CN115493981A - 一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,包括盐雾捕集池、电化学测量电路和保湿介质层,所述电化学测量电路设置在盐雾捕集池的内侧底部,所述保湿介质层覆盖电化学测量电路的测试区域,所述盐雾捕集池上设有气孔;所述保湿介质层用于捕集并溶解大气中的盐粒,并将得到的盐溶液导入电化学测量电路的测试区域;所述电化学测量电路用于测量所述盐溶液的实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值和预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。本发明能实现大气环境盐雾沉积浓度以及沉积速率的实时自动化监测,且测试操作简便、测试效率高。
Description
技术领域
本发明涉及大气盐雾浓度监测技术领域,更具体的,涉及一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置及方法。
背景技术
在高湿度、高盐雾的环境下,金属材料尤其是精密电子设备或高压电气设备表面极易发生盐粒潮解,导致材料表面形成一层薄的电解质液膜,而碳钢、铜合金和银合金等材料在电解质液膜存在的情况下,极易发生大气腐蚀。此外,吸附潮解的盐粒很容易在高压绝缘子、电器开关表面形成导电薄液膜,从而降低绝缘等级,发生打火或者变压器跳闸等严重故障。例如,盐雾沉积对海上风电的安全运行影响严重。盐雾含量较高时,不仅腐蚀风电机组基础结构,还会腐蚀紧固件等强度要求较高部件,使它们的强度降低。此外,生成的腐蚀产物使电气部件接触不良,设备运转一段时间后,出现各种问题,如发电机出现绝缘下降,造成发电机输出电压升高烧坏更多电气设备,引起风电机组停机,严重的腐蚀情况可能造成风电机组倒塌等安全事故。盐雾对电子器件以及输电路线危害也很严重,据相关报道表示因盐雾造成漏电、触电,造成人生安全事故屡次发生。为了预防因此产生的灾难性事故,需要对大气中的盐雾沉积量进行在线监测,并在沉积量达到一定程度时及时报警并采取清扫措施,避免事故发生。
目前对于盐雾浓度的测试一般采用直接采样法和富集采样法。盐雾浓度直接采样法一般是定体积收集空气,一般测试结果用盐雾含量表示。因直接采样法获得数据较为直观,采样迅速,采样量大,便于分时段测试,测试数据更为精准。此外还有便携式大气采样器,适合各种环境测试,携带方便,操作简单。富集采样法主要包括溶液吸收法、填充柱阻留法、自然积集法、滤料采样法、低温冷凝采样法等。国标GB/T19292.3中规定了干布法及湿烛法检测氯化物的沉积率的收集及分析方法,是将采样纱布暴露于大气环境下,通过30~60天的氯实验周期,采集足够数量的氯离子沉积量之后,采用气相色谱法或化学分析的方法得到纱布中氯离子的含量,进而了解氯离子沉积量,是目前常用的大气盐雾含量检测方法之一。但上述方法需要人工在待测区域取样,测试较为麻烦,耗费大量人力物力,并且不能实时自动化监测,因此亟需开发一种能够实现现场实时监测的装置,以至少解决测试过程繁琐的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题,提供一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置及方法,测试操作简便、测试效率高,且能实现实时自动化监测。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,包括盐雾捕集池、电化学测量电路和保湿介质层,所述电化学测量电路设置在盐雾捕集池的内侧底部,所述保湿介质层覆盖电化学测量电路的测试区域,所述盐雾捕集池上设有气孔;
所述保湿介质层用于捕集并溶解大气中的盐粒,并将得到的盐溶液导入电化学测量电路的测试区域;
所述电化学测量电路用于测量所述盐溶液的实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值和预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
优选的,所述电化学测量电路包括控制器、交流信号发生器、信号叠加单元、恒极化电路、叉指电极、电位检测电路和电流检测电路,
所述控制器的第一信号输出端输出波形控制数据,控制器的第二信号输出端输出直流信号,控制器的第一信号输入端接收检测的电位信号,控制器的第二信号输入端接收检测的电流信号,所述控制器还用于通过检测的电位信号与检测的电流信号计算实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值与预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率;
所述交流信号发生器的输入端连接控制器的第一信号输出端,用于接收波形控制数据并转换为额定频率的正弦波信号;
所述信号叠加单元的第一信号输入端连接交流信号发生器的输出端、其第二信号输入端连接控制器的第二信号输出端,用于将所述正弦波信号与直流信号进行叠加,得到幅值范围衰减的测量信号;
所述恒极化电路的输入端连接信号叠加单元的输出端、其输出端连接叉指电极的工作电极端WE,用于将所述测量信号加载到叉指电极上;
所述叉指电极平铺设置,所述叉指电极所在区域为测试区域;
所述电位检测电路的输入端连接叉指电极的工作电极端WE、电位检测电路的输入端连接控制器的第一信号输入端,用于检测叉指电极的工作电极端WE的电位信号;
所述电流检测电路的输入端连接叉指电极的辅助电极端CE、电流检测电路的输出端连接控制器的第二信号输入端,用于检测流经叉指电极的辅助电极端CE的电流信号。
优选的,所述叉指电极的极间间距范围为0.1mm~1mm。
优选的,所述保湿介质层包括毛细浸润织物和保湿液,所述毛细浸润织物平铺覆盖所述电化学测量电路的测试区域,所述保湿液附着在所述毛细浸润织物上。
优选的,还设有储液池,所述储液池内储存有保湿液,所述储液池与盐雾捕集池固定连接;所述储液池与盐雾捕集池之间设有过液孔,所述保湿介质层贯穿所述过液孔、并延伸到储液池的保湿液中。
优选的,所述过液孔为长形孔,所述过液孔的长向与所述保湿介质层的覆盖平面相平行。
优选的,所述盐雾捕集池内设有测温模块,所述测温模块的检测端延伸到保湿介质层内,所述测温模块与电化学测量电路电性连接;
所述测温模块用于监测保湿介质层的实时温度值;
所述电化学测量电路用于采用所述实时温度值对所述盐溶液的阻抗值进行温度补偿。
第二方面,基于上述各装置,本发明还提供一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法,包括:
持续捕集并溶解大气中的盐粒,得到盐溶液;
通过电化学阻抗测量方法测量所述盐溶液的实时阻抗值;
将所述实时阻抗值代入预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线,得到所述盐溶液对应的盐雾沉积浓度值。
进一步,获得盐雾浓度-阻抗关系方程式的步骤包括:
将所述装置置于盐雾试验环境中,按照预设喷雾速率向所述装置喷射某一浓度的盐雾,通过电化学阻抗测量方法测量额定参数的测量信号下该浓度盐雾对应的阻抗值;
改变盐雾的浓度,重复上述步骤,直到得到多组浓度盐雾在额定参数的测量信号下对应的阻抗值;
将得到的多组阻抗值与其对应的盐雾浓度值进行曲线拟合,得到额定参数的测量信号下的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线。
进一步,所述通过电化学阻抗测量方法测量所述盐溶液的实时阻抗值,包括:
生成额定频率的正弦波信号,将直流信号与正弦波信号叠加得到幅值范围衰减的测量信号,将所述测量信号施加到叉指电极的工作电极端WE;
检测得到叉指电极的工作电极端WE的电位信号和流经叉指电极的辅助电极端CE的电流信号,检测流经叉指电极的辅助电极端CE的电流信号;
根据检测的电位信号与电流信号计算实时阻抗值,根据所述实时阻抗值与预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
本发明的有益效果是:本发明提出的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置及测试方法,首先通过实验室研究,建立本装置的叉指电极在额定参数测量信号(例如定频测量信号)下、已知环境盐雾捕集量及其对应阻抗值的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线,并进行保存。将本装置置于大气环境中,通过本装置内置的保湿介质层捕集空气中的盐粒子,并溶解在保湿介质层内的保湿液中。装置内置的电化学测量电路通过测量保湿介质层下的叉指电极阻抗,再根据内置的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线就可以计算空气中的盐雾沉积量,并可以通过对时间微分求出单位时间的盐雾沉积速率。本发明的测量方法简单可靠,可进行自动化监测,相较于传统的测量方式显著地节省人力物力成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置的俯视角内部结构示意图;
图2为本发明提供的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置的正面视角剖视图;
图3为本发明的电化学测量电路组成结构框图;
图4为本发明又一实施例的结构示意图;
图5为本发明提供的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法流程图;
图6为本发明测得的117Hz测量信号下不同盐雾浓度对应阻抗对数值的指数衰减拟合曲线图;
图7为本发明测得的户外环境中的盐雾沉积浓度与时间的关系曲线。
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、盐雾捕集池,101、气孔,2、电化学测量电路,201、控制器,202、交流信号发生器,203、信号叠加单元,204、恒极化电路,205、叉指电极,206、电流检测电路,207、电位检测电路,208、实时时钟电路,209、通信接口,210、电源电路,3、保湿介质层,301、毛细浸润织物,302、保湿液,4、储液池,401、过液孔,402、补液孔,403、密封塞,5、测温模块,6、线缆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
如图1所示为本实施例提供的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置的俯视角内部结构示意图,图2为其正面视角剖视图。
如图1及图2所示,本实施例提供的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,包括盐雾捕集池1、电化学测量电路2和保湿介质层3,所述电化学测量电路2设置在盐雾捕集池1的内侧底部,所述保湿介质层3覆盖电化学测量电路2的测试区域,所述盐雾捕集池1上设有若干个气孔101;
所述保湿介质层3用于捕集并溶解大气中的盐粒,并将得到的盐溶液导入电化学测量电路2的测试区域;
所述电化学测量电路2用于测量所述盐溶液的实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值和预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
可以理解的是,空气经过盐雾捕集池1上的若干个气孔101进入盐雾捕集池1,空气中携带的盐粒子被保湿介质层3捕集并溶解为盐溶液,由于保湿介质层3覆盖在电化学测量电路2的测试区域,盐溶液可直接与测试区域相接触从而对盐溶液进行测量,例如测量并计算盐溶液在电化学测量电路2测试区域上的阻抗值。由于随着时间推移,空气中盐粒子的沉积浓度可反应在盐溶液的浓度上,而盐溶液的浓度与盐溶液的阻抗值相关,例如从实验条件获得的预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线可看到,随着盐雾沉积浓度增大、阻抗值呈衰减趋势。因此,通过将测得的实时的阻抗值代入盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线可以计算得到对应的盐雾沉积浓度值。将盐雾沉积浓度值对时间进行微分,可得到单位时间的盐雾沉积速率。本实施例中的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线是预先将本装置通过实验室研究得到的,通过实验室测试数据建立的本装置中电化学测量电路2在额定参数测量信号(例如定频测量信号)下、已知环境盐雾捕集量(即盐雾沉积浓度值)及其对应阻抗值的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线。本发明的测量装置结构简单、体型小巧,测量方法简单可靠,可进行自动化监测,相较于传统的测量方式显著地节省人力物力成本。
在上述技术方案的基础上,本实施例还可以做如下改进。
在其中一种可能的实施方式中,如图3的结构组成框图所示,所述电化学测量电路2包括控制器201、交流信号发生器202、信号叠加单元203、恒极化电路204、叉指电极205、电位检测电路207和电流检测电路206;
所述控制器201的第一信号输出端输出波形控制数据,控制器201的第二信号输出端输出直流信号,控制器201的第一信号输入端接收检测的电位信号,控制器201的第二信号输入端接收检测的电流信号,所述控制器201还用于通过检测的电位信号与检测的电流信号计算实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值与预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率;
所述交流信号发生器202的输入端连接控制器201的第一信号输出端,用于接收波形控制数据并转换为额定频率的正弦波信号;
所述信号叠加单元203的第一信号输入端连接交流信号发生器202的输出端、其第二信号输入端连接控制器201的第二信号输出端,用于将所述正弦波信号与直流信号进行叠加,得到幅值范围衰减的测量信号;
所述恒极化电路204的输入端连接信号叠加单元203的输出端、其输出端连接叉指电极205的工作电极端WE,用于将所述测量信号加载到叉指电极205上;
所述叉指电极205平铺设置,所述叉指电极205所在区域为测试区域;
所述电位检测电路207的输入端连接叉指电极205的工作电极端WE、电位检测电路207的输入端连接控制器201的第一信号输入端,用于检测叉指电极205的工作电极端WE的电位信号;
所述电流检测电路206的输入端连接叉指电极205的辅助电极端CE、电流检测电路206的输出端连接控制器201的第二信号输入端,用于检测流经叉指电极205的辅助电极端CE的电流信号。
可以理解的是,本实施例中的电化学测量电路2作为本装置的核心部分,通过检测流经叉指电极205的电流值可对盐溶液的阻抗值进行计算,从而计算得到对应的盐雾沉积浓度值,将盐雾沉积浓度值对时间进行微分即可计算得到盐雾沉积速率。本实施例中,为了缩减装置的体积,控制器201可采用MCU来实现。交流信号发生器202可采用DDS信号发生器实现,其可把输出信号的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平,并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。信号叠加单元203可采用加法器实现,将交流信号发生器202输出的额定频率的正弦波信号以及控制器201输出的直流信号通过加法器进行叠加,直流信号将正弦波信号的电压值拉到参考电压的中间值,对交流信号的幅值范围进行衰减,提高信号输出精度。本实施例的恒极化电路204为恒电位极化电路,其将信号叠加单元203输出的叠加信号稳定地加载到叉指电极205的工作电极端WE,以控制叉指电极205的工作电极端WE电位为指定值。由于叉指电极205的工作电极端WE与辅助电极端CE之间存在电位差,保湿介质层3将盐溶液导入叉指电极205,使得盐溶液填充在工作电极端WE与辅助电极端CE之间形成导电通路,由于叉指电极205的工作电极端WE的电位为通过控制器201设置的已知值(当然,也可采用电位检测电路207监测到的实时电位信号),此时检测辅助电极端CE流过的电流信号,即可结合测量信号或者叉指电极205的工作电极端WE的电位信号计算盐溶液的实时阻抗值。通过盐溶液的阻抗值即可计算盐溶液中的盐雾沉积浓度值,进一步将盐雾沉积浓度值对时间微分,即可得到盐雾沉积速率。
如图3的框图所示,电位检测电路207包括依次连接的电位放大电路、低通滤波器和A/D转换电路,用于对采样的电位信号依次进行信号放大、滤波去噪和模/数转换,然后输出到控制器201,完成对叉指电极205的工作电极端WE的电位信号的检测;同理的,电流检测电路206包括依次连接的电流放大电路、低通滤波器和A/D转换电路,用于对采样的电流信号依次进行信号放大、滤波去噪和模/数转换,然后输出到控制器201,控制器201对采样的电位信号、电流信号分别进行积分,完成对叉指电极205的辅助电极端CE的电流信号的检测。
为了使本装置的测量数据时间与日历时间相关联,以便进行测量数据回放以及追溯,还设有与控制器201通信连接的实时时钟电路208,用于为检测数据打上时间标签;为了给本装置提供足够的电源,供其满足户外自动检测的需求,还设有电源电路210,电源电路210与控制器201供电连接;进一步的,电源电路210可优选设置为太阳能电池板或可充电的蓄电电源;为了使本装置与其余设备(例如上位机)进行通信,还设有与控制器201通信连接的通信接口209,例如RS485接口,通信接口209可通过线缆6与其余设备连接。测量数据可通过RS485接口以及线缆6下载到计算机或者接入网络,可用于实时监测大气盐雾浓度、盐雾沉积速率随时间的变化规律。
在其中一种可能的实施方式中,所述叉指电极205的极间间距范围为0.1mm~1mm。叉指电极205是指状或梳状的面内有周期性图案的电极,它是通过电化学工艺加工获得的超精细电路。本实施例的叉指电极205采用共轭性双梳齿电极,该双梳齿电极采用厚度0.1mm白金箔经激光刻画形成双梳齿型,且双梳齿电极的极间间距控制在0.5mm,并保持彼此绝缘状态,在干燥条件下二者完全不导通。
在其中一种可能的实施方式中,如图1的俯视角结构示意图所示,所述保湿介质层3包括毛细浸润织物301和保湿液302,所述毛细浸润织物301平铺覆盖所述电化学测量电路2的测试区域,所述保湿液302附着在所述毛细浸润织物301上。图1中为了对保湿介质层3以及其下的叉指电极205分别进行清楚地展示,对保湿介质层3的一角略微掀开,以展示被其覆盖的部分叉指电极205结构;实际测量过程中,为了提高检测准确度,尽可能地使毛细浸润织物301将叉指电极205所在的测试区域全部覆盖,使叉指电极205的测试区域尽可能地与被测盐溶液接触。本实施例中,毛细浸润织物301采用保湿纱布。毛细浸润织物301利用了织物的毛细浸润原理,将保湿液302吸附在保湿纱布内使其长时间保持润湿状态,利用了盐粒子的水溶性将空气中的盐粒子溶解,实现对盐粒子的捕集。本实施例中,保湿液302采用质量浓度在30~90%的甘油水溶液,利用了甘油的保湿性能为保湿纱布进行长时间的保湿。
在其中一种可能的实施方式中,如图2的剖视图所示,本装置还设有储液池4,所述储液池4内储存有保湿液302,所述储液池4与盐雾捕集池1固定连接;所述储液池4与盐雾捕集池1之间设有过液孔401,所述保湿介质层3贯穿所述过液孔401、并延伸到储液池4的保湿液302中。如图2所示,盐雾捕集池1与储液池4呈上下设置,可节省本装置的安装面积。根据实际使用需求,如图4所示,还可将盐雾捕集池1与储液池4布置为左右设置。盐雾捕集池1与储液池4的相对位置设置较为灵活,使得二者在工作过程中不发生干涉即可。
可以理解的是,随着测试区域毛细浸润织物301表面的水分蒸发、毛细浸润织物301趋于干燥,由于毛细现象,毛细浸润织物301通过过液孔401将储液池4中贮存的保湿液302吸附到测试区域,使毛细浸润织物301长时间处于湿润状态,持续实现对空气中盐粒子的捕捉。储液池4的设置可延长本装置的自动监测时间;由于毛细浸润织物301长时间处于稳定的润湿程度,其对与盐粒子的捕集能力比较稳定,因此提升了本装置的检测准确度。
在其中一种可能的实施方式中,所述过液孔401为长形孔,所述过液孔401的长向与所述保湿介质层3的覆盖平面相平行。
可以理解的是,由于叉指电极205所在的测试区域为平铺设置,其具有较大的横向尺寸;而毛细浸润织物301覆盖在测试区域,因此同样具有较大的横向尺寸。为了使毛细浸润织物301保持较为平衡的润湿程度,将过液孔401设置为长形孔,使毛细浸润织物301以展开的状态延伸到储液池4中,使其在较宽范围内可同步吸取保湿液302,达到更佳的保湿效果。
保湿液302为消耗品,随着测试的进行,储液池4中保湿液302逐渐减少。为了便于对储液池4补充保湿液302,在储液池4一侧的上部还设有补液孔402,补液孔402上设置有可拆卸的密封塞403。拆下密封塞403即可通过补液孔402对储液池4补充保湿液302,补液结束后,安装好密封塞403即可。补液过程中对测量进程并不干涉。
在其中一种可能的实施方式中,所述盐雾捕集池1内设有测温模块5,所述测温模块5的检测端延伸到保湿介质层3内,所述测温模块5与电化学测量电路2电性连接;
所述测温模块5用于监测保湿介质层3的实时温度值;
所述电化学测量电路2用于采用所述实时温度值对所述盐溶液的阻抗值进行温度补偿。
可以理解的是,室外环境的温度依赖于气候条件进行实时变化,在不同温度环境下测得的阻抗值会有一定程度的温度漂移。为了对这一状况进行纠偏,通过测温模块5,例如热电偶或热电阻对保湿介质层3的盐溶液温度进行实时测量,将测量的温度值对阻抗值进行温度补偿,使得测得的阻抗值更加准确。本实施例中,测温模块5采用热电偶。
在上述各装置实施例的基础上,如图5的流程图所示,本实施例还提供一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法,包括:
持续捕集并溶解大气中的盐粒,得到盐溶液;
通过电化学阻抗测量方法测量所述盐溶液的实时阻抗值;
将所述实时阻抗值代入预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线,得到所述盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
在其中一种可能的实施方式中,获得盐雾浓度-阻抗关系方程式的步骤包括:
将所述装置置于盐雾试验环境中,按照预设喷雾速率向所述装置喷射某一浓度的盐雾,通过电化学阻抗测量方法测量额定参数的测量信号下该浓度盐雾对应的阻抗值;
改变盐雾的浓度,重复上述步骤,直到得到多组浓度盐雾在额定参数的测量信号下对应的阻抗值;
将得到的多组阻抗值与其对应的盐雾浓度值进行曲线拟合,得到额定参数的测量信号下的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线。
在其中一种可能的实施方式中,所述通过电化学阻抗测量方法测量所述盐溶液的实时阻抗值,包括:
生成额定频率的正弦波信号,将直流信号与正弦波信号叠加得到幅值范围衰减的测量信号,将所述测量信号施加到叉指电极205的工作电极端WE;
检测得到叉指电极205的工作电极端WE的电位信号和流经叉指电极205的辅助电极端CE的电流信号,检测流经叉指电极205的辅助电极端CE的电流信号;
根据检测的电位信号与电流信号计算实时阻抗值,根据所述实时阻抗值与预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
其中,根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率,可以采用将盐雾沉积浓度值对时间微分的方式进行计算。
可以理解的是,本发明提供的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法与前述各实施例提供的大气环境盐雾沉积速率实时监测装置相对应,大气环境盐雾沉积速率实时监测方法的相关技术特征可参考大气环境盐雾沉积速率实时监测装置的相关技术特征,在此不再赘述。
现通过某一具体的使用场景对本发明进行举例说明。
大气环境盐雾沉积速率实时监测装置内置盐雾捕集池1,用于捕获大气中的盐粒,如图1所示,盐雾捕集池1上表面有一个分布大量气孔101的面板,空气中的盐雾粒子借助这些气孔101进入盐雾捕集池1内,并被保湿纱布吸附并溶解,保湿纱布内浸润有甘油水溶液,其中甘油质量浓度在30~90%。保湿纱布覆盖紧贴下方的共轭性双梳齿电极,该双梳齿电极由两片互相咬合的梳齿型金属箔片构成,材料可采用Pt、Au等贵金属制成。双梳齿电极的两个金属箔片分别连接到电化学测量电路2(如图3)中的CE和WE电极,用于通过电化学方法测量保湿纱布的实时阻抗值。双梳齿电极旁固定有一个热电偶、用于测量保湿纱布的温度,并在后面的阻抗值计算中进行温度补偿。
所述双梳齿电极粘贴在一个塑料支撑板上,而该塑料支撑板下则是用于集成电化学测量电路2的电路板。为了保证双梳齿电极一直处于润湿状态,在盐雾捕集池1的端面开有一个矩形的过液孔401,矩形过液孔401的宽度约0.5~2mm、长度与保湿纱布的平铺尺寸相配合,方便保湿纱布的另一端穿过过液孔401并浸入到储液池4中,通过毛细凝聚作用保证保湿纱布处于润湿状态。储液池4内充满作为保湿液302的甘油溶液,其甘油质量浓度为30%~90%。借助于甘油溶液的保湿能力,保证暴露于空气中的保湿纱布长时间保持润湿状态。储液槽侧面上部有一个补液口,方便补充保湿液302。
电化学测量电路2主要包括MCU、DDS信号发生器、加法器、恒电位极化电路、双梳齿电极、电位检测电路207和电流检测电路206。所述双梳齿电极采用厚度0.1mm白金箔经激光刻画形成双梳齿型,且双梳齿电极间距控制在0.5mm,并保持彼此绝缘状态,在干燥条件下二者完全不导通。测量时,电化学测量电路2输出调制好的额定频率的测量信号到双梳齿电极的WE极,同时电位检测电路207检测双梳齿电极的WE极的电位信号并反馈到MCU中,电流检测电路206检测流经双梳齿电极的CE极的电流信号并反馈到MCU中,MCU对电位信号和电流信号分别积分后计算双梳齿电极WE极与CE极之间的阻抗值。
进行户外测量前,需先在实验室进行多组已知浓度的盐雾测试,以获得额定参数的测量信号下的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线。
具体的,本实施例中,设置几组不同浓度的盐雾,使得这几组盐雾的浓度对应几个不同等级的盐雾浓度值,例如盐雾浓度值分别为0mg/m2、1mg/m2、2mg/m2、4mg/m2、6mg/m2、8mg/m2、10mg/m2。按照从小到大的顺序依次采用不同盐雾浓度值对应的盐雾进行测试。
将本装置固定在盐雾试验箱中,并将盐雾喷雾速率调整到设定值开始喷射上述浓度值最低的盐雾,使盐雾与本装置中的保湿纱布相接触。同时,电化学测量电路2测量双梳齿电极上在不同盐粒沉积量状态下117Hz测量信号对应的定频阻抗值。
逐级对不同浓度值的盐雾进行测试,每次测试前更换洁净的保湿纱布,直到获得全部浓度值的盐雾对应的盐雾沉积浓度值与定频阻抗值的对应关系曲线。
根据全部测试组的盐雾沉积浓度值与定频阻抗值建立盐雾沉积浓度值与定频阻抗值的对应关系曲线,具体的,将盐雾沉积浓度与阻抗值的变化关系进行指数拟合,得到如图6所示的盐雾浓度-阻抗关系曲线,根据拟合曲线获得一个指数衰减方程式(1),即得到双梳齿电极的定频阻抗值与已知盐雾浓度的计算关系如下式:
log(y-0.0462)=6.151-1.028logZ (1),
其中y为盐雾浓度,单位为mg/m2;Z为阻抗值,单位为Ω.cm2;0.0462、6.151、1.028为通过盐雾浓度-阻抗关系曲线获得的常数。
如图6所示,为式(1)对应的在117Hz测量信号下不同盐雾浓度对应阻抗对数值的指数衰减拟合曲线图。从图6中可见在相较于洁净的保湿纱布表面,当保湿纱布表面有盐粒沉积时,双梳齿电极的阻抗值会下降,这主要是因为保湿纱布表面的盐粒在保湿纱布表面会被粘附并溶解在甘油水溶液中,提高了保湿纱布的导电率。随着盐沉积量的增加,导电率增加,随之阻抗值逐渐降低。
得到盐雾浓度-阻抗关系曲线及其对应的方程式(1),即可将本装置用于大气环境的检测了。在各种大气环境中,只要测量本装置中保湿纱布的117Hz定频阻抗值的对数值,既可以通过公式(1)计算环境中盐雾沉积量。
进行测量时,将所述盐雾浓度监测装置放置于海洋大气环境中,例如某滨海户外环境,且将盐雾监测装置置于阴凉通风处,并避免日光直晒,防止保湿纱布的水分蒸发过快。采用4G无线通信模块或者计算机通过复合线缆6连接到该监测装置的RS485接口。盐雾监测装置中保湿纱布用于捕捉盐粒子的一面朝上设置,确保空气中的盐粒能通过各气孔101进入捕集池内,并为保湿纱布所捕获溶解。通过盐雾捕集池1捕获大气中的盐粒,空气中的盐雾粒子借助于气流进入盐雾捕集池1,如图1所示,盐雾粒子被保湿纱布捕获溶解在纱布内的甘油水溶液中,随着测试时间的推进,保湿纱布中的盐粒逐渐富集,导致保湿液302中盐浓度增加。
MCU将额定频率117Hz、幅值100mV的正弦波信号的通过恒电位极化电路加载到双梳齿电极上,采样双梳齿电极的电位信号与电流信号并依次进行信号放大、滤波、模数转换后输入MCU,MCU对电位信号与电流信号分别积分,通过计算得到保湿纱布以及盐溶液的阻抗值。计算过程具体如下:
设双梳齿电极测量信号的激励电压为v(t)如下式(2),而响应的电流信号为i(t),如式(3):
v(t)=Vasin(ωt-φv)+N1 (2),
i(t)=IaRcsin(ωt-φi)+N2 (3),
式中Va和Ia为信号幅值,而φv和φi为信号采样时刻的相位角,Rc为电流取样电阻,ω为信号频率,N1和N2为随机噪声。ω是已知量,而φv和φi都是未知量,为了计算两信号间相位差和幅值比,引入了一个单位幅值的基准信号s(t)=sin(ωt)来做标准参考信号。
首先计算v(t)相对于信号s(t)的幅值Va和相位差φv。将式(2)展开得式(4),式(4)等号两边同乘以同频率基准信号sinωt得式(5),从任意时刻t0开始积分一个信号周期T,得到式(6)。
v(t)=Vasinωtcosφv+Vacosωtsinφv+N1 (4),
根据提前测量的阻抗值与保湿纱布中的已知盐雾沉积浓度建立的函数关系曲线得到的式(1),然后通过测得的保湿纱布的阻抗值计算被测环境中盐雾沉积浓度值,将计算得到的盐雾沉积浓度值对时间微分,即可计算得到盐雾浓度沉积速率。
在测试过程中,盐雾浓度监测装置由电源电路210或太阳能电池板供电,测量数据通过RS485接口及其匹配的复合线缆6接入装置外部的计算机或者网络,用于实时监测大气环境中的盐雾浓度值及盐雾沉积速率。测量数据可以通过实时时钟电路208打上日历标签,方便数据回溯查看。
通过远程无线数据访问方法,实时采集盐雾沉积浓度值,并绘制成盐雾沉积量与捕集时间的曲线,如图7。从图7的采集数据来看,被测点处滨海户外的盐雾沉积浓度与时间基本呈线性关系,但初始阶段盐雾浓度增加较快,随着时间延长,盐雾沉积速率有所下降,这可能与纱布的表面润湿度下降或者表面为空气中污染物干扰所致。可以在30天后,在储液池4内补充甘油水溶液,更换保湿纱布,并保证纱布表面的湿度不变。另外,由于温度对溶液电导率影响较大,需要结合测温模块5的测温数据,对保湿纱布电导率进行温度校正,计算出保湿纱布的真实阻抗值。
本发明提出的一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置及测试方法,首先通过实验室研究,建立本装置的叉指电极205在额定参数测量信号(例如定频测量信号)下、已知环境盐雾捕集量及其对应阻抗值的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线,并进行保存。将本装置置于大气环境中,通过本装置内置的保湿介质层3捕集空气中的盐粒子,并溶解在保湿介质层3内的保湿液302中。装置内置的电化学测量电路2通过测量保湿介质层3下的叉指电极205阻抗,再根据内置的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线就可以计算空气中的盐雾沉积量,并可以通过对时间微分求出单位时间的盐雾沉积速率。本发明的测量方法简单可靠,可进行自动化监测,相较于传统的测量方式显著地节省人力物力成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,包括盐雾捕集池(1)、电化学测量电路(2)和保湿介质层(3),所述电化学测量电路(2)设置在盐雾捕集池(1)的内侧底部,所述保湿介质层(3)覆盖电化学测量电路(2)的测试区域,所述盐雾捕集池(1)上设有气孔(101);
所述保湿介质层(3)用于捕集并溶解大气中的盐粒,并将得到的盐溶液导入电化学测量电路(2)的测试区域;
所述电化学测量电路(2)用于测量所述盐溶液的实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值和预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
2.根据权利要求1所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,所述电化学测量电路(2)包括控制器(201)、交流信号发生器(202)、信号叠加单元(203)、恒极化电路(204)、叉指电极(205)、电位检测电路(207)和电流检测电路(206),
所述控制器(201)的第一信号输出端输出波形控制数据,控制器(201)的第二信号输出端输出直流信号,控制器(201)的第一信号输入端接收检测的电位信号,控制器(201)的第二信号输入端接收检测的电流信号,所述控制器(201)还用于通过检测的电位信号与检测的电流信号计算实时阻抗值,还用于根据所述实时阻抗值与预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,还用于根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率;
所述交流信号发生器(202)的输入端连接控制器(201)的第一信号输出端,用于接收波形控制数据并转换为额定频率的正弦波信号;
所述信号叠加单元(203)的第一信号输入端连接交流信号发生器(202)的输出端、其第二信号输入端连接控制器(201)的第二信号输出端,用于将所述正弦波信号与直流信号进行叠加,得到幅值范围衰减的测量信号;
所述恒极化电路(204)的输入端连接信号叠加单元(203)的输出端、其输出端连接叉指电极(205)的工作电极端WE,用于将所述测量信号加载到叉指电极(205)上;
所述叉指电极(205)平铺设置,所述叉指电极(205)所在区域为测试区域;
所述电位检测电路(207)的输入端连接叉指电极(205)的工作电极端WE、电位检测电路(207)的输入端连接控制器(201)的第一信号输入端,用于检测叉指电极(205)的工作电极端WE的电位信号;
所述电流检测电路(206)的输入端连接叉指电极(205)的辅助电极端CE、电流检测电路(206)的输出端连接控制器(201)的第二信号输入端,用于检测流经叉指电极(205)的辅助电极端CE的电流信号。
3.根据权利要求2所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,所述叉指电极(205)的极间间距范围为0.1mm~1mm。
4.根据权利要求1所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,所述保湿介质层(3)包括毛细浸润织物(301)和保湿液(302),所述毛细浸润织物(301)平铺覆盖所述电化学测量电路(2)的测试区域,所述保湿液(302)附着在所述毛细浸润织物(301)上。
5.根据权利要求4所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,还设有储液池(4),所述储液池(4)内储存有保湿液(302),所述储液池(4)与盐雾捕集池(1)固定连接;所述储液池(4)与盐雾捕集池(1)之间设有过液孔(401),所述保湿介质层(3)贯穿所述过液孔(401)、并延伸到储液池(4)的保湿液(302)中。
6.根据权利要求5所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,所述过液孔(401)为长形孔,所述过液孔(401)的长向与所述保湿介质层(3)的覆盖平面相平行。
7.根据权利要求1所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测装置,其特征在于,所述盐雾捕集池(1)内设有测温模块(5),所述测温模块(5)的检测端延伸到保湿介质层(3)内,所述测温模块(5)与电化学测量电路(2)电性连接;
所述测温模块(5)用于监测保湿介质层(3)的实时温度值;
所述电化学测量电路(2)用于采用所述实时温度值对所述盐溶液的阻抗值进行温度补偿。
8.一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法,基于权利要求1~7任一项所述装置,其特征在于,包括:
持续捕集并溶解大气中的盐粒,得到盐溶液;
通过电化学阻抗测量方法测量所述盐溶液的实时阻抗值;
将所述实时阻抗值代入预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线,得到所述盐溶液对应的盐雾沉积浓度值。
9.根据权利要求8所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法,其特征在于,获得盐雾浓度-阻抗关系方程式的步骤包括:
将所述装置置于盐雾试验环境中,按照预设喷雾速率向所述装置喷射某一浓度的盐雾,通过电化学阻抗测量方法测量额定参数的测量信号下该浓度盐雾对应的阻抗值;
改变盐雾的浓度,重复上述步骤,直到得到多组浓度盐雾在额定参数的测量信号下对应的阻抗值;
将得到的多组阻抗值与其对应的盐雾浓度值进行曲线拟合,得到额定参数的测量信号下的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线。
10.根据权利要求8所述一种大气环境盐雾沉积速率实时监测方法,其特征在于,所述通过电化学阻抗测量方法测量所述盐溶液的实时阻抗值,包括:
生成额定频率的正弦波信号,将直流信号与正弦波信号叠加得到幅值范围衰减的测量信号,将所述测量信号施加到叉指电极(205)的工作电极端WE;
检测得到叉指电极(205)的工作电极端WE的电位信号和流经叉指电极(205)的辅助电极端CE的电流信号,检测流经叉指电极(205)的辅助电极端CE的电流信号;
根据检测的电位信号与电流信号计算实时阻抗值,根据所述实时阻抗值与预设的盐雾沉积浓度-阻抗关系曲线计算盐溶液对应的盐雾沉积浓度值,根据盐雾沉积浓度值随时间变化的规律得到盐雾沉积速率。
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2022
- 2022-09-05 CN CN202211086993.XA patent/CN115493981A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116736916A (zh) * | 2023-08-11 | 2023-09-12 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 单一盐溶液湿度控制下土体变形与土水特性试验装置 |
CN116736916B (zh) * | 2023-08-11 | 2023-10-20 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 单一盐溶液湿度控制下土体变形与土水特性试验装置 |
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