CN114059073A - 结构钢阴极保护参数的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构钢阴极保护参数的测量装置，属于测量技术领域。测量装置包括动力单元、海上环境测量单元、电化学测量单元以及控制单元。其中，动力单元，用于在控制单元的控制下带动测量装置在海洋中运动；海上环境测量单元，用于测量测量装置所处的海洋环境的环境参数；电化学测量单元，用于对结构钢试片的电化学参数进行测量；控制单元，用于根据电化学测量单元测得的电化学参数，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数，结构钢阴极保护参数至少包括最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间。通过该测量装置，可以在海洋环境中测得相关环境下对应的阴极保护参数，提高了在相关海洋环境参数下测得的阴极保护参数的准确性。

Description

结构钢阴极保护参数的测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，提供一种结构钢阴极保护参数的测量装置。

背景技术

海水作为一种强腐蚀介质会对金属结构产生均匀腐蚀或局部腐蚀，影响结构钢的承载安全性。目前，相关领域常采用阴极保护技术控制或防止浸没在海水中的结构钢全部或者部分产生腐蚀，具体的方法是，在相关海洋环境参数下，测量结构钢的阴极保护参数范围，从而为海洋环境中的结构钢的阴极保护数值提供参数范围。

现有技术中，通常是根据提取到的海洋环境参数，在实验室中测得该海洋环境参数对应的阴极保护参数。

但是，因为海洋的动态环境以及不同水深对结构钢的极化影响，导致实验室测得的相关海洋环境参数下的阴极保护参数存在较大误差，从而无法为海洋真实环境下的结构钢的阴极保护提供准确的参数范围。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种结构钢阴极保护参数的测量装置。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种结构钢阴极保护参数的测量装置，该装置包括括动力单元、海上环境测量单元、电化学测量单元以及控制单元；其中，该动力单元，用于在该控制单元的控制下带动该测量装置在海洋中运动；该海上环境测量单元，用于测量该测量装置所处的海洋环境的环境参数；该电化学测量单元，用于对结构钢试片的电化学参数进行测量；该控制单元，用于根据该电化学测量单元测得的电化学参数，确定与该环境参数对应的结构钢阴极保护参数，该结构钢阴极保护参数至少包括最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间。

在其中一个实施例中，该控制单元包括相互连接的主控制器以及水上中继单元；该主控制器与该海上环境测量单元以及该电化学测量单元连接，用于获取该海上环境测量单元测得的该环境参数以及该电化学测量单元测得的该电化学参数；该水上中继单元，用于接收并存储该主控制器传输的该环境参数以及该电化学参数，并用于根据该电化学参数确定与该环境参数对应的该结构钢阴极保护参数。

在其中一个实施例中，该水上中继单元包括储能组件；该储能组件，用于为该海上环境测量单元、该电化学测量单元、该主控制器以及该动力单元供电。

在其中一个实施例中，该水上中继单元还包括路由组件；该路由组件，用于接收测量环境设置参数；该主控制器，用于根据该测量环境设置参数控制该动力单元带动该测量装置在海洋中运动。

在其中一个实施例中，该装置还包括陀螺仪，该陀螺仪与该主控制器连接；该主控制器，用于获取该陀螺仪测得的该测量装置的姿态参数；该主控制器，还用于根据该姿态参数以及该测量环境设置参数控制该动力单元带动该测量装置在海洋中运动。

在其中一个实施例中，该海上环境测量单元包括压力深度计、温度计、湿度计以及流速传感器中的至少一种；其中，该压力深度计，用于测量该测量装置在海洋中的深度；该温度计，用于测量该测量装置所处的海洋环境的温度；该湿度计，用于测量该测量装置所处的海洋环境的湿度；该流速传感器，用于测量该测量装置所处的海洋环境中洋流的速度。

在其中一个实施例中，该电化学测量单元包括电化学工作站以及吊篮，该吊篮中设置有该结构钢试片、参比电极以及辅助电极，其中，该参比电极以及该辅助电极位于相邻的两个该结构钢试片之间；该电化学工作站包括工作电极接口、参比电极接口、辅助电极接口以及电源接口，其中，该工作电极接口与该结构钢试片连接，该辅助电极接口与该辅助电极连接，该参比电极接口与该参比电极连接，该电源接口与该水上中继单元的储能组件连接。

在其中一个实施例中，该该电化学工作站还包括数据接口，该数据接口与该主控制器连接；该电化学工作站，用于通过该数据接口将测得的该电化学参数传输至该主控制器。

在其中一个实施例中，该动力单元包括螺旋桨、直流无刷电机以及整流罩；其中，该直流无刷电机，用于在该主控制器的控制下带动该螺旋桨运动。

在其中一个实施例中，该测量装置还包括主框架、设置于该主框架上的横梁以及与该横梁连接的吊钩；该控制单元、该海上环境测量单元、该电化学工作站以及该动力单元均固定设置于该横梁上。该吊篮与该吊钩连接。

在其中一个实施例中，该测量装置还包括浮力挂件；该浮力挂件，增加该测量装置的浮力以及稳定该测量装置的重心。

在其中一个实施例中，该电化学参数包括多条阻抗电位曲线；该控制单元，具体用于将每条该阻抗电位曲线中的第一个阻抗值-电位值拐点作为最佳保护电位，第二个阻抗值-电位值拐点作为析氢电位，从多个该最佳保护电位中确定最小最佳保护电位，从多个该析氢电位中确定最大析氢电位，将该最大析氢电位和该最小最佳保护电位之间的区间作为该最佳保护电位区间。

在其中一个实施例中，该电化学参数还包括极化曲线；该控制单元，具体用于将该极化曲线与该最佳保护电位区间拟合，得到该最佳保护电流密度区间。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本申请实施例中，提供了一种可以在海洋环境中运行的测量结构钢阴极保护参数的测量装置，该装置包括动力单元、海上环境测量单元、电化学测量单元以及控制单元。其中，动力单元可以在控制单元的控制下带动测量装置在海洋中运动，并到达测量环境设置参数对应的海洋环境中；海上环境测量单元可以测得测量装置所处的海洋环境的环境参数；控制单元可以根据电化学测量单元测得的电化学参数，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数。这样，该测量装置，一方面可以实现结构钢在不同环境因素条件下的电化学参数的测量，另一方面可以根据测得的电化学参数，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数。因此，该测量装置可以测得真实海洋环境下的阴极保护参数，提高了相关环境参数下测得的阴极保护参数的准确性。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置的结构框图；

图2为本申请实施例提供的一种控制单元的结构框图；

图3为本申请实施例提供的一种海上环境测量单元的结构框图；

图4为本申请实施例提供的极化曲线图；

图5为本申请实施例提供的一种电化学测量单元的结构框图；

图6为本申请实施例提供的一种电化学工作站及吊篮的结构图；

图7为本申请实施例提供的一种吊篮的结构图；

图8为本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的一种结构钢自腐蚀等效电路图；

图10为本申请实施例提供的结构钢阻抗电位曲线示意图；

图11为本申请实施例提供的一种阴极反应等效电路图；

图12为本申请实施例提供的获取结构钢最佳保护电流密度示意图；

图13为本申请实施例提供的获取结构钢最佳保护电位区间及最佳保护电流密度区间的流程图；

图14为本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置的俯视图；

图15为本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置的断面图；

图16为本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置的左视图。

附图标记说明：

10、结构钢阴极保护参数的测量装置；

20、终端；

100、控制单元；

200、海上环境测量单元；

300、动力单元；

400、电化学测量单元；

110、水上中继单元；

120、主控制器；

111、储能组件；

112、路由组件；

201、压力深度计；

202、温度计；

203、湿度计；

204、流速传感器；

410、吊篮；

420、电化学工作站；

411、结构钢试片；

412、参比电极；

413、辅助电极；

414、试片支架；

415、吊篮外框；

416、J形管；

421、工作电极接口；

422、参比电极接口；

423、辅助电极接口；

424、数据接口；

425、电源接口；

426、外壳；

427、外壳夹具；

428、密封接头；

501、陀螺仪；

502、主框架；

503、横梁；

504、吊钩；

505、浮力挂件；

506、固定夹具；

507、脐带缆。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的便携式移动电源和永磁断路器***进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

海水作为一种强腐蚀介质会对金属结构产生均匀腐蚀或局部腐蚀，影响结构钢的承载安全性。目前，相关领域常采用阴极保护技术控制或防止浸没在海水中的结构钢全部或者部分产生腐蚀，具体的方法是，在相关海洋环境参数下，测量结构钢的阴极保护参数范围，从而为海洋环境中的结构钢的阴极保护数值提供参数范围。

现有技术中，通常是根据提取到的海洋环境参数，在实验室中测得该海洋环境参数对应的阴极保护参数。

但是，因为海洋的动态环境以及不同水深对结构钢的极化影响，导致实验室测得的相关海洋环境参数下的阴极保护参数存在较大误差，从而无法为海洋真实环境下的结构钢的阴极保护提供准确的参数范围。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种结构钢阴极保护参数的测量装置，可以在真实海洋环境下测量结构钢的阴极保护参数，从而提高了相关海洋参数***极保护参数测量的准确性。

请参考图1，其示出了本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置10的结构框图，如图1所示，该结构钢阴极保护参数的测量装置10可以包括动力单元300、海上环境测量单元200、电化学测量单元400以及控制单元100。

其中，动力单元300，用于在控制单元100的控制下带动测量装置10在海洋中运动；海上环境测量单元200，用于测量测量装置10所处的海洋环境的环境参数；电化学测量单元400，用于对结构钢试片411的电化学参数进行测量；控制单元100，用于根据电化学测量单元400测得的电化学参数，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数，结构钢阴极保护参数至少包括最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间。

其中，本实施例中的阴极保护参数是指海洋环境中被保护的金属在阴极保护的状态下，避免或减弱腐蚀发生所需要满足的参数；其中，阴极保护作为电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，使得被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生；海洋环境的环境参数包括海洋中的水深、水的温度、水的湿度以及水的流速等参数；结构钢试片411是指待测的结构钢，通过测量装置10测得该结构钢的阴极保护参数，从而为相应环境下的结构钢的阴极保护提供参数范围。

在本申请实施例中，结构钢阴极保护参数的测量装置10的测量的过程为：首先，控制测量装置10运行到不同的海洋环境中；因为，在不同的海洋环境下，测得的结构钢的电化学参数不同，遂根据电化学参数确定的结构钢的阴极保护参数更不同，所以，需要控制测量装置10对结构钢在不同环境因素条件下的电化学参数进行测量；在本申请实施例中，由控制单元100接收测量环境设置参数，并根据该测量环境设置参数，控制动力单元300带动测量装置10运行至与该测量环境设置参数匹配的海洋环境中。其次，测量结构钢试片411的电化学参数；可选的，电化学参数可以是阻抗电位曲线、极化曲线，也可以是塔菲尔曲线、动电位极化、循环极化电偶电流；在本申请实施例中，是由电化学测量单元400对结构钢试片411的电化学参数进行测量。再次，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数；在本申请实施例中，是由控制单元100获取电化学测量单元400测得的结构钢试片411的电化学参数，并根据该电化学参数确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数。

在本申请实施例中，结构钢阴极保护参数至少包括最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间。其中，最佳保护电位区间是指在阴极保护的状态下，为避免或减弱金属腐蚀，阴极电位所需要满足的参数区间；最佳保护电流密度区间是指在阴极保护的状态下，为避免或减弱金属腐蚀，阴极电流密度所需要满足的参数区间。在阴极保护技术中，阴极保护参数的设定对阴极保护效果具有决定性的影响，其中，最佳保护电位区间和最佳保护电流密度区间是最重要的两个参数，这两个参数可以表征和判断被保护的金属是否达到了被保护的状态。此外，需要注意的是，根据结构钢阴极保护的需要，对结构钢施加的保护电位不能对结构钢造成负面影响，比如，在传统技术中，保护电位过负会形成“过保护”现象，这种电位过负的“过保护”现象会导致结构钢所在的阴极产生析氢现象，不利于结构钢的防腐蚀保护，所以，本申请实施例会根据相关的手段合理的选取阴极最佳保护电位区间及最佳保护电流密度区间。

在本申请实施例中，提供了一种可以在海洋环境中运行的测量结构钢阴极保护参数的测量装置10，该装置包括动力单元300、海上环境测量单元200、电化学测量单元400以及控制单元100。其中，动力单元300可以在控制单元100的控制下带动测量装置10在海洋中运动，并到达测量环境设置参数对应的海洋环境中；海上环境测量单元200可以测得测量装置10所处的海洋环境的环境参数；控制单元100可以根据电化学测量单元400测得的电化学参数，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数。这样，该测量装置10，一方面可以实现结构钢在不同环境因素条件下的电化学参数的测量，另一方面可以根据测得的电化学参数，确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数。因此，该测量装置10可以测得真实海洋环境下的阴极保护参数，提高了相关环境参数下测得的阴极保护参数的准确性。

请参考图2，在本申请的一个实施例中，控制单元100包括相互连接的主控制器120以及水上中继单元110。

其中，主控制器120采用微控制器，其***时钟最高为168MHz，内存为196KB，拥有UART、SPI、llC和以太网等通信接口以及定时器、模数转换等众多外设；此外，主控制器120与水上中继单元110由特殊改良的PE材料绝缘脐带缆507连接。

在本申请实施例中，主控制器120与海上环境测量单元200以及电化学测量单元400连接，用于获取海上环境测量单元200测得的环境参数以及电化学测量单元400测得的电化学参数；其中，可选的，主控制器120与海上环境测量单元200可以使用数模转换AD写入接口、并串行IO接口或者集成电路总线串行IIC接口连接。可选的，主控制器120可以周期性地获取海上环境测量单元200测得的环境参数以及电化学测量单元400测得的电化学参数，也可以实时地获取该环境参数以及该电化学参数。

在本申请实施例中，水上中继单元110，用于接收并存储主控制器120传输的环境参数以及电化学参数，并用于根据电化学参数确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数；其中，水上中继单元110利用电力线载波与主控制器120进行数据传输，并同时保存测量数据，也就是说，主控制器120通过PLC模块与水上中继单元110进行桥接通信。

此外，在本申请实施例中，水上中继单元110包括储能组件111；储能组件111，用于为海上环境测量单元200、电化学测量单元400、主控制器120以及动力单元300供电。其中，该储能组件111是通过脐带缆507为海上环境测量单元200、电化学测量单元400、主控制器120以及动力单元300供电，可选的，储能组件111可以是锂电池、蓄电池等电源。水上中继单元110还包括路由组件112，可选的，路由组件112可以是路由器；路由组件112，用于接收测量环境设置参数，可选的，路由组件112可以接收终端20传输的测量环境设置参数，其中，终端20还可以用于相关信息的显示，以及实现与用户的交互，需要指出的是，终端20可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备，本申请实施例不对其具体类型进行限定。

在本申请实施例中，主控制器120，用于根据测量环境设置参数控制动力单元300带动测量装置10在海洋中运动。具体的实现过程是：首先，水上中继单元110通过路由组件112接受终端20输出的测量环境设置参数；其次，水上中继单元110将该测量环境设置参数利用电力线载波的方式传输至主控制器120；再次，主控制器120根据接收到的该测量环境设置参数控制动力单元300带动测量装置10在海洋中运动。

请参见图3，在本申请的一个实施例中，海上环境测量单元200包括压力深度计201、温度计202、湿度计203以及流速传感器204中的至少一种。

其中，压力深度计201，用于测量测量装置10在海洋中的深度；温度计202，用于测量测量装置10所处的海洋环境的温度；湿度计203，用于测量测量装置10所处的海洋环境的湿度；流速传感器204，用于测量测量装置10所处的海洋环境中洋流的速度。可选的，主控制可以与压力深度计201通过数模转换AD写入接口进行连接，主控制可以与温度计202、湿度计203通过并串行IO接口进行连接，主控制可以与流速传感器204通过集成电路总线串行IIC接口进行连接。

在本申请的一个可选实施例中，压力深度计201可以采用DLK207防水型压力传感器，利用该压力传感器获取结构钢阴极保护参数的测量装置10所处位置的水压，通过换算得到深度数据，深度数据打包到发送至主控制器120缓冲区。此外，主控制器120对测量装置10的深度进行闭环控制。在主控制器120对测量装置10的深度数据进行闭环控制的情况下，主控制器120向该压力传感器请求传感器数据，该压力传感器在收到该请求后向主控制器120返回深度数据，主控制器120应用该深度数据到控制算法中，得到深度控制维度的输出量，这个输出量作用到与深度控制相关的动力单元300中，驱动该测量装置10运动并使其深度稳定在水上中继单元110接收到的深度设置参数。

此外，如图4所示，通过实际测量数据可知，所需极化电流密度值在静态0m/S情况下的在测量数据与实海中4m/S流速情况下的测试数据存在倍数差，因此为了研究海洋环境中基础结构钢的真实极化特性，在本申请实施例中，将海水的流速作为重要的环境参数，与现有技术在实验室中忽略流速测得的阴极保护参数相比，本申请实施例通过测量处在不同流速下的结构钢试片411的阴极保护参数，提高了在相关环境下测得的阴极保护参数的准确性。

请参见图5，其示出了本申请实施例的电化学测量单元400的结构框图，如图5所示，电化学测量单元400包括电化学工作站420以及吊篮410。

进一步的，请参见图6，其示出了本申请实施例的电化学工作站420以及吊篮410的结构图，如图6所示，吊篮410中设置有多组结构钢试片411、参比电极412以及辅助电极413，并且，参比电极412以及辅助电极413位于相邻的两个结构钢试片411之间；电化学工作站420包括工作电极接口421、参比电极接口422、辅助电极接口423以及电源接口425，且这四个接口均设置在密封接头428上，其中，工作电极接口421与结构钢试片411连接，辅助电极接口423与辅助电极413连接，参比电极接口422与参比电极412连接，电源接口425与水上中继单元110中的储能组件111连接。电化学工作站420还包括数据接口424，数据接口424与主控制器120连接；电化学工作站420，用于通过数据接口424将测得的电化学参数传输至主控制器120。

其中，可选的，电化学工作站420的数据接口424可以为差分平衡驱动RS-485接口，并通过RS485连接线与主控制器120中的信号采集板进行连接，该数据接口424主要用于接收启动信号以及反馈测量信息。

在本申请实施例中，电化学工作站420输出电极包括结构钢试片411、参比电极412、辅助电极413。可选的，电化学工作站420最多可以进行255个电信号任意组合，其中，电化学工作站420自动测量可任意施加信号包括：电位阶跃、电流阶跃、电位扫描、电流扫描、开路电位，并在施加阶跃、扫描信号的同时测量交流阻抗。在本申请的一个可选实施例中，电化学工作站420可以结合恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪，用于向电极施加电位或电流，测量电极及其体系所反馈的电流或电位信号。

在本申请实施例中，电化学工作站的外壳426的外壳夹具427，用于将电化学工作站420固定于测量装置10内，其中，该外壳426整体可以为铝合金密封材质。可选的，在电化学工作站420中可以设置连接面板，该控制面板可以进行外设及通信设备的连接，并且，在该控制面板上可以设置运指示灯，用于指示电化学工作站420运行的状况。此外，电化学工作站420设置有电源接口425，该电源接口425与水上中继单元110中的储能组件111连接，可选的，电化学工作站420内可以设置电源插座，该电源插座可以内置2个保险管，其中，该电源插座可以与电源接口425连接，并通过该电源插座为电化学工作站420中各个模块提供电能。

在本申请的一个可选实施例中，电化学测量单元400的辅助电极413的施加电位范围可以为-20V～+20V，电位输出施加的电位精度可以为输出电位的0.2％，工作电极的电流测量可以在±1pA～±100mA，电化学测量单元400测量电流的分辨率可以在电流范围的0.00006％，电化学测量单元400施加的电流分辨率可以为0.00013％，电化学测量单元400施加的电流精度可以为0.2％，电化学测量单元400施加的交流阻抗频率范围可以为10μHz～3MHz。此外，电化学测量单元400中设置了交流阻抗拟合软件，该交流阻抗拟合软件可以组成等效电路，拟合时可以自动计算初始值。需要注意的是，电化学测量单元400采用计时扫描方法，可设置最多255个不同电位/电流，最多进行65535次循环，电信号可任意组合并进行自动测量。其中，电化学测量单元400可以测量的曲线包括：极化曲线、极化电阻、塔菲尔曲线、动电位极化、循环极化以及电偶电流。

在本申请实施例中,吊篮外框415使用铝合金材质，焊接成40*40*30cm外框415，该外框415设置8个直径

的穿管孔，用于穿设4根试片支架414。该试片支架414为PVC管材，管材直径

长度50cm，用于穿设电极与电化学工作站420的连接电缆。此外，吊篮外框415还包括J形管416，其中，试片支架414与吊篮外框415的J形管416进行连接并用环氧树脂密封，其中连接方式包括铰接、卡接、活动铆接、轴承连接、螺纹连接或其他连接方式。

在本申请实施例中，吊篮410中设置有多组结构钢试片411、参比电极412以及辅助电极413，可选的，结构钢试片411所在的电极在吊篮410中为工作电极、直径

的Ag/Cl电极为参比电极412、直径

的Pt-Ir合金丝为辅助电极413，该参比电极412在海水中的腐蚀速度小电位稳定，可选的，在测量较长周期的极化时间或衰减时间的情况下，为防止辅助电极413引线被损坏引起的Pt-Ir合金丝脱落，采用一体式Ti金属混合氧化物电极作为辅助电极413进行电化学检测。此外，结构钢试片411加工成工作面为30cm×1cm×5cm的试样，面对面方式排列，参比电极412以及辅助电极413位于相邻的两个结构钢试片411之间，在这种结构下，电化学测量单元400可以同时对多块试片进行检测。可选的，结构钢试片411可以为DH36、Q235、16Mn等多种低碳结构钢试片411。

此外，吊篮410中设置的多组结构钢试片411、参比电极412以及辅助电极413固定在试片支架414上。其中，试片支架414上设置有多个直径为

和直径为

的圆孔，用于将直径

的Ag/Cl参比电极412以直径

的Pt-Ir合金丝辅助电极413固定在试片支架414上，可选的固定方法为：将参比电极412或者辅助电极413的尾部穿过上述试片支架414的圆孔，焊接封装至试片支架414上。同时，结构钢试片411的背面机械连接铜导线，侧面及背面均用环氧树脂胶包封，制成电化学测量的工作电极，测试前该结构钢试片411用200-800目砂纸对工作面进行了打磨，并且，固定至试片支架414上。在本申请的一个可选实施例中，参比电极412及辅助电极413与结构钢试片411的相对位置如图7所示，参比电极412固定在结构钢试片411的1cm处，用于全浸没时结构钢试片411电位的检测；辅助电极413固定在结构钢试片3cm处。Pt-Ir合金丝的裸露长度可以为8mm。

在本申请实施例中，电化学工作站420的工作电极接口421与结构钢试片411连接，辅助电极接口423与辅助电极413连接，参比电极接口422与参比电极412连接，可选的连接方式为：参比电极412的尾部与电化学工作站420的参比电极接口422通过电缆连接，辅助电极413的尾部与电化学工作站420的辅助电极接口423通过电缆连接，结构钢试片411背面机械连接的铜导线与电化学工作站420的工作电极接口421连接，其中，上述电缆及铜导线通过试片支架414的PVC管及吊篮外框415的J形管416，使得电化学工作站420的电极接口与吊篮410的电极连接，需要注意的是，上述电缆及铜导线以热塑环氧树脂固定密封满足IP67等级，保证电极之间不会浸水短路，同样，试片支架414与吊篮外框415的J形管416进行连接的接口用环氧树脂密封并满足IP67等级。

在本申请的一个实施例中，动力单元300包括螺旋桨、直流无刷电机以及整流罩；

其中，直流无刷电机，用于在主控制器120的控制下带动螺旋桨运动；整流罩，用于防止动力单元300受水动力、及声振等有害环境的影响；螺旋桨，是指靠桨叶在水中旋转，推动测量装置10运动的器件。

在本申请的一个可选实施例中，主控制器120不能够直接驱动直流无刷电机，需要利用脉冲宽度调制PWM技术通过其内部定时器产生控制信号输入到电子调速器，再由电子调速器直接控制直流无刷电机的转速。可选的，直流无刷电机的功率不小于5kW，向前推力不小于34kg，侧向推力不小于17kg，垂直推力不小于17Kg。此外，上述直流无刷电机的防水需满足IP67等级，并且耐压值需达到水深50米，这是因为，动力单元300在带动测量装置10运行时，该动力单元300暴露在水中，防水密封将保障直流无刷电机正常工作，防止短路导致整个测量装置10运行瘫痪。

在本申请的一个可选实施例中，动力单元300的控制算法可以对惯性坐标系O-X-Y-Z维度进行控制，其中O-X指向正北，O-Y指向正东，O-Z指向地心。同确立测量装置10运动和姿态控制的目标，设定的控制目标应用控制算法实现。测量装置10运动和姿态控制的目标根据具体的硬件条件来确定，包括进退、横移、潜浮、回转、俯仰，设置相应的硬件实现该自由度的控制。该自由度的运动能力的前提下，设置相应的传感器来反馈传感数据，多数进行闭环反馈控制，部分进行开环控制。总体方案分析可知，测量装置10具备进退、偏航、潜浮和俯仰四个维度的运动能力，结合该测量装置10主要用来获取水下极化曲线的主要用途，则对采样影响大的是偏航、潜浮，在这些维度上若不能进行有效的控制，将导致无法准确定位测量环境与测量参数。因此，对测量装置10的偏航角、深度和俯仰角进行闭环控制，对进退的速度进行开环控制。

请参见图8，本申请实施例提供的一种结构钢阴极保护参数的测量装置10，还包括陀螺仪501、主框架502、设置于主框架502上的横梁503、与横梁503连接的吊钩504以及浮力挂件505。

其中，陀螺仪501与主控制器120连接，该陀螺仪501用于测量结构钢阴极保护参数的测量装置10的姿态参数；主控制器120，用于获取陀螺仪501测得的测量装置10的姿态参数；主控制器120，还用于根据姿态参数以及测量环境设置参数控制动力单元300带动测量装置10在海洋中运动。此外，控制单元100、海上环境测量单元200、电化学工作站420以及动力单元300均固定设置于横梁503上，吊篮410与吊钩504连接，浮力挂件505用于增加测量装置10的浮力以及稳定测量装置10的重心。

在本申请的一个可选实施例中，测量装置10的主框架502采用50×50×2mm的方形不锈钢钢管，整体结构抗腐蚀；测量装置10的横梁503与主框架502焊接在一起，是整个框架中受力最大的部位，横梁503方管采用截面为50×50mm，厚度为2mm的型材，整体长度为500mm，横梁503上加工有两个距离为230mm直径为22mm的孔，孔的下部焊有直径为60mm的垫片，用于固定电化学工作站420；测量装置10的吊钩504通过螺母与横梁503连接，是最终的受力点，属于应力集中部位。测量装置10的主框架502、横梁503以及吊钩504强度和刚度均达到235MPa。此外，主框架502和横梁503上设置有多个固定夹具506，用于固定测量装置10内的负载及工具。

在本申请的一个实施例中，电化学参数包括极化曲线和多条阻抗电位曲线；

控制单元100，具体用于将每条阻抗电位曲线中的第一个阻抗值-电位值拐点作为最佳保护电位，第二个阻抗值-电位值拐点作为析氢电位，从多个最佳保护电位中确定最小最佳保护电位，从多个析氢电位中确定最大析氢电位，将最大析氢电位和最小最佳保护电位之间的区间作为最佳保护电位区间；控制单元100，还具体用于将极化曲线与最佳保护电位区间拟合，得到最佳保护电流密度区间。

自然海水条件下，结构钢的自腐蚀电位下同时进行两个电极反应，阴极反应和阳极反应。在此时测得的阻抗电位曲线是阴阳极综合反应的结果。如图9的结构钢自腐蚀等效电路图，混合电位阻抗谱的测量等效为：1/Rt＝1/Rte+1/Rtc。其中，Rt是电极反应的总的电极反应电阻，Rte是阳极反应的电荷转移电阻，Rtc是阴极反应的电荷转移电阻。在阴极保护过程中，电极电位负向移动，阳极反应电阻Rte逐渐增大，阴极反应电阻Rtc逐渐减小。在处于自腐蚀电位的情况下，Rtc与Rte基本相同，材料表面的腐蚀反应在混合控制下进行。随着阴极保护电位的变化，也即是，在所施加的阴极极化电位的变化的情况下，Rt值会出现明显的增大或者减小的现象。在电荷转移电阻随电位的负移而出现增大的趋势的情况下，也即是，电极反应电阻增大阻止腐蚀体系中腐蚀反应的进行，当阴极极化到一定程度时，阴极电位下的Rtc似等于混合电位下的Rt，电极表面近似认为是单一的阴极反应，此时阴极反应进行而阳极反应终止。如图10的结构钢阻抗电位曲线示意图，拐点1为该条阻抗电位曲线中的第一个阻抗值-电位值拐点，将拐点1对应的电位作为阴极极化的最佳保护电位。

在阴极极化电位负移到一定的电位之后，除在阳极出现氧的阴极还原反应之外，还出现了氢的阴极还原反应。如图11的阴极反应等效电路图所示，应用电化学工作站EIS功能转换阴极电荷转移阻抗等效电路为：1/Rtc＝1/Rto+1/Rth，其中，Rto为氧还原反应电荷转移电阻，Rth为析氢反应的电荷转移电阻。当Rth比较大趋近于∞时，阴极反应中析氢反应所占的比例小，其对整个***所造成的影响也比较小，所以Rtc与氧的阴极还原反应电阻Rto近似相等，Rtc随着电极电位E的负移逐渐减小。当采用阴极保护技术产生析氢反应时，Rth从∞减小至趋近于Rto，共同影响Rt变小，相应的Rt值也会逐渐的变小。在图10中，在电位负于某值的情况下，会出现一个明显的阻抗进一步减小的拐点2，因此将拐占2所对应的位置作为析氢反应的电位。

在本申请的一个可选实施例中，阻抗测量***采用三电极体系，Ag/CL作为参比电板，铂铌板作为辅助电极，试样样片作为工作电极，在测试过程中根据实验条件选用界面参数，激励电压幅值10mV，扫描频率为10mHz～100KHz。根据厂址海洋环境，设定测量水深参数，动力单元带动测量装置10运行至指定水域进行测量。阻抗电位曲线通过电化学测量单元400对Q235结构钢材料在不同流速时的电荷转移电阻与电位之间的关系得到。工作电极电位变化期间，电化学测量单元400采集电压、电流、阻抗信号传输至主控制器120的数据采样板，数据通过脐带缆507传输至水上中继单元110进行存储及读取。对典型Q235结构钢的最佳保护电流密度提取方法如下：

如图12所示，在流速0m/s时，30米水深进行测量。电化学测量单元400的辅助电极输出电流，工作电极电位负移，电荷转移电阻Rt值出现先增大后变小的趋势。持续输出激励电压，工作电极保护电位继续负移，在电位为-A时Rt值达到了最大值，电位更负时，Rt值持续下降。在电位为-A1时出现拐点，即认为在电位-A1为材料的析氢电位点。通过拐点确认Q235结构钢在0m/s流速时的最佳保护电位是-A，析氢电位为-A1附近。在流速6m/s时，30米水深进行测量。测量装置10辅助电极输出电流，Q235结构钢的电荷转移电阻Rt，随着电位的变化出现先增大后减小，在-C1之后出现再次稍微增大再次减小的现象，阻抗在整体处于减小的趋势范围内。通过首次增大拐点确认材料的最佳保护电位在-C附近，析氢电位拐点在-C1附近。则可得出表1，即最佳电位取样表。

表1最佳电位取样表

可选的，采用同样的试样方法可对DH36、16Mn、304L、316L等材料进行阻抗电位测量，试片可进行带涂层或不带涂层测量。测量各材料在不同水深、流速条件下的阻抗电位数据，进行等效电路拟合获得电荷转移电阻Rt随电位变化的关系，根据分析得到不同材料不同流速的最佳保护电位和析氢电位。

在确定Q235结构钢最佳保护电位-A与析氢电位-A1后，结合极化测量曲线确定不同流速下的最佳保护电流密度ic与，并且，可以计算出总的保护需求电流为Ic＝Ac*ic*fc，其中Ac为结构钢保护面积，ic为最佳电位下的最佳保护电流密度，fc为涂层破损系数。在对Q235结构钢进行阴极保护投运的情况下，将最大的电流密度作为保护参数的输入，将不同流速下的最佳保护电位-A/-C与析氢电位-A1/-C1设置为结构钢的阴极保护数值。在此基础上，确定最佳保护电位区间的方法为：从多个最佳保护电位中确定最小最佳保护电位，从多个析氢电位中确定最大析氢电位，将最大析氢电位和最小最佳保护电位之间的区间作为最佳保护电位区间。对于Q235结构钢来说，将最大析氢电位-C1与最小最佳保护电位-A的区间，作为最佳保护电位区间。接着，在确定了最佳保护电位区间的基础上，确定最佳保护电流密度区间的方法为：将极化曲线与最佳保护电位区间拟合，进而得到最佳保护电流密度区间。对于Q235结构钢来说，将得到的Q235结构钢的最佳保护电位区间(-C1,-A)，与图12中的极化曲线进行拟合，得到-C1对应最佳保护电流密度ia，-A对应最佳保护电流密度ia，则Q235结构钢最佳保护电流密度区间为(ia,i)。

请参见图13，其示出了获取Q235结构钢最佳保护电位区间及最佳保护电流密度区间的流程图。如图13所示，该步骤包括：

S101，水上中继单元接收测量环境设置参数。

S102，自腐蚀电位测量。

在该步骤中，是由电化学测量单元对该自腐蚀电位进行测量。

S103，循环伏安法极化曲线测量。

其中，循环伏安法极化曲线测量的方法是：由电化学测量单元对Q235结构钢的电位电流密度进行扫描，扫描范围自腐蚀电位正负600～800mV，以阶梯波伏安进行，扫描速率20mV/min。

S104，测量阻抗。

其中，测量阻抗的方法是：以10μHz-4MHz施加一个小幅度的电位信号以正弦波的形式叠加到该结构钢的电位，保存某个电位下的结果。

S105，交流阻抗-电位扫描。

在该步骤中，是由电化学测量单元对Q235结构钢在不同流速下的阻抗-电位进行扫描，进而得到不同流速下的Q235结构钢的阻抗电位曲线。

S106，数据保存。

在该步骤中，将上述步骤中得到的Q235结构钢的极化曲线以及阻抗电位曲线保存至水上中继单元中。

S107，提取阻抗值-电位值拐点电位。

其中，提取阴极极化阻抗拐点电位的方法是：首先，对保存的每条阻抗电位曲线进行正切，将正切值变化趋近于零的最小值判定为该条阻抗电位曲线的阻抗拐点；其次，将每条阻抗电位曲线的首个阻抗值-电位值拐点作为该流速下的最佳保护电位，将每条阻抗电位曲线的第二个阻抗值-电位值拐点作为该流速下的析氢电位。

S108，提取最佳保护电位区间。

该步骤中，提取最佳保护电位区间的方法为：从上述多个最佳保护电位中确定最小最佳保护电位，从上述多个析氢电位中确定最大析氢电位，将最大析氢电位和最小最佳保护电位之间的区间作为最佳保护电位区间。

S109，提取最佳保护电流密度区间。

该步骤中，将最佳保护电位区间与极化曲线进行拟合，进而得到最佳保护电流密度区间。

由此，根据上述步骤，即可以得到Q235结构钢的最佳保护电位区间为(-C1,-A)，最佳保护电流密度区间(ia,i)。

S110，数据保存。

该步骤中，将提取到的最佳保护电位区间及最佳保护电流密度区间保存至水上中继单元中。

请参见图14-图16，其中，图14为一种结构钢阴极保护参数的测量装置的俯视图，图15为该测量装置的断面图，图16为该测量装置的左视图，如图14-图16所示，该结构钢阴极保护参数的测量装置10包括主框架502、横梁503、吊钩504。

其中，横梁503与主框架502焊接在一起，是整个框架中受力最大的部位，吊钩504通过螺母与横梁503连接，是最终的受力点，属于应力集中部位。主框架502采用50×50×2mm的方形不锈钢钢管，横梁503方管采用截面为50×50mm，厚度为2mm的型材，整体长度为500mm。并且，主框架502、横梁503以及吊钩504强度和刚度均达到235MPa。

在本申请实施例中，该结构钢阴极保护参数的测量装置10还包括水上中继单元110、主控制器120、海上环境测量单元200、动力单元300、电化学工作站420以及吊篮410。其中，吊篮410通过吊钩504与横梁503连接，其余前述负载通过主框架502和横梁503上设置的多个固定夹具506固定于横梁503上。

上述动力单元300，用于在控制单元100的控制下带动测量装置10在海洋中运动；海上环境测量单元200，用于测量测量装置10所处的海洋环境的环境参数。主控制器120与海上环境测量单元200连接，用于获取海上环境测量单元200测得的环境参数。

上述电化学工作站420以及吊篮410组成的整体，用于对结构钢试片411的电化学参数进行测量。吊篮410中设置有多组结构钢试片411、参比电极412以及辅助电极413，电化学工作站420包括工作电极接口421、参比电极接口422、辅助电极接口423，其中，工作电极接口421与结构钢试片411连接，辅助电极接口423与辅助电极413连接，参比电极接口422与参比电极412连接，具体的连接方式是：电缆通过试片支架414的PVC管及吊篮外框415的J形管416，使电化学工作站420的电极接口与吊篮410的电极连接。此外，电化学工作站420将测得的电化学参数，通过RS485连接线传输至主控制器120。

上述水上中继单元110与主控制器120通过脐带缆507连接，用于接收并存储主控制器120传输的环境参数以及电化学参数，用于为测量装置10供电，用于根据电化学参数确定与环境参数对应的结构钢阴极保护参数，还用于接收测量环境设置参数。主控制器120，用于根据测量环境设置参数控制动力单元300带动测量装置10在海洋中运动。

在本申请实施例中，该结构钢阴极保护参数的测量装置10还包括陀螺仪501、浮力挂件505。其中，陀螺仪501与主控制器120连接，该陀螺仪501用于测量结构钢阴极保护参数的测量装置10的姿态参数；主控制器120，用于获取陀螺仪501测得的测量装置10的姿态参数；主控制器120，还用于根据姿态参数以及测量环境设置参数控制动力单元300带动测量装置10在海洋中运动；浮力挂件505用于增加测量装置10的浮力以及稳定测量装置10的重心。

在本申请实施例中，结构钢阴极保护参数至少包括最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间，上述测量装置获取结构钢阴极保护参数的过程为：第一，水上中继单元110接收测量环境设置参数；第二，主控制器120从水上中继单元110中获取该测量环境设置参数；第三，主控制器120根据测量环境设置参数控制动力单元300带动测量装置10运动至对应位置；第四，主控制器120控制电化学工作站420测量吊篮410中的多组结构钢试片411的极化曲线，并测量不同流速下的多组结构钢试片411的阻抗电位曲线；第五，电化学工作站420将测得的上述极化曲线以及阻抗电位曲线，通过RS485连接线传输至主控制器120；第六，主控制器120通过PLC模块将该极化曲线以及阻抗电位曲线传输至水上中继单元110；第七，水上中继单元110保存该极化曲线以及阻抗电位曲线，并从该极化曲线以及阻抗电位曲线中提取出最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种结构钢阴极保护参数的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括动力单元、海上环境测量单元、电化学测量单元以及控制单元；

所述动力单元，用于在所述控制单元的控制下带动所述测量装置在海洋中运动；

所述海上环境测量单元，用于测量所述测量装置所处的海洋环境的环境参数；

所述电化学测量单元，用于对结构钢试片的电化学参数进行测量；

所述控制单元，用于根据所述电化学测量单元测得的电化学参数，确定与所述环境参数对应的结构钢阴极保护参数，所述结构钢阴极保护参数至少包括最佳保护电位区间以及最佳保护电流密度区间。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元包括相互连接的主控制器以及水上中继单元；

所述主控制器与所述海上环境测量单元以及所述电化学测量单元连接，用于获取所述海上环境测量单元测得的所述环境参数以及所述电化学测量单元测得的所述电化学参数；

所述水上中继单元，用于接收并存储所述主控制器传输的所述环境参数以及所述电化学参数，并用于根据所述电化学参数确定与所述环境参数对应的所述结构钢阴极保护参数。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述水上中继单元包括储能组件；

所述储能组件，用于为所述海上环境测量单元、所述电化学测量单元、所述主控制器以及所述动力单元供电。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述水上中继单元还包括路由组件；

所述路由组件，用于接收测量环境设置参数；

所述主控制器，用于根据所述测量环境设置参数控制所述动力单元带动所述测量装置在海洋中运动。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括陀螺仪，所述陀螺仪与所述主控制器连接；

所述主控制器，用于获取所述陀螺仪测得的所述测量装置的姿态参数；

所述主控制器，还用于根据所述姿态参数以及所述测量环境设置参数控制所述动力单元带动所述测量装置在海洋中运动。

6.根据权利要求2至5任一所述的装置，其特征在于，所述海上环境测量单元包括压力深度计、温度计、湿度计以及流速传感器中的至少一种；

其中，所述压力深度计，用于测量所述测量装置在海洋中的深度；

所述温度计，用于测量所述测量装置所处的海洋环境的温度；

所述湿度计，用于测量所述测量装置所处的海洋环境的湿度；

所述流速传感器，用于测量所述测量装置所处的海洋环境中洋流的速度。

7.根据权利要求2至5任一所述的装置，其特征在于，所述电化学测量单元包括电化学工作站以及吊篮，所述吊篮中设置有多组所述结构钢试片、参比电极以及辅助电极，其中，所述参比电极以及所述辅助电极位于相邻的两个所述结构钢试片之间；

所述电化学工作站包括工作电极接口、参比电极接口、辅助电极接口以及电源接口，其中，所述工作电极接口与所述结构钢试片连接，所述辅助电极接口与所述辅助电极连接，所述参比电极接口与所述参比电极连接，所述电源接口与所述水上中继单元中的储能组件连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述所述电化学工作站还包括数据接口，所述数据接口与所述主控制器连接；

所述电化学工作站，用于通过所述数据接口将测得的所述电化学参数传输至所述主控制器。

9.根据权利要求2至5任一所述的装置，其特征在于，所述动力单元包括螺旋桨、直流无刷电机以及整流罩；

其中，所述直流无刷电机，用于在所述主控制器的控制下带动所述螺旋桨运动。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述测量装置还包括主框架、设置于所述主框架上的横梁以及与所述横梁连接的吊钩；

所述控制单元、所述海上环境测量单元、所述电化学工作站以及所述动力单元均固定设置于所述横梁上；

所述吊篮与所述吊钩连接。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量装置还包括浮力挂件；

所述浮力挂件，用于增加所述测量装置的浮力以及稳定所述测量装置的重心。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电化学参数包括多条阻抗电位曲线；

所述控制单元，具体用于将每条所述阻抗电位曲线中的第一个阻抗值-电位值拐点作为最佳保护电位，第二个阻抗值-电位值拐点作为析氢电位，从多个所述最佳保护电位中确定最小最佳保护电位，从多个所述析氢电位中确定最大析氢电位，将所述最大析氢电位和所述最小最佳保护电位之间的区间作为所述最佳保护电位区间。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述电化学参数还包括极化曲线；

所述控制单元，具体用于将所述极化曲线与所述最佳保护电位区间拟合，得到所述最佳保护电流密度区间。

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