大器IC2同相輸入端給定電位對應電流相一致的穩定電流，從而實現恆流輸出。而輸出的恆流大小則通過改變負反饋放大器IC2同相輸入端的給定電位來調節脈寬調製器IC1，從而改變開關調節管的開關時間比(佔空比)，開關時間比越大(導通時間越大，關斷時間越少)，輸出電流則越大；開關時間越小(導通時間越小，關斷時間越大)，輸出電流則越小。而負反饋放大器IC2的同相輸入端給定電壓是由電流調節電位器Wl來調節，當負反饋放大器IC2的同相輸入端給定電壓越大，則負反饋放大器IC2輸出端電壓越大，從而使脈寬調製器ICl輸出的方波佔空比越大；反之，負反饋放大器IC2的同相輸入端給定電壓越小，則負反饋放大器IC2輸出端電壓越小，使脈寬調製器ICl輸出的方波佔空比越小，從而實現可調的恆流源大功率輸出。開關調節管採用電壓控制型的半導體功率器件IGBT管。IGBT管BG14、BG15、BG16、BG17組成開關調節管電路，實現恆流開關調節。空載電壓電位器W2與脈寬調製器ICl的同相輸入端連接，通過調節空載電壓電位器W2可以方便地改變脈寬調製器ICl的同相輸入端給定電壓，從而可以在一定範圍內改變恆流源空載電壓。脈寬調製單端變換器和PWM恆流控制模塊可自動辨識加速腐蝕電路和陰極保護電路主負載的阻抗變化，加速腐蝕電路輸出電路和陰極保護電路輸出電流由於反饋的作用，始終都能保持恆流輸出。如圖5所示，陰極保護參比電極電位控制模塊21主要由三極體BG9、橋式整流器IC8，滯後正反饋比較器IC6A，光耦器IC7，參比電極變化範圍調節器W7以及保護電位調節器W6組成。通過參比電極變化範圍調節器W7、保護電位調節器W6分別設定保護電位下限、保護電位上限。保護電位上限和下限構成了滯後寬度。放大器IC6B輸出端通過電阻R33連接至滯後正反饋比較器IC6A的反向輸入端，保護電位調節器W6的可調端通過電阻R47連接至滯後正反饋比較器IC6A的同向輸入端。參比電極變化範圍調節器W7的可調端和一端短接後分別通過電阻R50接到滯後正反饋比較器IC6A的輸出端，電阻R49連接到比較器 IC6A的同向輸入端。參比電極的參比電位通過接插件J5、跟隨器IC6C、放大器IC6B、參比變化範圍調節器W7、保護電位調節器W6，滯後正反饋比較器IC6A控制光耦器IC7，從而控制三極體BG9的導通或者截止，進而控制PWM恆流控制模塊電路。陰極保護電路和加速腐蝕電路的切換主要通過切換模塊的三極體BG9實現。通過控制三極體BG9的工作狀態，以及如圖5所示的閘刀開關K，實現兩電路的切換。接通電源後，參比電極電位緩慢上升，一旦上升到超過保護電位調節器設定的保護電位上限，滯後正反饋比較器IC6A翻轉。當滯後正反饋比較器IC6A發生翻轉，光耦器IC7不導通，三極體BG9飽和。三極體BG9與PWM恆流控制模塊11連接，令開關調節管的電流調節變為零。此時，脈寬調製器ICl的佔空比最小，通過開關調節管BG14、BG15、BG16、BG17使電流輸出接近零。隨後，參比電極電位緩慢下降，在參比電極電位下降到參比電極變化範圍調節器設定的保護電位下限之前，鋼結構物仍然受到陰極保護，不被腐蝕。一旦參比電極電位下降到後寬度調節器設定的保護電位下限，滯後正反饋比較器IC6A則再次發生翻轉，整個陰極保護參比電極電位控制模塊21電路恢復到剛接通電源的初始狀態。即陰極保護電路的負載工作在不斷的間歇通電過程中，參比電極電位的變化均在保護電位的上下限範圍之內。本陰極保護電路輸出間歇式恆流。其在檢測到參比電極電位下降到保護電位下限後，陰極保護電路輸出恆流；參比電極電位上升超過保護電位上限後，陰極保護電路停止工作。與保持恆電位的陰極保護電路相比，本陰極保護電路更節能。本實用新型使土木結構中的電化學防腐技術具有自動辨識陰極保護及加速腐蝕電路中負載阻抗的變化，保持加速腐蝕和陰極保護的恆定速率。
權利要求1.一種恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，其特徵在於包括自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流間歇輸出的陰極保護電路和自動識別負載阻抗變化並保持恆定電流輸出的加速腐蝕電路，所述加速腐蝕電路和陰極保護電路設有共用的脈寬調製單端變換器和PWM恆流控制模塊，加速腐蝕電路和陰極保護電路通過切換模塊切換。
2.根據權利要求I所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，其特徵在於所述脈寬調製單端變換器包括高頻輸出變壓器、開關調節管、採樣反饋電阻和驅動電路；所述驅動電路驅動開關調節管輸出大功率高頻電流，與開關調節管連接的高頻輸出變壓器設置一個以上次級獲得一路以 上低壓高頻電流，所述採樣反饋電阻用於採集高頻輸出變壓器輸出的經整流後的低壓電流並反饋至PWM恆流控制模塊。
3.根據權利要求I所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，其特徵在於所述PWM恆流控制模塊包括負反饋放大器、脈寬調製器和電流調節器，電流調節器連接負反饋放大器的輸入端，負反饋放大器輸出端連接脈寬調製器，通過脈寬調製器調節脈寬調製單端變換器的開關調節管的佔空比，輸出可調的恆流。
4.根據權利要求I所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，其特徵在於所述加速腐蝕電路還包括PWM恆流控制模塊和加速腐蝕負載模塊,所述加速腐蝕負載模塊一端連 接被腐蝕構件，另一端連接脈寬調製單端變換器。
5.根據權利要求4所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，其特徵在於所述被腐蝕構件和脈寬調製單端變換器之間還設有串聯連接的整流二極體、高頻濾波器和三端穩壓塊。
6.根據權利要求I所述的恆電流間歇式陰極保護和加速腐蝕系統，其特徵在於所述電流間歇輸出的陰極保護電路還包括 陰極保護參比電極電位控制模塊，其包括用於設定保護電位上限的保護電位調節器、用於比較參比電極電位和保護電位大小的滯後正反饋比較器、用於設定保護電位下限的參比電極變化範圍調節器、以及與滯後正反饋比較器輸出端連接的光耦器，所述保護電位調節器和參比電極變化範圍調節器連接滯後正反饋比較器，通過控制光耦器的導通或截止，進一步控制PWM恆流控制模塊； 陰極保護負載模塊，其一端連接陽極，一端連接脈寬調製單端變換器，兩端之間設有串聯連接的整流二極體、高頻濾波器和三端穩壓塊。
專利摘要本實用新型專利涉及外加電流陰極保護技術及其試驗研究領域的一種恆電流速率間歇陰極保護和加速腐蝕系統。本實用新型具有多路恆流輸出的間歇陰極保護和加速腐蝕功能，所述加速腐蝕系統和陰極保護系統設有共用的PWM恆流控制模塊和脈寬調製單端變換器。本實用新型專利能以恆定電流間歇式進行陰極保護，降低了陰極保護成本，同時又具有恆電流速率進行加速腐蝕的功能，可準確預測鋼筋鏽蝕狀態。其恆流可調的特點滿足不同鋼筋數量的RC結構外加電流陰極保護和和加速腐蝕試驗中的技術需求，兩種功能具有共用的系統模塊，節省了成本。
文檔編號C23F13/02GK202717849SQ201220316360
公開日2013年2月6日 申請日期2012年7月2日 優先權日2012年7月2日
發明者胡若鄰, 蕭澎偉, 劉鐵根, 李國豹, 蘇林王, 劉詩淨, 馮曉莉, 檀會春 申請人:中交四航工程研究院有限公司, 廣州港灣工程質量檢測有限公司, 中國港灣工程有限責任公司, 廣州四航巖土技術工程有限公司, 廣州四航材料科技有限公司