一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、监测装置及监测方法

1.本发明涉及自动监测技术领域，具体而言，尤其涉及一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、监测装置及监测方法。


背景技术：

2.金属结构物的腐蚀问题给国民经济带来了巨大的损失。在国民经济的各个领域内，经常会应用到各种金属结构物，例如：油气运输中采用的钢制管道，船体采用的钢制船壳，钢制石油储油罐，海上风力发电结构的钢桩等，钢混结构中的钢筋，这些金属结构都会遭受不同程度的腐蚀问题。由于金属材质的非均匀性和外部环境的非均匀性，金属结构在自然环境中发生的腐蚀往往是非均匀的，即金属表面不同区域的腐蚀速率具有明显差异，表面存在明显的阴阳极分布，阴阳极之间的腐蚀电流会进一步地加剧腐蚀的非均匀程度。相比于全面腐蚀，非均匀腐蚀造成的危害性要严重的多，非均匀腐蚀更加隐蔽，造成的事故往往是突发性破坏，一般而言，整体金属钢结构物的安全稳定，往往取决于腐蚀最严重区域的腐蚀状态，因此掌握金属结构物的腐蚀状态至关重要。通过放置腐蚀监测传感器可以掌握当前钢结构的腐蚀状态，测量当前的腐蚀速率，从而为防腐方案的制定提供依据，也可以评估当前防腐方案的有效性，根据监测结果及时调整防腐策略，对于维护结构的安全具有重大的意义。
3.目前，工业上常用的腐蚀监测手段可以分为两类：
4.第一类是基于环境参数的监测技术，即通过测量与腐蚀相关的环境参数，结合现有的经典腐蚀理论或者腐蚀模型，对当前的腐蚀状态进行评估，常用的技术有：电导率监测、温度监测、溶液氧含量监测、ph值监测、湿度监测、氯离子浓度监测等，由于腐蚀环境复杂多变，影响腐蚀速率的环境因素较多，并且现有的腐蚀理论模型尚不完善，无法通过环境参数评估腐蚀状态，更无法计算腐蚀速率。
5.第二类是基于腐蚀探针的监测技术，即在被监测物周围放置相同材质的腐蚀探针，通过测试该探针的腐蚀状态，来推测整体结构物的腐蚀状态，常用的腐蚀探针形式有：电阻探针、电化学三电极探针、失重挂片等。由于腐蚀往往具有非均匀的特征，在局部腐蚀发生时，钢材表面不同区域的腐蚀速率具有明显差异，并且表面存在阴阳极分布，阴阳极之间的腐蚀电流会进一步地加剧局部腐蚀程度。而常规的基于腐蚀探针的监测技术只能测量一块区域的平均腐蚀信息，却无法反应局部腐蚀的非均匀程度。
6.第三类是基于多电极系统的监测技术，即在被监测物周围放置阵列排布的腐蚀探针，通过监测各个电极的电位信息和各个电极之间的电流来判断腐蚀状态。该方法的优点是灵敏度较高，能够获得当前的腐蚀速率，并且能在一定程度上识别腐蚀类型，但是该技术依赖于外部溶液环境提供电连通，在实际工程中使用会存在失效的风险，并不适合于长期监测。


技术实现要素：

7.针对现有腐蚀监测手段存在的技术问题，本发明提供了一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、监测装置及监测方法。
8.本发明采用的技术手段如下：
9.一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器，包括传感器外壳体以及位于所述传感器外壳体内部的工作电极阵列、温度补偿电极、参比电极、测试探针、探针固定板、导线和pcb电路板；所述传感器外壳体内部注有环氧树脂灌封胶；
10.所述传感器外壳体顶部固定安装有用于连接多芯屏蔽线的耐压水密连接器；
11.所述工作电极阵列、所述温度补偿电极和所述参比电极均固定安装于所述传感器外壳体底面；所述工作电极阵列包括若干工作电极；所述温度补偿电极的材料和与所述工作电极相同，所述温度补偿电极的下表面喷涂有氧化铬陶瓷；所述温度补偿电极和每一个所述工作电极均连接有4根呈正方形布置的所述测试探针；所述参比电极为圆柱型的固态参比电极，所述参比电极连接有1根所述测试探针；
12.所述测试探针顶部固定于所述探针固定板，并通过所述导线连接至所述pcb电路板，所述pcb电路板通过所述导线连接至所述耐压水密连接器。
13.进一步地，所述工作电极阵列由m2个大小相同的工作电极呈m
×
m正方形阵列排布，所述工作电极的底面作为工作面，底面的形状为正方形。
14.进一步地，所述工作电极工作面的边长大于所述工作电极厚度的两倍。
15.进一步地，所述温度补偿电极和所述工作电极连接的4根所述测试探针呈正方形排布，所述测试探针与所述温度补偿电极或所述工作电极的接触点位于上表面的4个顶点，其中一侧的2根所述测试探针为电流探针，另一侧的2根所述测试探针为电压探针。
16.本发明还提供了一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置，包括耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、多通道四探针测试仪、多通道数字电压表、多通道零电阻电流计、继电器组a、继电器组b和继电器组c；
17.所述多通道四探针测试仪的测量端通过所述继电器组a与所述腐蚀监测传感器中的工作电极阵列和温度补偿电极相连接，用于测量所述工作电极和所述温度补偿电极的电压，进而根据电压得到所述工作电极的壁厚损失；
18.所述多通道数字电压表的测量端通过所述继电器组b与所述腐蚀监测传感器中的工作电极阵列和参比电极相连接，用于测量所述工作电极与所述参比电极之间的电势差；
19.所述多通道零电阻电流计的测量端通过所述继电器组c与所述腐蚀监测传感器中的工作电极阵列相连接，用于测量各个所述工作电极之间的电偶电流。
20.本发明还提供了一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的监测方法，采用了上述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置，具体包括以下步骤：
21.s01：所述腐蚀监测传感器表面预处理：使用所述腐蚀监测传感器前需要对电极表面进行预处理，使用酒精清洗电极表面，并用冷风吹干；
22.s02：安装所述腐蚀监测传感器：将所述腐蚀监测传感器放置在需要进行腐蚀监测的环境中，将所述腐蚀监测传感器顶部的所述耐压水密连接器通过多芯屏蔽线接入所述多通道四探针测试仪、所述多通道数字电压表和所述多通道零电阻电流计；
23.s03：运用四探针技术测试电极电压：控制所述继电器组a开启，同时控制所述多通
道四探针测试仪依次测试各个所述工作电极和所述温度补偿电极的电压，并记录测试数据；
24.s04：运用丝束电极技术测试电极电位：控制所述继电器组b开启，同时控制所述多通道数字电压表依次测试各个所述工作电极与所述参比电极之间的电势差，并记录测试数据；
25.s05：运用丝束电极技术测试电极间电流：控制所述继电器组c开启，控制所述多通道零电阻电流计测试各个所述工作电极之间的电偶电流，记录测试数据；
26.s06：数据处理与分析：基于所述多通道四探针测试仪测量的电压结果计算出各个所述工作电极的壁厚损失，并绘制云图；基于所述多通道数字电压表测量结果绘制电位云图；基于所述多通道零电阻电流计的电偶电流测试结果绘制电流云图。
27.进一步地，步骤s06中，根据所述多通道四探针测试仪测量的电极电压结果计算各个所述工作电极的壁厚损失δδ的计算公式为：
[0028][0029]
其中，u
m
表示所述工作电极初始电压，表示所述工作电极腐蚀后电压，l
m
表示所述工作电极上相邻所述测试探针的间距，δ
m
表示所述工作电极的初始厚度，u
c
表示所述温度补偿电极初始电压，表示所述温度补偿电极电极腐蚀后电压，x表示初始状态电压比，x
*
表示腐蚀后电压比。
[0030]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0031]
本发明提供的耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、监测装置及监测方法，能够同步在线监测局部腐蚀深度和阴阳极电流、电位分布，能实现在线电化学腐蚀损伤和非电化学腐蚀损伤的甄别和监测以及在线区分宏电池腐蚀分量和微电池腐蚀分量。
[0032]
基于上述理由本发明可在金属材料局部腐蚀损伤监测领域广泛推广。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]
图1为本发明所述腐蚀监测传感器结构示意图。
[0035]
图2为本发明所述工作电极和所述温度补偿电极连接的所述测试探针安装位置示意图。
[0036]
图3为本发明所述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置结构示意图。
[0037]
图4为本发明所述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置工作原理示意图。
[0038]
图5为本发明所述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的监测方法的时序图。
[0039]
图6为本发明所述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测方法流程图。
[0040]
图中：1、工作电极阵列；2、温度补偿电极；3、参比电极；4、测试探针；5、探针固定板；6、导线；7、pcb电路板；8、传感器外壳体；9、环氧密封胶；10、耐压水密连接器；11、电压探针；12、电流探针。
具体实施方式
[0041]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0042]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0044]
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0045]
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0046]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器
件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0047]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0048]
实施例1
[0049]
如图1所示，本发明提供了一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器，包括传感器外壳体8以及位于所述传感器外壳体8内部的工作电极阵列1、温度补偿电极2、参比电极3、测试探针4、探针固定板5、导线6和pcb电路板7；所述传感器外壳体8内部注有环氧树脂灌封胶9，不与外界腐蚀环境接触；本发明所述腐蚀监测传感器通过所述传感器外壳体8底面接触腐蚀环境，其余所有部件都放置在所述传感器外壳体8内部；
[0050]
所述传感器外壳体8顶部固定安装有用于连接多芯屏蔽线的耐压水密连接器10；
[0051]
所述工作电极阵列1、所述温度补偿电极2和所述参比电极3均固定安装于所述传感器外壳体8底面；所述工作电极阵列1包括若干工作电极；所述温度补偿电极2的材料和与所述工作电极相同，所述温度补偿电极2的下表面喷涂有氧化铬陶瓷，防止其与腐蚀性介质直接接触；所述温度补偿电极2和每一个所述工作电极均连接有4根呈正方形布置的所述测试探针4；所述参比电极3为圆柱型的固态参比电极，所述参比电极3连接有1根所述测试探针4；
[0052]
所述测试探针4顶部固定于所述探针固定板5，并通过所述导线6连接至所述pcb电路板7，所述pcb电路板7通过所述导线6连接至所述耐压水密连接器10。
[0053]
进一步地，所述工作电极阵列1由m2个大小相同的工作电极呈m
×
m正方形阵列排布，所述工作电极的底面作为工作面，底面的形状为正方形。
[0054]
优选地，所述工作电极阵列1由16个大小相同的工作电极呈4
×
4正方形阵列排布。
[0055]
进一步地，所述工作电极阵列1的材质为碳钢、铝合金、不锈钢、镁合金或者低合金钢。
[0056]
进一步地，所述工作电极阵列1的工作面尺寸和厚度，相邻的两个所述工作电极之间的距离可根据实际测量需要进行调整，为达到较好的测量精度，所述工作电极工作面的边长大于所述工作电极厚度的两倍；并且，在保证各个电极之间彼此绝缘的情况下，相邻的两个电极之间的距离尽可能缩小。
[0057]
进一步地，所述温度补偿电极2和所述工作电极连接的4根所述测试探针呈正方形排布，所述测试探针4与所述温度补偿电极2或所述工作电极的接触点位于上表面的4个顶点，其中一侧的2根所述测试探针4为电流探针12，用于施加恒定电流，另一侧的2根所述测试探针4为电压探针11，用于测试电压。
[0058]
进一步地，所述传感器外壳体8材质为高硬度尼龙材料；
[0059]
进一步地，所述工作电极阵列1的材质可根据被监测结构物的材质来确定，可以是碳钢、铝合金、不锈钢、镁合金、低合金钢或者任意一种其他金属材料。
[0060]
本发明还提供了一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置，包
括耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、多通道四探针测试仪、多通道数字电压表、多通道零电阻电流计、继电器组a、继电器组b和继电器组c；
[0061]
所述多通道四探针测试仪的测量端通过所述继电器组a与所述腐蚀监测传感器中的工作电极阵列和温度补偿电极相连接，用于测量所述工作电极和所述温度补偿电极的电压，进而根据电压得到所述工作电极的壁厚损失；
[0062]
所述多通道数字电压表的测量端通过所述继电器组b与所述腐蚀监测传感器中的工作电极阵列和参比电极相连接，用于测量所述工作电极与所述参比电极之间的电势差；
[0063]
所述多通道零电阻电流计的测量端通过所述继电器组c与所述腐蚀监测传感器中的工作电极阵列相连接，用于测量各个所述工作电极之间的电偶电流。
[0064]
进一步地，所述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置还包括计算机，所述多通道四探针测试仪、所述多通道数字电压表、所述多通道零电阻电流计、所述继电器组a、所述继电器组b和所述继电器组c均连接至所述计算机；所述计算机能够发送控制信号控制所述继电器组a、所述继电器组b和所述继电器组c，所述计算机能够采集所述多通道四探针测试仪、所述多通道数字电压表和所述多通道零电阻电流计发送的测量信号，并以图形化显示测量结果。
[0065]
进一步地，所述多通道四探针测试仪的每个通道有四个测量端子，其中两个测量端子连接内部恒定电流源，可以输出恒定电流，另外两个测量端子连接内部高精度数据采集卡，可以测量电压。
[0066]
进一步地，所述多通道数字电压表的每个通道有两个测量端子，其中一个连接所述工作电极，另一个连接所述参比电极。
[0067]
进一步地，所述多通道零电阻电流计每个通道有一个测量端子，用于连接所述工作电极。
[0068]
本发明还提供了一种耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的监测方法，其特征在于，采用了上述耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测装置，具体包括以下步骤：
[0069]
s01：所述腐蚀监测传感器表面预处理：使用所述腐蚀监测传感器前需要对电极表面进行预处理，使用酒精清洗电极表面，并用冷风吹干；
[0070]
s02：安装所述腐蚀监测传感器：将所述腐蚀监测传感器放置在需要进行腐蚀监测的环境中，将所述腐蚀监测传感器顶部的所述耐压水密连接器通过多芯屏蔽线接入所述多通道四探针测试仪、所述多通道数字电压表和所述多通道零电阻电流计；
[0071]
s03：运用四探针技术测试电极电压，进而得到所述工作电极的壁厚损失(腐蚀深度)：通过所述计算机发送指令控制所述继电器组a开启，同时控制所述多通道四探针测试仪依次测试各个所述工作电极和所述温度补偿电极的电压，并记录测试数据；
[0072]
s04：运用丝束电极技术测试电极电位：通过所述计算机发送指令控制所述继电器组b开启，同时控制所述多通道数字电压表依次测试各个所述工作电极与所述参比电极之间的电势差，并记录测试数据；
[0073]
s05：运用丝束电极技术测试电极间电流：通过所述计算机发送指令控制所述继电器组c开启，控制所述多通道零电阻电流计测试各个所述工作电极之间的电偶电流，记录测试数据；
[0074]
s06：数据处理与分析：基于所述多通道四探针测试仪测量的电压结果计算出各个所述工作电极的壁厚损失，并绘制云图；基于所述多通道数字电压表测量结果绘制电位云图；基于所述多通道零电阻电流计的电偶电流测试结果绘制电流云图。
[0075]
进一步地，步骤s06中，根据所述多通道四探针测试仪测量的电极电压结果计算各个所述工作电极的壁厚损失δδ的计算公式为：
[0076][0077]
其中，u
m
表示所述工作电极初始电压，表示所述工作电极腐蚀后电压，l
m
表示所述工作电极上相邻所述测试探针的间距，δ
m
表示所述工作电极的初始厚度，u
c
表示所述温度补偿电极初始电压，表示所述温度补偿电极电极腐蚀后电压，x表示初始状态电压比，x
*
表示腐蚀后电压比。
[0078]
本发明中，通过所述多通道四探针测试仪运用四探针技术测试所述工作电极和所述温度补偿电极的电压计算公式为：
[0079][0080]
其中，k
m
表示所述工作电极的边缘修正因子，l
c
表示所述温度补偿电极上相邻所述测试探针的间距，δ
c
表示所述所述温度补偿电极的厚度，k
c
表示所述工作电极的边缘修正因子，i表示所述多通道四探针测试仪的输入电流，σ表示电导率；
[0081]
电压比x的计算公式为：
[0082][0083]
在所述工作电极表面发生腐蚀后，厚度减薄变为δ
m
‑
δδ，此时电压比的x
*
与厚度损失δδ之间的关系为：
[0084][0085]
将初始状态电压比x与腐蚀后电压比x
*
做比，即可得到上述壁厚损失δδ的计算公式，在已知所述工作电极的δ
m
和l
m
的前提下，即可计算出所述工作电极的壁厚损失δδ。
[0086]
本发明提供的耦合四探针电势降测量与丝束电极技术的腐蚀监测传感器、监测装置及监测方法，能够同步在线监测局部腐蚀深度和阴阳极电流、电位分布，能实现在线电化学腐蚀损伤和非电化学腐蚀损伤的甄别和监测以及在线区分宏电池腐蚀分量和微电池腐蚀分量。
[0087]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。