混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置的製作方法
2023-05-08 02:41:51
專利名稱：混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於測試和分析材料耐腐蝕性能和腐蝕速度的測量儀器，尤其是一種通過測量腐蝕體系的極化電阻、塔菲爾斜率等參數來實現混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置。
背景技術：
在鋼筋混凝土結構中，鋼筋是主要的受力材料。一般情況下，鋼筋在混凝土的高鹼性環境中呈鈍態，不受腐蝕。但隨著建築物質老化和環境汙染加重等因素導致鋼筋鏽蝕，將會影響結構的承載能力，嚴重時甚至導致結構破壞，而鋼筋的腐蝕檢測/監測可以為鋼筋混凝土結構的剩餘載荷和結構的耐久性提供基礎數據。因此，鋼筋混凝土的腐蝕檢測/監測有著重大的社會意義和經濟效益。
有關混凝土中鋼筋的腐蝕檢測/監測方法較多，其中肉眼觀察法和取樣法是常用的傳統方法，但存在著很大的局限性。表現在(1)依賴肉眼外觀檢查與物理化學測試相結合，這樣發現問題時往往為時已晚；(2)取樣抽查方法因取樣數量有限，不能反映整個混凝土結構腐蝕狀況，而且對混凝土結構有不同程度的損壞。由於混凝土中鋼筋的腐蝕是電化學過程，因此，能夠對混凝土中鋼筋的腐蝕進行無損測量的電化學腐蝕監測方法得到很大的重視和發展。
電化學方法中既簡單、經濟、易行又研究和應用得最早、最廣泛的是鋼筋半電池電位。其應用與解釋在ASTM C876-91「混凝土中鋼筋的原電池電位方法」中有詳細描述。但半電池電位法只能判斷鋼筋的腐蝕狀態，而不能得到鋼筋的腐蝕速度。
為了獲得鋼筋的腐蝕速度，Dawson等提出了電化學阻抗譜方法測量混凝土中鋼筋的腐蝕行為。一般情況下，電化學阻抗譜測量所需要的時間較長，又為了便於實施現場測量，人們還發展了兩頻率法的電化學阻抗測量技術。可採用的儀器複雜而昂貴，不便於實施大面積、現場的鋼筋混凝土腐蝕監測。
中國專利CN 1471623A公開了一種用於實施鋼強化結構用的可嵌入的腐蝕監視器，其特徵包括了採用線性極化方法測量鋼筋的極化電阻。若用這種方法測量金屬的腐蝕速度，仍然需要估算腐蝕反應Stern係數B，然後根據公式Icorr＝B/Rp求得腐蝕電流密度Icorr。但就B值而言，鋼筋處於不同的腐蝕狀態下其數值變化很大，一般來說，這樣求得的腐蝕電流密度常常存在很大的誤差。並且這種技術在混凝土電阻率較高時腐蝕測量，並不能有效消除混凝土介質歐姆降的影響。
發明目的本發明的目的在於克服現有技術中存在的缺點，提供一種可同時監測多點數據、測取數據快捷的混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置，採用電荷脈衝極化方法測量混凝土中鋼筋的腐蝕參數，通過定期監測這些參數的變化來監測鋼筋的腐蝕變化，鋼筋腐蝕參數測量方法是斷電的測量方法，克服了線性極化測量技術容易受腐蝕介質高電阻率影響的缺點，並能夠有效消除擴散過程對腐蝕測量的影響。
為了實現上述發明目的，本發明整機包括電荷脈衝極化模塊、監測探頭、傳感器、數據機、腐蝕監測軟體、GSM通訊模塊、CPU控制模塊和電源模塊；上位機包括腐蝕監測軟體；電源模塊、電荷脈衝極化模塊、CPU控制模塊構成下位機。監測探頭和傳感器經導線與下位機的電解池電纜插座連接，下位機的數據輸出端連接數據通訊埠，數據通訊可選擇有線通訊或無線通訊模式；有線通訊模式採用RS232/RS485，下位機經RS-485接口、數據總線、RS-485/RS232轉換接口與PC機的RS-232串行接口相連；無線通訊模式採用GSM移動公共網絡，下位機經數據通訊埠經GSM通訊模塊與上位機的數據機進行數據通訊，最終傳輸數據到上位機。其中所述的監測探頭和傳感器以及下位機為一組或一組以上，最多可取15組。
監測探頭和傳感器經導線與下位機的探頭插座連接。探頭插座再經過導線聯接到電荷極化模塊的電解池插座。電荷脈衝極化模塊測試電路的放大器A1和A2的輸出端分別聯接標準電容器C1～C4的兩端，開關K1～K4在導通時，電容器C1～C4充電；斷開時電容器C1～C4給電解池放電。電解池插座的RE端聯接運算放大器A3的正輸入端，放大器A3輸出端與放大器A4反向輸入端相連，放大器A4輸出端經電阻器R13與放大器A6的負輸入端聯接。放大器A6的輸出端經開關K6聯接到模擬信號輸出插座。模擬信號輸出插座的三個插腳通過導線聯接CPU控制模塊的信號輸入埠，最終由CPU控制模塊內部的12bit模/數轉換器將模擬信號轉換成數位訊號，輸出到上位機。
本發明涉及的現場腐蝕監測裝置下位機的CPU控制模塊包括主控單元、程序存儲器、數據存儲器、串口轉換電路、數據通訊埠、信號採集埠、開關量輸入/輸出(I/O)埠、模/數轉換、數/模轉換、並口擴展、日曆時鐘、E2PROM、看門狗電路構成，其中主控單元是一個低電壓單片機，片內含8k bytes的可反覆擦寫的只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數據存儲器，兼容標準MCS-51指令系統。看門狗電路是為了防止單片機程序執行過程中受到幹擾陷入死循環。採用日曆時鐘晶片實現定時採集數據的功能。採用EEPROM為了存儲一些重要的數據，並在斷電時不丟失數據。
下位機的電荷脈衝極化模塊包括電解池插座、模擬信號輸出插座、D/A輸入埠、極化電壓放大電路、電荷儲存電路、腐蝕電位採樣保持電路、信號調理電路。電荷脈衝極化模塊之工作原理是採用電容器C1～C4是貯存電荷的標準電容，在電荷脈衝極化開始之前通過K1～K4的控制來給每個標準電容都進行充電。極化電壓的大小和標準電容的選擇分為手動和自動兩種模式。手動模式由上位機輸入。上位機通過控制D/A輸入埠的極化電壓大小來調節標準電容上貯存電荷的數量，即上位機來控制極化電荷的多少。自動模式由監測軟體控制電荷脈衝極化模塊進行逐次試測，對最大過電位、有效數據的多少、電位衰減曲線末端的變化進行分析計算，來決定最佳的極化電荷和採樣時間間隔等測試參數。電荷脈衝極化模塊上有四個貯存電荷的標準電容，其標稱值依次相差十倍，形成從低到高四種電荷極化範圍。在測量開始的瞬間標準電容斷電並向電解池放電，迅速地將貯存的已知數量的電荷極化監測探頭，緊接著CPU控制模塊記錄其極化電位隨時間的變化。
本發明的電路設計中，極化電壓放大電路利用放大器A1和A2提高極化充電的瞬時電壓，縮短充電過程中極化電荷的轉移時間，減少溶液歐姆降的影響。腐蝕電位採樣保持電路選用高輸入阻抗和低失調偏置電流的運放以及低漏電電流的標準電容C5，繼電器K5斷開後，可保持其輸出電壓的變化＜0.3mV/100sec。利用腐蝕電位採樣保持電路，可以方便地實現腐蝕電位自動跟蹤和消除，避免利用D/A補償除去腐蝕電位帶來的數字電路和模擬電路之間的幹擾問題，可大大簡化了測試電路的設計。
本發明的腐蝕監測裝置面板包括探頭插座、直流/交流選擇開關、復位按鈕、串行接口、保險管安裝埠、電源插座。其中直流/交流選擇開關控制監測裝置的供電方式，交流電採用市電，直流電由6V蓄電池提供，蓄電池的正負極分別聯接電源模塊的輸入端，由電源模塊將直流電壓增高至18V，然後輸出至電荷脈衝極化模塊的D/A輸入埠。探頭插座連接監測探頭和傳感器，監測探頭通過三芯電纜，分別連接電解池插座的研究電極WE、參比電極RE和輔助電極CE；傳感器包括pH電極、氯離子傳感器。在任何情況下需中斷測試或中斷運行或出現異常，均可按復位按鈕後重新開始。
現場腐蝕監測硬體單元包括埋設在混凝土中的監測探頭、傳感器、監測裝置下位機以及GSM通訊模塊。腐蝕監測裝置的測量過程包括極化和不極化過程。極化過程是採用電荷脈衝極化方法，由主控單元調節和依次控制每個監測探頭進行測量並採集數據。CPU晶片承擔了電荷脈衝極化測量所有必需的計算，由程序存儲器中的嵌入軟體計算出腐蝕速率、Tafel斜率以及極化電阻Rp和界面電容Cd。不極化過程主要是測量鋼筋的開路電位、混凝土pH值和混凝土中氯離子含量。開路電位通過研究電極和參比電極之間的電位差獲得；氯離子傳感器包括一個連接到Ag/AgCl電極和MnO2電極的運算放大器。
測量的數據可以存儲在數據存儲器，或通過串口轉換電路，經GSM通訊模塊直接傳送給上位機。
現場腐蝕監測裝置下位機與控制室中的上位機的遠程的無線網絡通訊通過GSM通訊模塊傳輸。上位機通過數據機實現測試參數的下傳，來控制監測裝置的下位機。
本發明所提供的金屬腐蝕監測方法是斷電測量，它克服了線性極化測量技術容易受混凝土高電阻率影響的缺點，並能夠有效消除擴散過程對腐蝕測量的影響。本發明操作簡單，遠程監控功能可自動採集多點數據，降低了監測數據採集人員的勞動強度，大大提高工作效率。同時，本發明具有重量輕、體積小、省電等優點，可以採用多種供電方式，現場安裝使用的適應性好。本發明能夠應用於跨海大橋、港工碼頭、高層建築、大壩、洩洪道、高塔等領域重要或重大的鋼筋混凝土構築物。另外，也可廣泛用於石油、化工、土壤等領域中金屬的腐蝕監測。
圖1為本發明整機組成的原理框圖。
圖2為本發明的電荷脈衝極化模塊測試電路原理示意圖。
圖3為本發明的CPU控制模塊結構框圖。
圖4為本發明裝置的面板結構示意圖。
具體實施例方式本發明的實施時，其整機結構包括電荷脈衝極化模塊1、腐蝕監測裝置2、監測探頭3、傳感器4、數據機5、上位機6、腐蝕監測軟體7、GSM通訊模塊8、CPU控制模塊9、電源模塊10、下位機11、電解池插座12、模擬信號輸出插座13、D/A輸入埠14、極化電壓放大電路15、電荷儲存電路16、腐蝕電位採樣保持電路17、信號調理電路18、主控單元19、程序存儲器20、數據存儲器21、串口轉換電路22、數據通訊埠23、信號採集埠24、開關量輸入/輸出(I/O)埠25、模/數轉換26、數/模轉換27、並口擴展28、日曆時鐘29、E2PROM30、看門狗電路31、CPU控制模塊32、探頭插座33、直流/交流選擇開關34、復位按鈕35、串行接口36、保險管安裝埠37、電源插座38和腐蝕監測裝置面板39。
本發明涉及的腐蝕監測裝置2由下位機11、上位機6、腐蝕監測軟體7和GSM通訊模塊8以及被安裝在現場的監測探頭3、傳感器4、數據機5組成。其中下位機11包括CPU控制模塊9、電荷脈衝極化模塊1、電源模塊10。監測探頭3和傳感器4經導線與下位機11的電解池電纜插座連接。下位機11的數據輸出端連接數據通訊埠，數據通訊選擇無線通訊模式。
本發明的電荷脈衝極化模塊1包括電解池插座12、模擬信號輸出插座13、D/A輸入埠14、極化電壓放大電路15、電荷儲存電路16、腐蝕電位採樣保持電路17、信號調理電路18。上位機6來控制極化電荷的多少，採用自動模式由監測軟體控制電荷脈衝極化模塊1進行逐次試測，對最大過電位、有效數據的多少、電位衰減曲線末端的變化進行分析計算，來決定最佳的極化電荷和採樣時間間隔等測試參數。在測量開始的瞬間標準電容斷電並向電解池放電，迅速地將貯存的已知數量的電荷極化監測探頭3，緊接著CPU控制模塊9記錄其極化電位隨時間的變化。
本發明的CPU控制模塊32包括主控單元19、程序存儲器20、數據存儲器21、串口轉換電路22、數據通訊埠23、信號採集埠24、開關量輸入/輸出(I/O)埠25、模/數轉換26、數/模轉換27、並口擴展28、日曆時鐘29、E2PROM 30、看門狗電路31構成。其中各部分的功能如下主控單元19是一個低電壓AT89C52單片機，片內含8k bytes的可反覆擦寫的只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，兼容標準MCS-51指令系統。CPU I/O口分配的方式是P0為數據/地址復用總線；P2為地址總線；P1.0為餵狗信號；P1.1為摘掛機控制；P1.2為8880時序控制端；P1.6和P1.7為I2C控制；INT0為A/D轉換結束信號；INT1為時鐘中斷信號。由於CPU I/O口有限，本系統利用並口擴展PCF8574擴展I/O口，控制採集板繼電器動作。
看門狗電路31是為了防止單片機程序執行過程中受到幹擾陷入死循環。利用看門狗電路MAX1232實現監控。當系統軟體崩潰後，MAX1232就在RST引腳產生一個復位的高脈衝，從而使系統軟體進行恢復。
日曆時鐘晶片29採用PCF8563來完善系統功能，不僅為用戶提供方便的日期與時間功能，而且可以實現定時採集數據的功能。
採用EEPROM 30為了存儲一些重要的數據，並在斷電時不丟失數據。24系列串行EEPROM採用了符合I2C總線協議的PCF8574晶片，佔用I/O口線少，體積小，容量大，工作電壓範圍寬。
I/O及中斷擴展28採用晶片PCF8574，它是CMOS電路，通過兩條雙向總線(I2C)可使大多數MCU實現遠程I/O口擴展。該器件包含一個8位準雙向口和一個I2C總線接口。PCF8574電流消耗很低，且輸出鎖存具有大電流驅動能力，可直接驅動繼電器。
數/模轉換27採用12bit DAC7512。而信號通過放大和調理後由模/數轉換26通過AD574採樣轉換成數字量送入單片機，由單片機進行處理。
本發明的腐蝕監測裝置面板39包括探頭插座33、直流/交流選擇開關34、復位按鈕35、串行接口36、保險管安裝埠37、電源插座38。通過直流/交流選擇開關34控制監測裝置的供電方式採用市電。探頭插座33連接監測探頭和傳感器，監測探頭3通過三芯電纜，分別連接電解池插座12的研究電極WE、參比電極RE和輔助電極CE；傳感器4採用一個Ag/AgCl電極與MnO2電極參比電極形成電池。
測量的數據通過串口轉換電路22，經GSM/TC35T通訊模塊8直接傳送給上位機6。
整個測量過程可分為三個步驟，即參數設置、採樣和數據處理。參數設置包括探頭號SA、電極面積AR、極化方式、測量間隔。SA的可選值為00、01、…、14、15；AR的單位為cm2；極化方式為陰極化或陽極化；測量間隔的可選時間間隔單位為分鐘、小時和天。參數設置完成後，上位機將參數設置傳遞給下位機，裝置開始測量混凝土鋼筋的開路電位，當開路電位趨於穩定後，按回車鍵儀器即開始對被測體系進行電荷脈衝極化，同時記錄研究電極電位隨時間的變化。採樣過程結束後，下位機11經數據通訊埠經GSM/TC35T通訊模塊8與上位機7的數據機5進行數據通訊，將數據傳輸到上位機7。如果打算採用複雜的等效電路模型處理數據，則通過遠程通訊控制下位機11上傳過電位—時間原始數據，通過上位機6中腐蝕監測軟體7的數據擬合功能進行曲線擬合。擬合計算結束後，得到的各種電化學參數顯示在上位機6顯示器上。
根據本發明裝置的上述設置，對模擬等效電路進行了測量，其極化過電位衰減曲線及其擬合曲線顯示符合發明的設計。測試的數據與理論擬合曲線有非常好的一致性。除了「零」採樣點以外，溶液電阻不對極化幅度、過電位衰減曲線和擬合結果產生影響。因此，本發明能夠消除研究電極和參比電極之間溶液電阻的影響。對於其中的模擬等效電路，電阻的標稱值分別為670Ω、2000Ω和4630Ω，電容的標稱值分別為100μF、47μF和4.7μF，考慮到一般電容器的實際值與標稱值有一定的誤差，我們採用電化學阻抗譜(EIS)方法對模擬電路進行校正，通過電荷脈衝極化與EIS的結果對比，兩者之間電阻、電容測試的差別在5％以內，表明該測量裝置具有良好的測試精度和可靠性。
本發明對鋼筋混凝土實際腐蝕體系進行了監測。監測地點為五聯跨鋼管砼中承式肋拱橋的橫梁部位的吊杆鋼絲，大橋全長324米，拱軸線為二次拋物線，其主拱結構由拱肋、橫向聯接系、吊杆組成。每個吊杆為84根φ5高強鍍鋅鋼絲，下端固定採用的是鐓頭錨的形式。採用本發明涉及的裝置對橫梁部位吊杆鋼絲的腐蝕進行監測，同時評估鋼筋阻鏽劑對鋼絲的緩蝕作用。現場監測的結果表明阻鏽劑對鋼絲的腐蝕有明顯的抑制效果；阻鏽劑定期添加可以增強緩蝕作用。阻鏽劑的緩蝕效果隨鋼絲原始腐蝕狀態的加重而降低。
權利要求
1.一種混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置，包括電荷脈衝極化模塊、監測探頭、傳感器、數據機、腐蝕監測軟體、GSM通訊模塊、CPU控制模塊和電源模塊，其特徵在於電源模塊、電荷脈衝極化模塊、CPU控制模塊構成下位機，上位機包括腐蝕監測軟體；監測探頭和傳感器經導線與下位機的電解池電纜插座連接，下位機的數據輸出端連接數據通訊埠，數據通訊選擇有線通訊或無線通訊模式；有線通訊模式採用RS232/RS485，下位機經RS-485接口、數據總線、RS-485/RS232轉換接口與PC機的RS-232串行接口相連；無線通訊模式採用GSM移動公共網絡，下位機經數據通訊埠經GSM通訊模塊與上位機的數據機進行數據通訊，最終傳輸數據到上位機；監測探頭和傳感器及下位機為1-15組。
2.根據權利要求1所述的混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置，其特徵在於電荷脈衝極化模塊測試電路的放大器(A1)和(A2)的輸出端分別聯接電容器(C1～C4)的兩端；電解池插座的RE端聯接運算放大器(A3)的正輸入端，放大器(A3)輸出端與放大器(A4)反向輸入端相連，放大器(A4)輸出端經電阻器(R13)與放大器(A6)的負輸入端聯接；放大器(A6)的輸出端經開關(K6)聯接到模擬信號輸出插座，模擬信號輸出插座的三個插腳通過導線聯接CPU控制模塊的信號輸入埠，最終由CPU控制模塊內部的轉換器將模擬信號轉換成數位訊號，輸出到上位機。
3.根據權利要求1所述的混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置，下位機的CPU控制模塊包括主控單元、程序存儲器、數據存儲器、串口轉換電路、數據通訊埠、信號採集埠、開關量輸入/輸出埠、模/數轉換、數/模轉換、並口擴展、日曆時鐘、看門狗電路構成，其特徵在於主控單元是一個低電壓單片機，片內含反覆擦寫的只讀程序存儲器和隨機存取數據存儲器，兼容標準指令系統。
4.根據權利要求1所述的混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置，其特徵在於上位機通過控制D/A輸入埠的極化電壓大小來調節標準電容上貯存電荷的數量，自動模式由監測軟體控制電荷脈衝極化模塊進行逐次試測，對最大過電位、有效數據的多少、電位衰減曲線末端的變化進行分析計算，決定極化電荷和採樣時間間隔參數；電荷脈衝極化模塊上有四個貯存電荷的電容，其標稱值形成從低到高四種電荷極化範圍。
5.根據權利要求1所述的混凝土中鋼筋腐蝕監測裝置，其特徵在於極化過程採用電荷脈衝極化，主控單元調節和依次控制每個監測探頭進行測量並採集數據；CPU晶片承擔電荷脈衝極化測量的計算，由程序存儲器中的嵌入軟體計算出腐蝕速率、Tafel斜率以及極化電阻和界面電容；不極化過程測量鋼筋的開路電位、混凝土pH值和混凝土中氯離子含量；開路電位通過研究電極和參比電極之間的電位差獲得；氯離子傳感器包括一個連接到Ag/AgCl電極和MnO2電極的運算放大器。
全文摘要
本發明涉及一種測試和分析材料耐腐蝕性能和腐蝕速度的儀器，尤其是一種通過測量腐蝕體系的極化電阻、塔菲爾斜率等參數實現混凝土中鋼筋腐蝕監測的裝置，包括電荷脈衝極化模塊、監測探頭、傳感器、數據機、腐蝕監測軟體、GSM通訊模塊、CPU控制模塊和電源模塊；其中電源模塊、電荷脈衝極化模塊、CPU控制模塊構成下位機，PC機和腐蝕監測軟體構成上位機；監測探頭和傳感器經導線與下位機的電解池電纜插座連接，下位機的數據輸出端連接數據通訊埠，數據通訊可選擇有線通訊或無線通訊模式；監測探頭和傳感器及下位機為1－15組，本發明結構原理簡單，使用操作方便，監測數據可靠，省電省力，廣泛用於海域、地下及建築物場合的鋼筋腐蝕監測。
文檔編號G01N33/00GK1900691SQ20061006970
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月23日 優先權日2006年7月23日
發明者趙永韜 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所