CN101315324B - 一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测*** - Google Patents

一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，包括多个设置在混凝土中各个检测点上的传感装置和上位监控计算机，上位监控计算机的输入端连接有数据转换电路，特点是还包括有与每个检测点上的传感装置对应连接的采样信号处理电路，传感装置包括温度传感器和具有同时检测pH值、Cl-离子浓度值、开路电位、极化阻力和腐蚀速率功能的复合式传感器，采样信号处理电路的信号输出端与数据转换电路的信号输入端连接，优点在于可以进行检测过程中的温度补偿，消除检测误差，提高检测装置的精度及灵敏度，且在提高检测精度的同时，大大简化了电路的结构，而当一个检测点出现故障时，也不会造成整个监测***不能工作。

Description

一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***
技术领域
本发明涉及一种混凝土结构的保护***，尤其是涉及一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***。
背景技术
近三十年来，我国经济的高速增长世界瞩目，而发展最快、投资规模最大的是基础设施建设，特别是以土木工程为主体的基础设施建设。中国成为世界最大的建筑市场。而钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护是一个十分重要的问题，对于国民经济的可持续发展意义重大。发达国家的统计数据表明，钢筋混凝土结构腐蚀破坏造成的损失占国民经济总产值(GDP)的0.8％～1.6％。因此测试和分析混凝土中钢筋的腐蚀速度和耐腐蚀性能，监测和分析当前钢筋所处腐蚀环境与腐蚀相关的各个参数的真实情况，对于土木工程结构的耐久性意义重大。现有的混凝土中钢筋腐蚀在线监测***主要包括设置在建筑物中各监测点上的各种检测数据传感器，然后将各个检测数据传感器的数据信号传输到一个采样信号处理电路处理后送到上位监控计算机，以实现对混凝土中钢筋的腐蚀速度和耐腐蚀性能的在线检测。但是在混凝土中钢筋的腐蚀速度和耐腐蚀性能的检测中，需要同时对pH、Cl-及腐蚀参数进行测量，因此需要设置不同的传感器，并且各个检测点的位置不同，相距也较远，因此，不仅造成了采样信号处理电路和布线结构的复杂化，采样器装置的体积较大，而且也会发生因采样信号处理电路故障所造成的整个监测***不能工作的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种各腐蚀参量测试高度集成，体积小，结构简单且不会影响整个监测***工作的混凝土中钢筋腐蚀在线监测***。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，包括多个设置在混凝土中各个检测点上的传感装置和上位监控计算机，所述的上位监控计算机的输入端连接有数据转换电路，还包括有与每个检测点上的传感装置对应连接的采样信号处理电路，所述的传感装置包括温度传感器和具有同时检测pH值、Cl-离子浓度值、开路电位、极化阻力和腐蚀速率功能的复合式传感器，所述的采样信号处理电路的信号输出端与所述的数据转换电路的信号输入端连接。
所述的温度传感器和所述的复合式传感器设置在一个独立的具有防腐、防潮和防爆功能的壳体内，所述的采样信号处理电路设置在另一个独立的具有防腐、防潮和防爆功能的壳体内，所述的采样信号处理电路浇封在其壳体内，所述的采样信号处理电路的信号输出端通过设置在其壳体上的接线孔与所述的数据转换电路的信号输入端连接。
所述的温度传感器、所述的复合式传感器和所述的采样信号处理电路也可以同时设置在一个具有防腐、防潮和防爆功能的壳体中，所述的温度传感器、所述的复合式传感器和所述的采样信号处理电路浇封在该壳体内，所述的采样信号处理电路的信号输出端通过设置在该壳体上的接线孔与所述的数据转换电路的信号输入端连接。
所述的壳体为表面经过防腐处理的铝合金壳体。
所述的复合式传感器包括并行设置的研究电极、参考电极、辅助电极、pH探针和Cl-探针，所述的研究电极、所述的参考电极、所述的pH探针和所述的Cl-探针均设置在一同轴延伸的管状辅助电极内，所述的采样信号处理电路包括恒电位电路、信号发生电路、信号控制与处理电路、数据传输电路、pH值信号处理电路和Cl-值信号处理电路，所述的pH探针和所述的Cl-探针分别通过所述的pH值信号处理电路和所述的Cl-值信号处理电路与所述的信号控制及处理电路连接，所述的温度传感器与所述的信号控制及处理电路连接，所述的研究电极、所述的参考电极和所述的辅助电极通过所述的恒电位电路和所述的信号发生电路与所述的信号控制及处理电路连接，所述的信号控制及处理电路设置有存储电路和时钟电路，所述的信号控制及处理电路通过所述的数据传输电路与所述的数据转换电路连接。
所述的信号发生电路包括型号为DAC8532的信号发生芯片，所述的信号控制与处理电路包括型号为AD7188的第一控制芯片和型号为C8051F345的第二控制芯片，所述的数据传输电路包括型号为ADUM1301的光电耦合芯片和型号为MAX3082的数据传送芯片，所述的第一控制芯片的AIN2输入端与所述的pH值信号处理电路的输出端相连；所述的第一控制芯片的AIN4输入端与所述的Cl-值信号处理电路的输出端相连；所述的第一控制芯片的AIN6～AIN 7输入端分别与所述的恒电位电路的Ecorr2端及Icorr2端相连；所述的第一控制芯片的AIN9端与所述的温度传感器的输出端Tem相连，所述的第二控制芯片通过并行数据总线DA7～DA0及控制总线ALE、RD、WR及DS_CS与所述的时钟电路相连，所述的第二控制芯片通过I2C总线SCL、SDA与所述的存储电路相连，所述的第二控制芯片的通讯控制端RX0、TX0、DE(P1.0)与所述的光电耦合芯片连接。
所述的第二控制芯片上设置有用于确定通讯地址编号的拨码开关。
与现有技术相比，本发明的优点在于在每个检测点上设置与传感装置对应连接的采样信号处理电路，采样信号处理电路的信号输出端与数据转换电路的信号输入端连接，且传感装置中采用了能同时检测pH值、Cl-离子浓度值、开路电位、极化阻力和腐蚀速率功能的复合式传感器，能够精确地测量钢筋混凝土结构中钢筋的自然腐蚀电位、极化阻力、腐蚀速率，钢筋所处腐蚀环境的pH值和Cl-浓度，通过设置一个温度传感器提供检测环境的温度，可以进行检测过程中的温度补偿，消除检测误差，提高检测装置的精度及灵敏度，且在提高检测精度的同时，大大简化了电路的结构；而当一个检测点出现故障时，也不会造成整个监测***不能工作；将温度传感器、复合式传感器和采样信号处理电路同时浇封设置在一个壳体中，可以有效地提高检测装置的集成度，结构紧凑、体积小，便于现场施工，且采用浇封工艺，防水、防潮性能优良，传感器不需定期更换，方便安装、使用及维护；而表面经过防腐处理的铝合金壳体具有较好的防腐、防潮和防爆功能，使用寿命长；在第二控制芯片上设置用于确定通讯地址编号的拨码开关，可以实现对每个报警检测装置的地址编码；本发明***不仅适用于隧道、桥梁、大坝、码头等钢筋混凝土结构的腐蚀监测，还可以应用于其他所有具有此类结构特性的环境中。
附图说明
图1为本发明复合传感器结构示意图；
图2为本发明电气原理框图；
图3为本发明pH值信号处理电路的电气原理图；
图4为本发明Cl-值信号处理电路的电气原理图
图5为本发明恒电位电路和信号发生电路的电气原理图；
图6为本发明信号控制与处理电路和数据传输电路的电气原理图；
图7为本发明采用的控制方法流程图；
图8为本发明在钢筋混凝土结构中在线监测点分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图8所示，本实施例设置16个腐蚀检测点(地址编号为W01~W16)，安装于隧道内部侧壁的钢筋混凝土结构中，在易腐蚀的部位范围内均匀分布，通过RS485总线及RS485/232数据转换电路1与上位监控计算机2进行通讯连接。
如图2～6所示，在每个检测点上设置有温度传感器31和复合式传感器32及一个对应的采样信号处理电路3，复合式传感器32包括并行设置的研究电极321、参考电极322、辅助电极323、pH探针324和Cl-探针325，研究电极321、参考电极322、pH探针324和Cl-探针325均设置在同轴延伸的管状辅助电极323内，采样信号处理电路3包括恒电位电路33、信号发生电路34、信号控制与处理电路35、数据传输电路36、pH值信号处理电路37和Cl-值信号处理电路38，信号控制及处理电路35设置有存储电路351和时钟电路352，信号发生电路34包括型号为DAC8532的信号发生芯片U3，信号控制与处理电路35包括型号为AD7188的第一控制芯片U1和型号为C8051F345的第二控制芯片U2，数据传输电路36包括型号为ADUM1301的光电耦合芯片U4和型号为MAX3082的数据传送芯片U5，第一控制芯片U1的AIN2输入端与pH值信号处理电路37的输出端相连；第一控制芯片U1的AIN4输入端与Cl-值信号处理电路38的输出端相连；第一控制芯片U1的AIN6～AIN 7输入端分别与恒电位电路33的Ecorr2端及Icorr2端相连；第一控制芯片U1的AIN9端与温度传感器31的输出端Tem相连，第二控制芯片U2通过并行数据总线DA7～DA0及控制总线ALE、RD、WR及DS_CS与时钟电路351相连，第二控制芯片U2通过I2C总线SCL、SDA与存储电路352相连，第二控制芯片U2的通讯控制端RX0、TX0、DE(P1.0)与光电耦合芯片U4连接，并经数据传送芯片U5接至上位监控计算机2，第二控制芯片U2上设置有用于确定通讯地址编号的拨码开关U6，其输出端接至第二控制芯片U2的数字量输入端P2.0~P 2.3，以实现对每个报警检测装置的地址编码；
如图1所示，本发明根据腐蚀电化学原理及pH、Cl-反应原理，利用现代电子技术及SOC芯片(system on chip)采集电压数据并传输，通过信号发生电路34的输出端输出测量腐蚀速率参数的极化电位，通过恒电位电路33驱动电极(图1)建立腐蚀电化学体系，体系包括参考电极322(二氧化锰)、研究电极321(钢筋)、辅助电极323(316L不锈钢)。作为体系中的电极，极化电位施加在研究电极321、参考电极322之间，通过辅助电极323提供测量腐蚀电流密度的电路回路及电流-电压变换，并经控制及信号处理电路35进行采样、处理。其他电极则利用信号发生电路34内部的开关连接到地线引脚上而形成一个完整的回路来实现；当有腐蚀介质进入探针表面时，通过检测pH值、Cl-离子浓度值、开路电位、腐蚀速率及温度值等参数的变化来反映介质对钢筋的腐蚀强度。
如图7所示，本***是通过以下步骤实现检测的：
在钢筋混凝土结构体内安装腐蚀数据检测探针；
给混凝土中钢筋腐蚀在线监测和数据采集***上电并进行初始化操作，包括设定腐蚀检测装置通讯地址编号，其与在混凝土中钢筋腐蚀在线监测和数据采集***的安装位置一一对应；设定pH、Cl-测量参数及腐蚀电极面积等参数的参考值；设定数据采样时间间隔；
根据腐蚀电化学原理及pH、Cl-反应原理采集电压数据并传输，每个数据记录包括采样时间、日期及各参数的值；
按照***设定采样间隔进行定时采集腐蚀监测数据；
采集数据后自动进入待机状态，准备响应***其他指令；
采集电压变化量现场数据并传输步骤，循环进行检测；
检测装置在自动测量时不响应其他服务请求；
当检测***掉电时，检测过程结束；
返回采集电压变化量并传输步骤，进行下一循环检测。

Claims (6)

1.一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，包括多个设置在混凝土中各个检测点上的传感装置和上位监控计算机，所述的上位监控计算机的输入端连接有数据转换电路，每个检测点上的传感装置对应连接有采样信号处理电路，所述的传感装置包括温度传感器和具有同时检测pH值、Cl-离子浓度值、开路电位、极化阻力和腐蚀速率功能的复合式传感器，所述的采样信号处理电路的信号输出端与所述的数据转换电路的信号输入端连接，其特征在于所述的复合式传感器包括并行设置的研究电极、参考电极、辅助电极、pH探针和Cl-探针，所述的研究电极、所述的参考电极、所述的pH探针和所述的Cl-探针均设置在一同轴延伸的管状辅助电极内，所述的采样信号处理电路包括恒电位电路、信号发生电路、信号控制与处理电路、数据传输电路、pH值信号处理电路和Cl-值信号处理电路，所述的pH探针和所述的Cl-探针分别通过所述的pH值信号处理电路和所述的Cl-值信号处理电路与所述的信号控制及处理电路连接，所述的温度传感器与所述的信号控制及处理电路连接，所述的研究电极、所述的参考电极和所述的辅助电极通过所述的恒电位电路和所述的信号发生电路与所述的信号控制及处理电路连接，所述的信号控制及处理电路设置有存储电路和时钟电路，所述的信号控制及处理电路通过所述的数据传输电路与所述的数据转换电路连接。
2.如权利要求1所述的一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，其特征在于所述的温度传感器和所述的复合式传感器设置在一个独立的具有防腐、防潮和防爆功能的壳体内，所述的采样信号处理电路设置在另一个独立的具有防腐、防潮和防爆功能的壳体内，所述的采样信号处理电路浇封在其壳体内，所述的采样信号处理电路的信号输出端通过设置在其壳体上的接线孔与所述的数据转换电路的信号输入端连接。
3.如权利要求1所述的一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，其特征在于所述的温度传感器、所述的复合式传感器和所述的采样信号处理电路同时设置在一个具有防腐、防潮和防爆功能的壳体中，所述的复合式传感器和所述的采样信号处理电路浇封在该壳体内，所述的采样信号处理电路的信号输出端通过设置在该壳体上的接线孔与所述的数据转换电路的信号输入端连接。
4.如权利要求2或3所述的一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，其特征在于所述的壳体为表面经过防腐处理的铝合金壳体。
5.如权利要求1或2或3所述的一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，其特征在于所述的信号发生电路包括型号为DAC8532的信号发生芯片，所述的信号控制与处理电路包括型号为AD7188的第一控制芯片和型号为C8051F345的第二控制芯片，所述的数据传输电路包括型号为ADUM1301的光电耦合芯片和型号为MAX3082的数据传送芯片，所述的第一控制芯片的AIN2输入端与所述的pH值信号处理电路的输出端相连；所述的第一控制芯片的AIN4输入端与所述的Cl-值信号处理电路的输出端相连；所述的第一控制芯片的AIN6～AIN 7输入端分别与所述的恒电位电路的Ecorr2端及Icorr2端相连；所述的第一控制芯片的AIN9端与所述的温度传感器的输出端Tem相连，所述的第二控制芯片通过并行数据总线DA7～DA0及控制总线ALE、RD、WR及DS_CS与所述的时钟电路相连，所述的第二控制芯片通过I2C总线SCL、SDA与所述的存储电路相连，所述的第二控制芯片的通讯控制端RX0、TX0、DE(P1.0)与所述的光电耦合芯片连接。
6.如权利要求5所述的一种混凝土中钢筋腐蚀在线监测***，所述的第二控制芯片上设置有用于确定通讯地址编号的拨码开关。
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