本发明属于深海环境中金属与有机涂层涂覆材料腐蚀电化学原位自动测试技术领域，涉及一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置及其测试方法。
背景技术：
随着科技进步和地球资源日益枯竭，人类一直在追求拓展深空、深海和深地活动空间。深海油气、矿产和生物资源的开发勘探、深海工程建设与深海装备的开发应用，已经成为我国发展海洋经济的重点内容。如今，我国自主设计、集成的载人潜水器“蛟龙”号已经深潜至7000米。海洋石油981号半潜式深水钻井平台，其作业深度达3050米，已进军南海，开始深海作业。然而，由于深海环境的特殊性，深海装备正面临着严重的腐蚀危害，并有可能成为开发深海资源、利用深海空间与建设深海工程系统的技术瓶颈，从而影响我国海洋经济和深海装备的顺利发展。因此研究解决深海环境中装备材料的腐蚀问题十分迫切，已经成为当今材料腐蚀学科中的研究热点。
与陆上装备和浅海装备相比，深海装备最大的不同是受到巨大的静压力作用。已有研究表明，深海静压力与深海腐蚀均可能使材料的力学性能发生严重衰减。有机涂层是深海环境中对海洋工程结构防护的最重要手段之一，深海压力会加速有机涂层的失效，导致海洋船舶、石油平台、深潜器等的早期损坏。因此,对于深海环境中金属的腐蚀行为和有机涂层失效机制的研究，已成为当前各国腐蚀科研人员极为关注的问题。当前深海材料腐蚀试验研究，主要采用室内模拟加速实验，并已取得了许多重要数据。然而，实海试验更接近材料的真实服役状态，其数据更有价值。由于深海电化学测试手段的缺乏，当前的实海测试大都采用失重挂片方法，无法实时显示或表征深海中材料的腐蚀动力学过程和老化状态，只能在实验结束后通过取样分析来判断腐蚀程度。而要实时反映材料的动态腐蚀失效行为，必须开展实海原位电化学研究，这将能有力地提升深海腐蚀研究水平。
技术实现要素：
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，寻求设计研制一种能在水深3000米以内深海海洋环境中长期、原位进行金属或有机涂层涂覆材料电化学数据采集的测试装置及其测试方法，集供电、电化学传感以及数据定频采集/存储功能于一体，能一次测量至少四个以上试样的电化学信息，通过腐蚀电位/电流、极化曲线与交流阻抗谱的测量解析相应反应热/动力学参数，结合海水环境因素的测量数据，明确深海环境材料腐蚀失效机理模型。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用油田测井用高压密封技术（＞30 MPa），将电源、精密模拟与数字电路、存储器以及电化学传感器等功能元件密封于钛合金耐压壳体内，形成黑匣子式的深海腐蚀电化学工作站，可在深达3000米海水中而进行电化学测试，实现腐蚀电位/电流、恒电位极化、循环伏安曲线以及交流阻抗等各类测量数据按照设定的频次进行采集和存储。一套装置可以装载多件金属或有机涂层涂覆试样，投放在100~3000米深的海水中，根据试验要求可在水下布放1~6个月的时间。
1、本发明提供一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置，采用紧凑型结构设计，所有芯片均采用高密度封装形式，其主体结构包括耐压壳体和顶盖，耐压壳体和顶盖组成封闭的测试空间，并在其内部空间中安装多通道测量电极体系、运放比例运算电路与滤波/补偿电路、模拟数字转换器、定时时钟、电源模块、单片机微控制器、存储器、数字模拟转换器和通道选择继电器，其中，
所述电源模块与单片机微控制器相连，为系统提供所需的工作电压；
所述多通道测量电极体系设于耐压壳体内，并由顶盖处伸出，其包括多个并联连接的腐蚀监测组件；
所述运放比例运算电路与滤波/补偿电路连接在多通道测量电极体系的后端，模拟数字转换器的前端，用于自适应选择量程，实现系统电化学测量过程中的量程切换；
所述模拟数字转换器与单片机微控制器互连，用于对信号进行采集，传入单片机微控器内进行计算、处理和存储；
所述定时时钟与单片机微控制器相连，为系统提供准确的时间进行强制复位，系统的相关参数与测量结果保存在存储器内，并经通讯接口与上位机相通讯；
所述数字模拟转换器连接至单片机微控器的输出端，用于生成多种激励信号对待测体系进行激励，根据激励信号的种类，进行电化学原位测试；
所述通道选择继电器连接在数字模拟转换器的后端，多通道测量电极体系的前端，用于对多通道测量电极体系以择一方式进行通断。
进一步的，所述腐蚀监测组件包括暴露在深海腐蚀环境中的电阻探针和三电极探头，三电极探头包括工作电极、参比电极和对电极，工作电极选用待测金属或有机涂层涂覆材料。
进一步的，所述三电极探头以及电阻探针敏感元件采用PEEK耐高温特种材料注射成型，形成一体化的腐蚀监测组件。
进一步的，所述腐蚀监测组件与顶盖间的密封圈采用氟塑料密封材料，防止液体渗入耐压壳体内部。
进一步的，所述电源模块包括电池组和电压转换器，电池组经电压转换器，为系统提供工作电压，或者直接由电池组为系统提供工作电压。
进一步的，所述存储器采用SD卡数据存储器。
进一步的，所述耐压壳体的尺寸根据测量系统的大小设计为圆筒形。
进一步的，所述耐压壳体材质选择为钛合金。
进一步的，所述耐压壳体与顶盖之间采用橡胶O型圈密丝螺旋密封连接。
进一步的，所述单片机微控制器采用STM32处理芯片。
进一步的，所述腐蚀监测组件数量至少为四组。
2、本发明还提供一种深海多通道腐蚀电化学原位测试方法，包括如下步骤：
1）利用油田测井用高压密封技术，将多通道测量电极体系、运放比例运算电路与滤波/补偿电路、模拟数字转换器、定时时钟、电源模块、单片机微控制器、存储器、数字模拟转换器和通道选择继电器密封于耐压壳体和顶盖所组成的测试空间内，组装制备成上述的一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置；
2）进行深海投放：将步骤1）所组装的装置固定在深海试验装置上长期搭载试验，或单独通过缆绳悬吊方式在不同深度进行实时电化学检测，使其中的多通道测量电极体系暴露在深海腐蚀环境中；
3）利用自身携带的电源模块为系统提供所需的工作电压，单片机微控制器控制数字模拟转换器生成激励信号，通过通道选择继电器选择多通道测量电极体系中的其一进行激励，根据激励信号的种类，将电化学原位测试装置分为以下几种工作模式：
a、当不输出激励信号时，测得工作电极相对于参比电极的电位，即为开路电位值；
b、当输出直流波激励信号时，则得到的是恒电位极化结果；
c、当输出正弦波激励信号时，则得到的是交流阻抗谱；
d、当输出三角波激励信号时，则得到的是循环伏安曲线；
运放比例运算电路与滤波/补偿电路确保电化学测量数据的高精度与低相位失调，根据被测体系的特性，自适应选择电流量程，获取最佳的测量结果；定时时钟作为系统可靠性的保障，定时对系统进行强制复位，在装置到位后，测量系统会按预设的时间和频率自动开始电化学测量，并通过内置程序循环变换测试通道，每个测量完成后，系统自动进入休眠模式，直到下次定时时刻到后开始新的测量；测量结果通过模拟数字转换器转换后，自动保存于存储器中；装置回收后，将存储器重的数据导出到计算机中，完成测试。
进一步的，所述电源模块包括电池组和集成开关管DC-DC转换器，电池组经前级集成开关管DC-DC转换器，为系统提供工作电压，并设计有反向保护和超压保护。
进一步的，步骤1）所组装的装置的投放深度为100~3000米，根据试验要求可在水下布放1~6个月的时间。
本发明的一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置及其测试方法，与现有技术相比，所产生的有益效果是，
本发明与现有技术相比，其结构简单紧凑；可扩展性高，可同时进行多种金属或有机涂层涂覆材料深海环境下的原位电化学测试；耐高压、体积小，布放与回收操作简单，可以与任何其他形式的深海装置结合或进行搭载；低功耗，独立电源，可按照设定频率进行长周期的数据采集和存储工作；借助于本项发明，可以深入有效地研究不同材料在深海条件下的腐蚀机理、腐蚀规律和腐蚀失效原因，为我国深海工程设施的设计、选材提供有力依据。
附图说明
图1为本发明的连接结构原理示意图。
图中，1、多通道测量电极体系，2、运放比例运算电路与滤波/补偿电路，3、模拟数字转换器，4、定时时钟，5、集成开关管DC-DC转换器，6、12 V锂离子电池组，7、耐压壳体，8、单片机微控制器，9、SD卡数据存储器，10、数字模拟转换器，11、通道选择继电器，12、顶盖。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置及其测试方法作以下详细地说明。
实施例:
如附图1所示，本发明的一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置，其主体结构主要包括耐压壳体7和顶盖12，耐压壳体7和顶盖12组成封闭的测试空间，并在其内部空间中安装多通道测量电极体系1、运放比例运算电路与滤波/补偿电路2、模拟数字转换器（APC）3、定时时钟4、集成开关管DC-DC转换器5、12 V锂离子电池组6、单片机微控制器（MCU）8、SD卡数据存储器9、数字模拟转换器（DAC）10和通道选择继电器11。
其中，12 V锂离子电池组6通过前级集成开关管DC-DC转换器5与单片机微控制器8相连，为整个系统提供3.3 V工作电压。单片机微控制器8采用STM32处理芯片。定时时钟4与单片机微控制器8相连，作为系统可靠性的保障，为系统提供准确的时间进行强制复位。系统的相关参数与测量结果通过模拟数字转换器3转换后，采用双通道同步高速数据采集方式，自动保存于SD卡数据存储器9内。装置回收后，通过USB转RS485线连接耐压壳体7内部数据通讯接口与上位机，将数据导出，完成整个过程。装置具有四个以上测量通道，数字模拟转换器10连接至单片机微控器8的输出端，用于生成正弦波信号（对应交流阻抗）、三角波信号对应CV测量)、直线波信号（对应恒电位极化）对待测体系进行激励，当不输出激励信号时，测得WE相对于RE的电位，即为开路电位值OCP，同时将24位精密模拟数字转换器3与单片机微控制器8互连，对信号进行采集，传入单片机微控器8内进行计算、处理和存储。
本发明装置采用宽输入范围DC-DC电源，前级设计反向保护和超压保护；所有功能元件采用3.3 V单电源供电，降压转换器选择集成开关管DC-DC芯片，具有200 mA输出，60 V宽输入范围，效率高达90%，在无输出电容时也可以保持稳定输出；结合精密电源管理电路和低功耗模拟与数字电路，降低功耗，可以实现长期监测功能。
本发明装置内置定时时钟4，保障系统可靠性，具体是指定时对系统进行强制复位，在装置到位后，测量系统会按预设的时间和频率自动开始电化学测量，每个测量完成后，系统自动进入休眠模式，直到下次定时时刻到后开始新的测量。通过内部通道选择继电器11控制，实现定时控制的四通道循环腐蚀电化学测量。
所涉及的多通道测量电极体系1设于耐压壳体7内，并由顶盖12处伸出，其包括四个以上并联连接的腐蚀监测组件，形成四个以上测量通道。
所涉及的运放比例运算电路与滤波/补偿电路2连接在多通道测量电极体系1的后端，模拟数字转换器3的前端，用于确保电化学测量数据的高精度与低相位失调，根据被测体系的特性，自适应选择电流量程，获取最佳的测量结果。通道选择继电器11连接在数字模拟转换器10的后端，多通道测量电极体系1的前端，用于对多通道测量电极体系1以择一方式进行通断。
本发明装置的耐压壳体7采用耐压为30 MPa的钛合金设计制造，耐压壳体7的尺寸根据测量系统的大小设计为内径φ125 mm，壁厚5 mm的圆筒形，采用橡胶O型圈密丝螺旋连接，其高压密封设计确保装置能耐压＞30 MPa，耐温＞120℃(洋底热液流)。顶盖12上安装有四个以上的φ25 mm，长50mm的圆柱形腐蚀监测组件，其包括暴露在深海腐蚀环境中的电阻探针和三电极探头。电阻探针包括感应元件和敏感元件，其连接方式为现有公知常识，在此不再赘述。三电极探头包括工作电极、参比电极和对电极，工作电极选用待测金属或有机涂层涂覆材料，参比电极为Ag/AgCl，对电极为Pt丝。三电极探头以及电阻探针敏感元件等均采用PEEK耐高温特种材料注射成型。腐蚀监测组件与顶盖12间的密封圈采用氟塑料密封材料，防止液体渗入耐压壳体7内部。
本发明的实施进行深海投放时，可以固定到深海试验装置上长期搭载试验，或通过缆绳悬吊的方式在不同深度进行快速实时地电化学监测，操作简便。本实施例设计有四通道测试探头，其扩展性高，可根据实际需要增加探头数量，工作原理不发生变化；其精密电源管理电路和模拟与数字电路均采用低功耗设计，可以实现1~6个月的原位电化学测试工作。
本实施例的深海多通道腐蚀电化学原位测试方法，包括如下步骤：
1）利用油田测井用高压密封技术，将多通道测量电极体系1、运放比例运算电路与滤波/补偿电路2、模拟数字转换器3、定时时钟4、集成开关管DC-DC转换器5、12 V锂离子电池组6、单片机微控制器8、SD卡数据存储器9、数字模拟转换器10和通道选择继电器11密封于耐压壳体7和顶盖12所组成的测试空间内，组装制备成深海多通道腐蚀电化学原位测试装置；
2）进行深海投放：将步骤1）所组装的装置固定在深海试验装置上长期搭载试验，或单独通过缆绳悬吊方式在不同深度进行实时电化学监测，使其中的多通道测量电极体系1暴露在深海腐蚀环境中，投放深度为100~3000米，根据试验要求可在水下布放1~6个月的时间；
3）12 V锂离子电池组6经前级集成开关管DC-DC转换器5，为系统提供工作电压，并设计有反向保护和超压保护，单片机微控制器8控制数字模拟转换器10生成激励信号，通过通道选择继电器11选择多通道测量电极体系1中的其一进行激励，根据激励信号的种类，将电化学原位测试装置分为以下几种工作模式：
a、当不输出激励信号时，测得工作电极相对于参比电极的电位，即为开路电位值；
b、当输出直流波激励信号时，则得到的是恒电位极化结果；
c、当输出正弦波激励信号时，则得到的是交流阻抗谱；
d、当输出三角波激励信号时，则得到的是循环伏安曲线；
运放比例运算电路与滤波/补偿电路2确保电化学测量数据的高精度与低相位失调，根据被测体系的特性，自适应选择电流量程；定时时钟4作为系统可靠性的保障，定时对系统进行强制复位，在装置到位后，测量系统会按预设的时间和频率自动开始电化学测量，并通过内置程序循环变换测试通道，每个测量完成后，系统自动进入休眠模式，直到下次定时时刻到后开始新的测量；测量结果通过模拟数字转换器2转换后，自动保存于SD卡数据存储器9中；装置回收后，将SD卡数据存储器9中的数据导出到计算机中，完成测试。
本发明的一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置其加工制作非常简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。