涂层、钢筋混凝土电化学阻抗现场测试仪的研制.pdf

l 越 研 偶 秒 l tl I t 孙 t 涂层 、 钢筋混凝土 电化学阻抗现场测试仪的研制 杨尊壹h。孔德杰 。董泽华玷，刘世海 ，韩红涛 ( 1 华中科技大学a 控制科学与工程系 ，b 化学与化工学院，湖北 武汉4 3 0 0 7 4； 2 武汉科思特仪器有限公 司，湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要 当今 ， 实际工程 中缺乏现场快速简便测量涂层、 钢筋混凝 土状态的仪器。利用高速单片机、 数字信号发 生器、 双通道 同步高速 A D和 高输入 阻抗模 拟 电路 ， 设计 了一 套 电池供 电、 适 于现场应 用的便 携式 电化 学阻抗 ( E I S ) 测试仪 。考虑到涂层或钢筋混凝土的高阻抗 以及现 场测试过程 易受外部噪声干扰 的特点 ， 仪器电路设计 中 采取了双通道8阶低通滤波器和前置放大器来提高电流分辨率； 采用相关积分算法， 借助具有电磁屏蔽特性的护 环电极探头减小了外部耦合噪声对微弱信号的干扰， 实现 了高精度阻抗测试。仪器通过频率扫描测量涂层 金属 界面的阻抗谱 ， 计算出涂层电阻、 电荷传递电阻和界面电容 ， 进而监测金属构件的腐蚀状 态。对 室内涂层钢板的测 试表明 ， 该仪器测量的阻抗谱与 P A R 2 7 3电化 学测试 系统的测量结果有 良好 的一致性 。 关键词 电化学阻抗测试仪；涂层；钢筋混凝土；相关积分算法 中图分类号 0 6 5 7 1 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 1 5 6 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 6 3 0 3 O 前言 l 设计 采用传统 的非 电化 学或直 流 电化 学方法 测量涂 层 、 钢筋混凝土的腐蚀行为存在耗时长、 可控性不好以 及重现性差等缺点。电化学阻抗 ( E I S ) 测量时施加 的扰动信号小， 可以原位测量涂层或混凝土 钢筋的界 面电容 、 极化 电阻 、 Wa r b u r g扩散阻抗等与失效过程有 关的电化学参数， 不会对涂层或混凝土 钢筋界面性质 造成不可逆影 响_ 2 - s 。E I S技术还可 以用来研究涂层 的老化速率， 根据涂层介电常数计算涂层含水率， 进而 预测涂层的破坏因素和寿命。美国已制定了 E I S评价 涂层的 A S T M标准 J ， 但由于没有适合的便携式阻抗测 量仪， 一直也没有快速检测和评估现场施工涂层质量或 混凝土钢筋锈蚀状态的可靠手段和方法。本工作结合电 化学与电子测量技术， 研制了一种便携式交流阻抗现场 测试仪， 可现场测量涂层、 钢筋混凝土的状态， 判断腐蚀 趋势。 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 0 通信作者 董泽华 ， 副教授 ， 主要从事腐蚀 电化 学、 电 化学测 试 方法 及 工 业腐 蚀 监 测 研究 ， 电 话 ： 0 2 78 7 5 4 3 4 3 2， E ma i l ： z e h u a d o n g g ma i l c o rn 1 1 原理 E I S测量是用 1 个小幅值正弦波电位信号叠加在 1 个直流极化电位上， 通过恒电位仪施加于被测体系， 同 步测量极化电位 以及响应 电流 ， 通过相关积分算法 或 傅立叶变换计算 出被测电极体系的复数阻抗 z， 进而绘 制出被测体系的 N y q u i s t 图和 B o d e图。选取适当的等 效电路 ， 通过计算机模拟可以获取被测电极体系的界 面电容、 电荷传递电阻和 R a n d l e 阻抗等诸多参数。 E I S测量 中必须保证极化电位 与极化 电流信号无 相移地同步采样。假设电位和电流通道信号分别如式 ( 1 ) 、 式 ( 2 ) ： E( t ) =E s i n ( to t 一咖 ) + 1 ( 1 ) ， ( t )=I a s i n ( t o t 一咖 )+ 2 ( 2 ) 式中， E 和 ， 日 为信号幅值， 和 为信号采样时刻的 相位角 ， 为信号频率 ， 和 2 为随机噪声。激励正 弦波信号由数字信号发生器产生， 所以 to是已知量， 而 咖 和 q b 都是未知量。为了计算两信号间相位差和幅 值比， 引入单位幅值基准信号 s ( t )= s i n ( to t ) 作为标准 参考信号 。将式( 1 ) 两边同乘以同频率基准信号 s i n ( to t ) ， 并从任意时刻开始积分 1 个信号周期， 通过相 关积分算法， 即可得出电位信号相对于基准信号的幅 艇 移 值 E 和相位差 ； 同理 ， 也可得出响应电流信号 的幅 值 I 和相位差 咖 I S 。于是 ， 可得到被测体系在频率为 时的阻抗模 I zI 以及相位角 西 ， 并有 ： I z1 = E I ( 3 ) = 一 ( 4 ) 1 2 硬件 激励正弦波信号 由基于可编程逻辑阵列 ( F P G A) 和微处理器 ( MC U) 的数字式频 率合成器 ( D D S ) 产生。 MC U灵活控制并结合 F P G A强 大 的并 行处理 能力使 D D S 产生的信号频率精确、 稳定， 迅速改变频率 。 D D S的模数转换采用 1 6位 D A。作为对噪声控制要求 较高的高阻 E I S仪器， 电路中集成 了线性定相 8阶低通 滤波器 L T 1 0 6 4 ， 其转角频率 由 F P G A时钟频率控制 ， 为输出信号频率 ， f c： f o = 1 0 0：1或 1 0：1 ， f o由 F P G A给出， 可输 出任意频率 、 起始相位的正弦波 。 在测量涂层 、 混凝土 金属界面阻抗 时， 由于输 入 阻抗高 ， 极化 电流小 ， 极 易耦合 工频或 电磁 干扰。为 此 ， 仪器前级采用高输入阻抗仪表放大器作 为电压跟 随和前置放大。为有效滤除噪声 ， 电位 、 电流通道分别 集成8阶低通滤波器， 随激励信号频率 而变。通 过 M C U同时测量电位与电流信号的直流分量， 由双路 D A输出两路直流信号， 并借助可编程增益放大器补偿 掉信号中的直流分量 ， 放大交流分量 ， 提高信噪 比。 E I S测量的难点在 于如何减少 内部 电路引入 的相 位偏差 。任何一级运算放大器都会 引入相移 ， 而相移 是器件与频率相关 的固有属性 ， 不同器件在相 同频率 下引人的相移也不同。在设计中应尽量使用相同的器 件 ， 并使电路板上的布线长度相等， 使双通道信号相移 接近 ， 以减少 电路 引入 的附加相差 。残余 的相差 主要 是 由同型号器件 参数 差异 引入 的， 当仪表放大器差分 输入信号较弱且频率较高时引人的相差会增加。仪器 总体设计框架见图 1 。 罔 l 交流阻抗现场测量仪器设计框架 R A Mv 电压 采 样 值 存 储 器 R A Mc 电 流 采 样 值 存 储 器 D 1 ) s RA M 波形表 存 储 器 c E 辅 助 电 极 RE 参 比电 极 wF 作电极R 电流取样电阻 图 1中， 测量仪器通过液 晶显示屏 ( L C D) 和小键 盘实现人机接 口， 测试参数包 括直 流极化 电位和正弦 波幅值 ， 扫频范 围、 方式等均可由用户设定 。在接到启 动 E I S测量指令后 ， MC U会根据设定 的信号幅值在波 形表存储器中写入相应的数字量 ， 自动控制 F P G A从波 形表存储器中顺序读取波形数据并通过 D A输 出。作 为一台适应现场测试涂层 、 钢筋 混凝土腐蚀 的 E I S仪 器 ， 输入阻抗 1 X 1 0 Q， 电流分辨率 1 X 1 0 A， 正 弦波扫频范围为 1 X( 1 0 1 0 )H z ， 幅值为 01 V， 直流极化范围为 5 V。电路板设计 中有通用 串行总 线( U S B) 接 口， 用户可 以通过基于 Wi n d o w s的应用软 件读取仪器测量数据做进一步分析 。 为提高信噪 比， 信 号 频率 较高 时 同步采 集 1 0 1 0 0 0 个周期数据进行积分 ； 频率较低( 1 0 x 1 0 m Q e m ) ； 本仪器测得的阻抗曲线在 中高频区基本符合单容抗弧特征， 但在低频区( 0 0 3 H z ) 出现了明显的离散点 ， 这可能是 由于测量探头的参 比回路耦合了外部低频干扰所致； 本仪器所得到的 N y q u i s t 曲线的结果与 P A R 2 7 3所测量的基本一致 ， 表 明该设备能够反映高阻涂层的防护状态。由于功耗和 成本控制的原因， 本仪器在低频段的曲线不及标准台 式阻抗测试仪测量效果稳定 ， 还需要改进。 - -0 6 - 0 6 8 -0 8 A - - I O r 1 0 0 0 一 0 0 5 1 0 1 5 Z f 1 0 n c m 1 1 ( a )本仪器 0 0 5 1 0 1 5 z f 1 0 n c m 1 ( b)P AR 2 7 3 图 3 二种 仪器测量的高阻环氧涂层钢板的 N y q u i s t 谱 图4为本仪器测得的 1 6 M n碳钢在硬化水泥砂浆 中不同时间的阻抗谱， 为了模拟碱金属氯化物对钢筋 的腐蚀作用， 砂浆内预先加入了 1 N a C 1 ( 质量分数) 。 由图 4可知 ， 随着时间延长 ， 阻抗谱逐步 由双容抗弧转 变为单容抗弧 ， 而且阻抗 环直径 有所增加。这表 明水 泥砂浆内尽管含有 N a C 1 ， 钢筋钝化膜的耐蚀性并 没有 降低 ； 相反 ， 由于混凝土孔 隙液的强碱性 ， 钢筋表 现出 耐蚀能力增强的趋势 ， 说 明碱金属氯化物在早期并不 能加速水泥砂浆内钢筋 的锈蚀。 图 4 钢筋在掺入 1 N a C 1 的 硬化水泥砂浆内的阻抗谱 O 3 结论 ( 1 ) 研制的便携式电化学 阻抗测试仪采用低功耗 器件和电池供电技术， 适用于现场在线监测涂层以及 钢筋混凝土的电化学行为。 ( 2 ) 基于现场总线和频率合成器实现了任意波形 输 出， 提高了现场阻抗测试的稳定性和分辨率 ； 仪器内 置的低通滤波器减少了工频干扰； 自动直流偏置补偿 技术提高了信噪比。 ( 3 ) 室内涂层钢板的测试证明， 该仪器测量的阻抗谱 与 P A R 2 7 3电化学测试系统的测量结果有 良好的一致性。 参考文献 1 熊金平， 左禹有机涂层的电化学检测技术研究进展 J 涂料技术与文摘， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 8 ) ： 1 1 1 3 2 谢德明， 胡吉明， 童少平多道环氧涂层在 N a C 1 溶液中的 电化学阻抗谱 J 材料研究学报， 2 O O 4 ， 1 8 ( 1 ) ： 9 6 1 0 1 3 A k b a r i n e z h a d E， R e z a e i F ， N e s h a t i J E v a l u a t i o n o f a h i g h r e s i s t a n c e p a i n t c o a t i n g w i t h EI S me a s u r e me n t s ：E ff e c t o f h i g h A C p e r t u r b a t i o n s J P r o g r e s s i n O r g a n i c C o a t i n g s ， 2 0 0 8 ， 6 1 ( 1 ) ： 4 55 2 4 S c a n t l e b u r y J ， G al i c K T h e a p p l i c a t i o n o f A C i m p e d a n c e t o s t u d y t h e p e rf o r ma n c e o f l a c q u e r e d a l u mi n i u m s p e c i me n s i n a c e t i c a c i d s o l u t i o n J P r o g r e s s i n O r g a n i c C o a t i n g s ， 1 9 9 7 ， 3 1 ( 3 ) ： 2 0 1 2 0 7 5 N a z a r o v A，P r o s e k T ， T h i e r r y D A p p l i c a t i o n o f E I S a n d S KP me tho d s f o r t h e s t u d y o f t h e z i n c p o l y me r i n t e r f a c e J E l e c t r o c h i m i c a A c t a ， 2 0 0 8 ， 5 3 ( 2 5 ) ： 7 5 3 1 7 5 3 8 6 Z u o Y， P a n g R， L i W， e t a 1 The e v a l u a t i o n o f c o a t i n g p e r - f o r ma n c e b y t h e v a ri a t i o n s o f p h a s e a n g l e s i n mi d d l e a n d h i g h f r e q u e n c y d o m a i n s o f E I S J C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 0 8 5 0 ( 1 2 ) ： 3 3 2 2 3 3 2 8 7 张咸进，贺诚， 刘世海，等基于 f p g a 高速数据采集 的电化学阻抗分析仪 的研制 J 计算机与应用化学， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 5 ) ： 5 7 9 5 8 2 8 刘渝快速高精度正弦波频率估计综合算法 J 电 子学报， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 2 61 2 8 9 余勇， 郑小林基于 F P G A的 D D S正弦信号发生器的 设计和实现 J 电子器件， 2 0 0 5 ， 2 8 ( 3 ) ： 5 9 6 5 9 9 1 O 丁元力 ， 董泽华， 周华林 ， 等 基于护环技术的混凝土 中钢筋腐蚀监测研究 J 中国腐蚀与防护学报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 5 ) ： 2 5 7 2 6 2 1 1 F e l i u S ， G o n z ale z J A， A n d r a d e C E ff e c t o f c u r r e n t d i s t r i b u t i o n o n c o r r o s i o n r a t e me a s u r e me n t s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e J C o r r o s i o n ， 1 9 9 5， 5 1 ( 1 ) ： 7 9 8 6 编校： 郑霞