基於微電極陣列的多通道電偶腐蝕測試系統的製作方法

2023-05-07 16:10:51

專利名稱：基於微電極陣列的多通道電偶腐蝕測試系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量及其自動化領域，尤其是一種用於局部腐蝕研究的多通道電偶腐蝕測試方法及測試系統。
背景技術：
微電極陣列又稱絲束電極，由多個微小的金屬或合金電極絲(微電極)按照一定的排列方式組合而成的電化學傳感器。各個微電極既可以互相耦合起來作為一個整體的大面積金屬電極使用，用於獲取電極/溶液界面上與腐蝕相關的電化學平均信息，又能作為獨立的微小探頭分別測試各微小區域的電化學參數，獲取電極/溶液界面上的電化學分布信息。由於微電極陣列技術在測試時不像其他的微區電化學測試技術(例如:掃描電化學顯微鏡技術，SECM ;掃描振動電極技術，SVP ;局部電化學阻抗譜技術，LEIS)那樣對電極表面的平整度要求嚴格，因此，它特別適合用於獲取具有複雜表面狀態的腐蝕金屬電極的電化學分布特徵，例如，表面施加塗層、形成腐蝕產物或垢層、附著微生物膜的金屬電極等。金屬或合金的局部腐蝕主要表現為電極/溶液界面上各部分的腐蝕程度存在明顯差異，局部區域上的金屬陽極溶解速度明顯地大於其餘表面區域的金屬陽極溶解速度，即，該局部區域產生了陽極電流，且電流的大小遠遠超過其他區域，造成該局部區域極大的腐蝕速率。這主要是由於電極材料固有的不均一性以及腐蝕環境的不均一性使得電極表面不同區域的電位有高低差別，於是形成了腐蝕電偶，電位比較高的表面區域構成腐蝕電偶的陰極，電位比較低的表面區域構成腐蝕電偶的陽極。因此，可以通過微電極陣列測試技術來模擬和測量一個大面積金屬電極表面各個微小區域的電偶腐蝕電流和電位來獲取其電偶腐蝕的電化學分布信息。然而，測試技術及測試儀器的發展相對滯後卻成為微電極陣列技術廣應用的一個瓶頸，有文獻稱曾組建了陣列電極測試裝置，但是設備的關鍵部分——自動開關卻是自行訂製的，在商業上無法普及；還有文獻稱組建的絲束電極測試系統無法進行自動測試，因此使用很不方便。近來，有文獻稱採用美國NI公司的模塊化儀器搭建了一套陣列電極電化學分布測試儀，並採用LabVIEW 8.5軟體編寫了測控程序，在材料的腐蝕不均一性研究上取得了較大進展；然而，由於受硬體配置和數字萬用表接線上的限制，陣列電極的電位掃描和電流掃描需分開進行測試，且測試的時間較長，導致測量得到的電位數據和電流數據的同步性不高，給電偶腐蝕數據的解析和研究帶來一定困難，而且其測試過程的自動化程度也有待提聞。

實用新型內容為了解決上述問題，本實用新型的目的在於提供一種基於所述微電極陣列技術的多通道電偶腐蝕測試方法及測試系統。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的:—種基於微電極陣列的多通道電偶腐蝕測試系統，其特徵在於:[0008]所述測試系統包括:模塊化硬體測試系統和可視化軟體測試系統；所述模塊化硬體測試系統由機箱、嵌入式控制器、外設模塊、儀器模塊四部分組成，所述硬體測試系統為獨立主控式硬體測試系統或遠程控制式硬體測試系統，所述獨立主控式硬體測試系統的機箱為集成了所述嵌入式控制器及外設模塊的PXI機箱，所述遠程控制式硬體測試系統的機箱為具有集成MX1-Express控制模塊並由臺式計算機或者可攜式計算機遠程控制的PXI機箱；所述獨立主控式硬體測試系統的控制方式由運行作業系統的所述嵌入式控制器來獨立控制，所述遠程控制式硬體測試系統的控制方式由運行作業系統的所述臺式計算機或者可攜式計算機通過所述MX1-Express控制模塊來遠程控制；所述儀器模塊包括採用PXI總線的高速矩陣轉換開關、第一數字萬用表、第二數字萬用表和微弱電流放大器；所述高速矩陣轉換開關為按一線M行XN列矩陣配置的高速FET矩陣開關，其行通道RO至RM的數量(M+1)≥4，列通道CO至CN的數量(N+1)≥微電極的數量n，並且列通道CO至C(n-l)各自連接微電極陣列中的一個微電極；所述第一數字萬用表和第二數字萬用表分別用來測量微電極陣列中每個微電極的電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位；將所述高速矩陣轉換開關進行電偶電流測量的兩個行通道連接到所述微弱電流放大器的兩個電流輸入測量端，而將所述微弱電流放大器的兩個電壓輸出端接到所述第一數字萬用表的兩個電壓輸入測量端，即，將電流測量轉換為電壓測量；將所述高速矩陣轉換開關進行電偶電位測量的另外兩個行通道連接到第二數字萬用表的兩個電壓輸入測量端，其中，電壓輸入的低電位測量端連接一個參比電極，微電極陣列和參比電極都放置在腐蝕電解池的電解質溶液中；所述可視化軟體測試系統用虛擬儀器軟體LabVIEW編寫。本實用新型還涉及一種使用上述基於微電極陣列的多通道電偶腐蝕測試系統進行的基於微電極陣列的多通道電偶腐蝕測試方法，所述測試方法的測試流程為:1)根據用戶的測試需求對高速矩陣轉換開關、第一數字萬用表、第二數字萬用表和微弱電流放大器進行初始化設置，然後將高速矩陣轉換開關的列通道CO至c(n-l)逐一連接到其進行電偶電流測量的第一行通道上，實現所有微電極的耦合；2)耦合了經用戶指定的時間後，對列通道CO至C(n-l)逐一執行以下五個步驟操作:①通過高速矩陣轉換開關將列通道Ci (i=0至n-1)從第一行通道上斷開並連接到另一個進行電偶電流測量的第二行通道上；②通過第一數字萬用表和微弱電流放大器測量第一和第二行通道之間流過的電流，即為該通道所連接微電極的電偶腐蝕電流通過高速矩陣轉換開關將列通道Ci從第二行通道上斷開並連接到另一個進行電偶電位測量的第三行通道上通過第二數字萬用表測量第三行通道和連接參比電極的第四行通道之間的電位差，即為該通道所連接微電極的電偶腐蝕電位通過高速矩陣轉換開關將列通道Ci從第三行通道上斷開並連接到第一行通道上，使得所有的微電極重新耦合在一起；3)按照流程2)所述步驟，測量完微電極陣列中所有微電極的電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位後，繪製出微電極陣列的電偶電流和電偶電位的平面分布及按列平均的統計數據，並按測試時間自動保存該次測量數據；4)高速矩陣轉換開關斷開所有的行通道和列通道，釋放模塊化硬體測試系統中所有的硬體資源，關閉所有打開的數據文件，退出可視化軟體測試系統，結束測試。優選地，根據用戶的需求，可多次重複流程2)和3)中所述測量操作，獲得並顯示出微電極陣列電偶腐蝕行為的時空演化規律。本實用新型的優點與積極效果為:[0012]對每一個微電極的電流測量和電位測量以及對不同微電極的測量進行高速切換的測試方法，不僅同一個微電極的電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位數據具有很高的同步性，而且不同微電極之間的電偶腐蝕電流和電位數據的同步性也大為提高，可以準確地獲取電偶腐蝕過程的信息及其動態變化。硬體測試系統由採用PXI總線技術的模塊化儀器組成，易於搭建，並且可以支持靈活的重新配置，集成度、可靠性高。基於圖形化開發環境LabVIEW編寫的軟體系統，可以根據需求配置硬體系統功能，自定義後臺的測試邏輯，以及前臺的人機互動界面。

圖1為基於微電極陣列技術的多通道電偶腐蝕測試系統硬體接線示意圖:其中:1-高速矩陣轉換開關，2-用來測量電偶腐蝕電流的第一數字萬用表，3-用來測量電偶腐蝕電位的第二數字萬用表，4-微弱電流放大器，5-微電極陣列，6-參比電極，7-腐蝕電解池，8-電解質溶液。圖2為微電極陣列單個通道的測試過程示意圖。
具體實施方式
I)獨立主控式多通道電偶腐蝕測試系統本測試系統在不喪失測試精度的前提下，採用對微電極陣列中每一個微電極的電流測量和電位測量以及對所有待測微電極的測量進行高速切換的測試方法，可以獲得同一個微電極的電流測量和電位測量之間以及不同微電極的電流測量和電位測量之間同步性很高的電偶腐蝕數據，即，微電極陣列不同微區的電化學分布信息。硬體測試系統包括:機箱NI PX1-1042Q、嵌入式控制器NI PX1-8108、可攜式顯示器和鍵盤附件NI PMA-1115、高速矩陣轉換開關NI PX1-2535、2塊數字萬用表NI PX1-4071和微弱電流放大器NI PX1-4022。NI PX1-1042Q是一個可集成NI PXI_8108、NI PMA-1115的機箱，可大大縮小硬體測試系統的體積，同時又保持了系統的高性能。NI PX1-8108可作為系統的獨立主控，不僅控制NI PX1-1042Q中的所有儀器模塊，同時通過與NI PMA-1115中顯示器和鍵盤等外設的連接提供人機互動界面，其上運行的軟體測試系統與NI PX1-1042Q中的各儀器模塊交互，定義測試系統的實際功能。在儀器模塊中，NI PX1-2535採用4 x 136 (I線)矩陣配置，具有4個行通道(R0 R3)、136個列通道(CO C135)以及高達50000個交叉點/秒的切換速度，並且其列通道還可通過增加級聯模塊數量的方式拓展，在NI PX1-8108的控制下實現所選擇的微電極與NI PX1-4071或NI PX1-4022測試端之間的連接與斷開。2塊NI PX1-4071分別用來測量電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位，可滿足絕大部分電偶腐蝕測試要求，其中電位測量的精度為七位半，測量範圍為10 nV 1000 V，輸入阻抗大於101° Q ;電流測量的精度為六位半，測量範圍為I PA 3 A。NI PX1-4022是一個高速、高精度的防護裝置和微弱電流放大器，其靈敏度為I PA (100 nA量程)，可連接NI PX1-4071測量噪音為fA級的pA級電流信號。NI PX1-2535的列通道CO C(n-1) (n為微電極的數量)分別連接微電極陣列中的每一個微電極。電偶電流測量時，將NI PX1-2535的兩個行通道(例如R2和R3)接到NI PX1-4022的兩個電流輸入測量端，而將NI PX1-4022的兩個電壓輸出端接到I塊NI PX1-4071的兩個電壓輸入測量端，將電流測量轉換為電壓測量；電偶電位測量時，將NIPX1-2535的另外兩個行通道(例如RO和Rl)接到另I塊數字萬用表NI PX1-4071的兩個電壓輸入測量端上進行測量，其中，電壓輸入的低電位測量端(例如Rl)須連接一個參比電極。軟體測試流程如下:1)根據用戶的測試需求對NI PXI_2535、2塊NI PXI_4071、NIPX1-4022進行初始化設置，然後將NI PX1-2535的所有列通道CO C (n-1)逐一連接到其行通道R3，實現所有微電極的耦合。2)耦合了經用戶指定的時間後，對列通道CO C(n-1)逐一執行以下5步操作:①通過NI PX1-2535將列通道Ci (i = 0 n-1)從行通道R3上斷開並連接到行通道R2上；②通過NI PX1-4071和NI PX1-4022測量行通道R2和R3之間流過的電流，即為該通道所連接微電極的電偶腐蝕電流；③通過NI PX1-2535將列通道Ci從行通道R2上斷開並連接到行通道RO上通過第2塊NI PX1-4071測量行通道RO和Rl之間的電位差，即為該通道所連接微電極的電偶腐蝕電位；⑤通過NI PX1-2535將列通道Ci從行通道RO上斷開並連接到行通道R3上，使得所有的電極絲重新耦合在一起。3)按照流程2)所述步驟，測量完微電極陣列中所有微電極的電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位後，繪製出微電極陣列的電偶電流和電偶電位的平面分布及按列平均的統計數據，並按測試時間自動保存該次測量數據。4)根據用戶的需求，可多次重複流程2)和3)中所述測量操作，獲得微電極陣列電偶腐蝕行為的時空演化規律。5) NI PX1-2535斷開所有的行通道和列通道，釋放硬體測試系統中所有的硬體資源，關閉所有打開的數據文件，退出軟體測試系統，結束測試。獨立主控式測試系統提供高性能、緊湊、長效性的嵌入式解決方案，結構堅固，集成度和可靠性高，使用壽命長，特別適於惡劣工作現場連續使用。2)遠程控制式多通道電偶腐蝕測試系統:在不喪失測試精度的前提下，採用對微電極陣列中每一個微電極的電流測量和電位測量以及對所有待測微電極的測量進行高速切換的測試方法，可以獲得同一個微電極的電流測量和電位測量之間以及不同微電極的電流測量和電位測量之間同步性很高的電偶腐蝕數據，即，微電極陣列不同微區的電化學分布信息。硬體測試系統包括:機箱NI PX1-1033、可攜式計算機、快速卡NIPX1-ExpressCard 8360及電纜、高速矩陣轉換開關NI PX1-2532B、數字萬用表NI PX1-4062和NI PX1-4071、微弱電流放大器NI PX1-4022。NI PX1-1033機箱包括一個集成MX1-Express控制模塊，可攜式計算機可通過NIPX1-ExpressCard 8360和MX1-Express連接並遠程控制與獨立主控式測試系統相同的PXI儀器模塊。NI PX1-2532B、NI PX1-4062、NI PX1-4071、NI PX1-4022 等儀器模塊的作用和測試端連接方式與獨立主控式測量系統一致，其中NI PX1-2532B可按4 X 128,8 X 64，以及16 X 32 (I線)或4 X 64、8 X 32和16 X 16 (2線)矩陣配置，切換速度為2000個交叉點/秒，在本實用新型中採用4 X 128(1線)配置，具有4個行通道(R0 R3)、128個列通道(CO C127)，其列通道也可通過增加級聯模塊數量的方式拓展，在可攜式計算機的遠程控制下實現所選擇的微電極與NI PX1-4062或NI PX1-4022測試端之間的連接與斷開。NI PX1-4062用於精度要求不高的電位測量，而NI PX1-4071配合NI PX1-4022用於精度要求較高的電流測量。軟體測試流程與獨立主控式測試系統的測試過程一致，在此不再贅述。遠程控制式測試系統結構輕便小巧，便於移動和攜帶，處理能力強，是移動型應用的理想選擇，例如實驗室和車載測試等。
權利要求1.一種基於微電極陣列的多通道電偶腐蝕測試系統，其特徵在於:所述測試系統包括:模塊化硬體測試系統和可視化軟體測試系統；所述模塊化硬體測試系統由機箱、嵌入式控制器、外設模塊、儀器模塊四部分組成，所述硬體測試系統為獨立主控式硬體測試系統或遠程控制式硬體測試系統，所述獨立主控式硬體測試系統的機箱為集成了所述嵌入式控制器及外設模塊的PXI機箱，所述遠程控制式硬體測試系統的機箱為具有集成MX1-Express控制模塊並由臺式計算機或者可攜式計算機遠程控制的PXI機箱；所述獨立主控式硬體測試系統的控制方式由運行作業系統的所述嵌入式控制器來獨立控制，所述遠程控制式硬體測試系統的控制方式由運行作業系統的所述臺式計算機或者可攜式計算機通過所述MX1-Express控制模塊來遠程控制；所述儀器模塊包括採用PXI總線的高速矩陣轉換開關(I)、第一數字萬用表(2)、第二數字萬用表(3)和微弱電流放大器(4);所述高速矩陣轉換開關(I)為按一線M行XN列矩陣配置的高速FET矩陣開關，其行通道R(TRM的數量(M+1)≥4，列通道OTCN的數量(N+1)≥微電極的數量n，並且列通道OTC(n-l)各自連接微電極陣列(5)中的一個微電極；所述第一數字萬用表(2)和第二數字萬用表(3)分別用來測量微電極陣列(5)中每個微電極的電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位；將所述高速矩陣轉換開關(I)進行電偶電流測量的兩個行通道連接到所述微弱電流放大器(4)的兩個電流輸入測量端，而將所述微弱電流放大器(4)的兩個電壓輸出端接到所述第一數字萬用表(2)的兩個電壓輸入測量端，即，將電流測量轉換為電壓測量；將所述高速矩陣轉換開關(I)進行電偶電位測量的另外兩個行通道連接到第二數字萬用表(3)的兩個電壓輸入測量端，其中，電壓輸入的低 電位測量端連接一個參比電極(6)，微電極陣列(5)和參比電極(6)都放置在腐蝕電解池(7)的電解質溶液(8)中；所述可視化軟體測試系統用虛擬儀器軟體LabVIEW 編寫。
專利摘要本實用新型屬於測量及自動化領域，是一種多通道電偶腐蝕的測試方法及測試系統。對微電極陣列中每一個微電極的電流測量和電位測量以及對所有待測微電極的測量進行高速切換的測試方法，不僅使每一個微電極的電偶腐蝕電流和電偶腐蝕電位數據具有很高的同步性，而且不同微電極之間的電偶腐蝕電流和電位數據的同步性也大為提高，可以準確地獲取電偶腐蝕過程的信息及其動態變化。硬體測試系統由採用PXI總線技術的模塊化儀器組成，易於搭建，並且可以支持靈活的重新配置，集成度、可靠性高。基於圖形化開發環境LabVIEW編寫的軟體系統，可以根據需求配置硬體系統功能，自定義後臺的測試邏輯，以及前臺的人機互動界面。
文檔編號G01N27/416GK202947990SQ20122062272
公開日2013年5月22日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者李焰, 劉玉, 張大磊 申請人:中國石油大學(華東)