一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点制造技术

本发明专利技术公开了一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，所述多功能无线节点包括腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块、探针式腐蚀传感器、阳极材料。该多功能无线节点能够切换恒电位输出、恒压输出和恒流输出三种模式，能够调整输出幅值，以满足阴极保护和电化学除氯及再碱化等多种腐蚀电化学控制的需求；具有内置的腐蚀控制决策模型，能够根据钢筋腐蚀电化学状态自主调整腐蚀电化学控制输出模式与幅值，高效节能地实现钢混结构腐蚀控制；能够接入GPRS网络，实现云服务器对腐蚀电化学控制的实时调整、改写腐蚀控制决策模型、监听腐蚀电化学控制状态。制状态。制状态。

【技术实现步骤摘要】
一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点


[0001]本专利技术属于土木工程
，涉及一种钢混结构腐蚀控制装置，具体涉及一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点。

技术介绍

[0002]目前钢混结构的电化学防腐通常使用恒电位仪对钢筋进行阴极保护，是来源于埋地管线、船舶、化工设备等基于热力学的腐蚀电化学控制技术，根据钢筋开路电位评估腐蚀状态，决定是否施加阴极保护。恒电位仪在钢筋和阳极材料之间通电，将钢筋电位控制在保护电位范围内，减缓或抑止腐蚀的发生。
[0003]然而，钢筋所处的混凝土电解质环境与土壤、海水等环境存在显著差异。首先，混凝土中钢筋的开路电位受到混凝土湿度、水泥品种、保护层厚度等因素的影响，仅凭开路电位评估钢筋腐蚀状态具有极大的错误率，需要更精准的电化学测量以获取腐蚀电流密度等更准确的腐蚀电化学信息，进而有效指导腐蚀电化学控制的施加；其次，混凝土碳化和氯离子入侵是造成钢筋腐蚀的主要原因，在碳化或氯盐污染严重的钢混结构中钢筋将处于高速腐蚀状态，仅将钢筋电位控制在保护电位范围的阴极保护技术难以有效地再碱化混凝土和迁出氯离子，一旦结束阴极保护，钢筋将在数天内恢复高速腐蚀，因此恒电位仪和阳极材料需要长期工作，造成高能耗和阳极材料低寿命；最后，粒子在混凝土中的自然扩散是非常缓慢的，但通过阳极材料对钢筋施加高强度的阴极电流能够在短时间内完成混凝土的再碱化和除氯，投放的电场关闭后，钢筋仍然能够在长期内保持极低的腐蚀速率，直到自然碳化或氯离子入侵再次抵达钢筋处。除此之外，混凝土介质环境和钢筋腐蚀状态具有显著的时变性，需要实时调整腐蚀电化学控制模式及强度，对腐蚀速率可忽略的钝化态钢筋不进行电化学控制，对低速腐蚀的钢筋进行阴极保护，对高速腐蚀的钢筋以大电流迅速完成电化学再碱化和除氯，蓬勃发展的物联网技术为远程调整腐蚀电化学控制提供了可能，减少了人工现场调整的成本，提高了调整的实时性。
[0004]目前用于钢混结构腐蚀电化学控制的恒电位仪等设备不能根据腐蚀电流密度等钢筋腐蚀电化学状态在阴极保护及电化学再碱化和除氯等不同模式和强度的腐蚀电化学控制方法之间切换，存在有效性低与能耗高等缺点，并且无法接入物联网，不能远程控制，不能实时掌握设备运行状态。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点。该多功能无线节点能够切换恒电位输出、恒压输出和恒流输出三种模式，能够调整输出幅值，以满足阴极保护和电化学除氯及再碱化等多种腐蚀电化学控制的需求；具有内置的腐蚀控制决策模型，能够根据钢筋腐蚀电化学状态自主调整腐蚀电化学控制输出模式与幅值，高效节能地实现钢混结构腐蚀控制；能够接入GPRS网络，实现云服务器对腐蚀电化学控制的实时调整、改写腐蚀控制决策模型、监听腐蚀电化学控制状态。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，包括腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块、探针式腐蚀传感器、阳极材料，其中：
[0008]所述腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块封装于电磁屏蔽壳内，置于钢混结构外部；
[0009]所述探针式腐蚀传感器固定在钢筋上；
[0010]所述阳极材料安装在混凝土表面；
[0011]所述探针式腐蚀传感器包括工作电极、参比电极、辅助电极、焊点密封壳、传感器电缆；工作电极、参比电极、辅助电极以及钢筋各自与传感器电缆中的一条导线焊接，焊点置于焊点密封壳中，并灌入环氧树脂密封保护焊点同时将探针式腐蚀传感器固定在钢筋上；工作电极的材质和表面状态与钢筋一致；
[0012]所述腐蚀电化学监测模块通过传感器电缆与探针式腐蚀传感器电连接，对工作电极、参比电极、辅助电极组成的三电极体系进行腐蚀电化学测量获取钢筋的腐蚀电化学状态；测量钢筋与参比电极之间的电位差，以获取钢筋的开路电位以及腐蚀电化学控制下的电位；腐蚀电化学监测模块通过数字隔离器与主控模块建立通讯连接；非电化学测量期间，腐蚀电化学监测模块将工作电极与钢筋建立电连接，以体现宏电池腐蚀和腐蚀电化学控制对测点处腐蚀状态的影响，在电化学测量前断开工作电极与钢筋的电连接，并等待工作电极的开路电位稳定；
[0013]所述直流电源为稳压模块和腐蚀电化学控制输出模块供电，稳压模块为腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、无线通讯模块、数字隔离器、隔离稳压器供电，隔离稳压器为腐蚀电化学监测模块供电，腐蚀电化学监测模块为数字隔离器供电；
[0014]所述腐蚀电化学控制输出模块的阳极输出端与阳极材料电连接，阴极输出端与钢筋电连接，具有开启和关断两种输出状态，开启状态下阴极输出端通路，关断状态下阴极输出端断路；具有恒压输出和恒流输出两种模式，输出幅值可设置，对钢筋施加阴极电流实现腐蚀电化学控制；
[0015]所述腐蚀电化学控制输出模块包括输出调整电路、幅值设定电路、输出开关电路、模式切换电路、槽压采样电路、电流采样电路；当数字信号输入端SWITCH为高电平时，输出开关电路将阴极输出端通路，切换至输出开启状态，当数字信号输入端SWITCH为低电平时，输出开关电路将阴极输出端断路，切换至输出关断状态；在输出开启状态下，当数字信号输入端SHIFT为高电平时，模式切换电路将电流采样点与幅值采样点连接，切换至恒流输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出电流幅值，当数字信号输入端SHIFT为低电平时，模式切换电路将槽压采样点与幅值采样点连接，切换至恒压输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出槽压幅值；槽压采样电路采集阴阳极输出端之间的槽压并转换为VOLMEASURE处的模拟电压信号，电流采样电路采集阴阳极输出端之间的电流并转换为CURMEASURE处的模拟电压信号；
[0016]所述主控模块控制SWITCH和SHIFT处的电平状态并控制AMPSET处的模拟电压信号值实现对腐蚀电化学控制输出模块的设置，并读取VOLMEASURE和CURMEASURE处的模拟电压信号值，以测量输出的槽压和电流幅值；
[0017]所述主控模块通过调整腐蚀电化学控制输出模块的输出槽压幅值实现恒电位输出模式，主控模块设置SWITCH为高电平，设置SHIFT为低电平，将腐蚀电化学控制输出模块设置为输出开启状态并切换模式为恒压输出，通过调整AMPSET处的模拟电压信号值设置输出槽压幅值，控制腐蚀电化学监测模块测量钢筋电位，与钢筋电位的设定值比较，若钢筋电位测量值高于设定值，则通过AMPSET增加槽压幅值，若钢筋电位测量值低于设定值，则通过AMPSET减小槽压幅值，不断循环进行钢筋电位的测量和输出槽压幅值的调整，将钢筋电位稳定在设定电位处，达到恒电位输出的效果；
[0018]所述主控模块内置腐蚀控制决策模型，实现多功能无线节点的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述多功能无线节点包括腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块、探针式腐蚀传感器、阳极材料，其中：所述探针式腐蚀传感器包括工作电极、参比电极、辅助电极、焊点密封壳、传感器电缆；工作电极、参比电极、辅助电极以及钢筋各自与传感器电缆中的一条导线焊接，焊点置于焊点密封壳中，并灌入环氧树脂密封保护焊点同时将探针式腐蚀传感器固定在钢筋上；所述腐蚀电化学监测模块通过传感器电缆与探针式腐蚀传感器电连接，对工作电极、参比电极、辅助电极组成的三电极体系进行腐蚀电化学测量获取钢筋的腐蚀电化学状态；测量钢筋与参比电极之间的电位差，以获取钢筋的开路电位以及腐蚀电化学控制下的电位；腐蚀电化学监测模块通过数字隔离器与主控模块建立通讯连接；非电化学测量期间，腐蚀电化学监测模块将工作电极与钢筋建立电连接，以体现宏电池腐蚀和腐蚀电化学控制对测点处腐蚀状态的影响，在电化学测量前断开工作电极与钢筋的电连接，并等待工作电极的开路电位稳定；所述直流电源为稳压模块和腐蚀电化学控制输出模块供电，稳压模块为腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、无线通讯模块、数字隔离器、隔离稳压器供电，隔离稳压器为腐蚀电化学监测模块供电，腐蚀电化学监测模块为数字隔离器供电；所述腐蚀电化学控制输出模块的阳极输出端与阳极材料电连接，阴极输出端与钢筋电连接，具有开启和关断两种输出状态，开启状态下阴极输出端通路，关断状态下阴极输出端断路；具有恒压输出和恒流输出两种模式，输出幅值可设置，对钢筋施加阴极电流实现腐蚀电化学控制；所述腐蚀电化学控制输出模块包括输出调整电路、幅值设定电路、输出开关电路、模式切换电路、槽压采样电路、电流采样电路；当数字信号输入端SWITCH为高电平时，输出开关电路将阴极输出端通路，切换至输出开启状态，当数字信号输入端SWITCH为低电平时，输出开关电路将阴极输出端断路，切换至输出关断状态；在输出开启状态下，当数字信号输入端SHIFT为高电平时，模式切换电路将电流采样点与幅值采样点连接，切换至恒流输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出电流幅值，当数字信号输入端SHIFT为低电平时，模式切换电路将槽压采样点与幅值采样点连接，切换至恒压输出模式，此时幅值设定电路的模拟信号输入端AMPSET控制输出调整电路的输出槽压幅值；槽压采样电路采集阴阳极输出端之间的槽压并转换为VOLMEASURE处的模拟电压信号，电流采样电路采集阴阳极输出端之间的电流并转换为CURMEASURE处的模拟电压信号；所述主控模块控制SWITCH和SHIFT处的电平状态并控制AMPSET处的模拟电压信号值，实现对腐蚀电化学控制输出模块的设置，并读取VOLMEASURE和CURMEASURE处的模拟电压信号值，以测量输出的槽压和电流幅值；所述主控模块调整腐蚀电化学控制输出模块的输出槽压实现恒电位输出模式，主控模块设置SWITCH为高电平，设置SHIFT为低电平，将腐蚀电化学控制输出模块设置为输出开启状态并切换模式为恒压输出，通过调整AMPSET处的模拟电压信号值设置输出槽压幅值，控制腐蚀电化学监测模块测量钢筋电位，与钢筋电位的设定值比较，若钢筋电位测量值高于设定值，则通过AMPSET增加槽压幅值，若钢筋电位测量值低于设定值，则通过AMPSET减小槽压幅值，不断循环进行钢筋电位的测量和输出槽压幅值的调整，将钢筋电位稳定在设定电
位处，达到恒电位输出的效果；所述主控模块内置腐蚀控制决策模型，实现多功能无线节点的自主运行；在自主模式下，主控模块定期通过腐蚀电化学监测模块进行电化学测量获取钢筋开路电位、钢筋腐蚀电流密度等腐蚀电化学状态，再由腐蚀控制决策模型根据腐蚀电化学状态进行多功能无线节点的输出状态、模式和幅值的决策；若钢筋的腐蚀速率可忽略，则不进行电化学控制，输出状态配置为关断；若钢筋处于低速腐蚀状态，则进行阴极保护，输出状态配置为开启，输出模式为恒电位输出；若钢筋处于高速腐蚀状态，则进行电化学除氯和再碱化，输出状态配置为开启，输出模式配置为恒压或者恒流输出；在开启输出状态下，设置输出幅值与腐蚀速率线性相关；所述主控模块通过无线通讯模块与云服务器建立通讯连接，进行指令接收与数据上传，云服务器远程控制并监听多功能无线节点的输出状态、模式和幅值。2.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述腐蚀电化学控制输出模块、主控模块、稳压模块、无线通讯模块、直流电源、数字隔离器、隔离稳压器、腐蚀电化学监测模块封装于电磁屏蔽壳内，置于钢混结构外部；探针式腐蚀传感器固定在钢筋上，阳极材料安装在混凝土表面。3.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学控制用多功能无线节点，其特征在于所述腐蚀电化学控制输出模块包括输出调整电路、幅值设定电路、输出开关电路、模式切换电路、槽压采样电路、电流采样电路；输出开关电路设置输出开启和输出关断两种输出状态；在输出开启状态下模式切换电路切换恒压和恒流两种输出模式；在恒压输出模式下，幅值设定电路设置阳极输出端和阴极输出端之间的槽压值，恒流输出模式下，幅值设定电路设置阳极输出端和阴极输出端之间的电流值；输出调整电路调整阴阳极输出端之间的槽压，使阴阳极输出端之间的槽压或电流满足幅值设定电路的要求；槽压采样电路采集阴阳极输出端之间的槽压，电流采样电路采集阴阳极输出端之间的电流，以供主控模块进行测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔国富，杭成皓，韩鹏，欧进萍，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：