摘要 在電化學(xué)理論的基礎(chǔ)上研制了一臺(tái)電化學(xué)工作站，它包括信號(hào)發(fā)生器、恒電位儀、數(shù)據(jù)采集部分、單片機(jī)及上位工控機(jī)。整個(gè)工作站可對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)中電流、電位等信號(hào)進(jìn)行控制和測(cè)量，而且可以實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)功能。與傳統(tǒng)電化學(xué)工作站相比，該工作站采用先進(jìn)的集成電路，系統(tǒng)誤差小、性能優(yōu)良，更因其在陰極保護(hù)方面的優(yōu)良表現(xiàn)使得該工作站具有較高的使用價(jià)值和市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞 電化學(xué)工作站；陰極保護(hù)；導(dǎo)體電阻測(cè)量

    隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬的使用越來越廣泛，但隨之而來的金屬腐蝕問題也不容忽視。因金屬腐蝕而導(dǎo)致的一系列事故，如天然氣管道泄露、雷擊燒毀設(shè)備等，給工業(yè)生產(chǎn)和日常生活帶來巨大的損失。在設(shè)備的腐蝕研究中，金屬設(shè)備的腐蝕大多數(shù)是以電化學(xué)為主進(jìn)行的，即Fe→Fe2++2e，研究Fe的電子得失速度就可以研究金屬的腐蝕速度。在過去的研究中，常采用的電化學(xué)研究方法是利用恒電位儀來檢測(cè)電極的電位和電流值，畫出電極的極化曲線，然后利用塔菲爾公式求出腐蝕速度。恒電位測(cè)試中，由于采用手動(dòng)操作，隨著腐蝕金屬表面狀況發(fā)生變化，電流數(shù)值漂移較大、讀數(shù)誤差大、測(cè)量速度慢，嚴(yán)重影響了測(cè)試效果。隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們將信號(hào)發(fā)生器、恒電位儀、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換儀、函數(shù)記錄儀等組合在一起組成電化學(xué)工作站，這種工作站體積大、儀器多、系統(tǒng)誤差大。因此研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能優(yōu)良的用于腐蝕檢測(cè)和研究的電化學(xué)工作站是必要的。

1 硬件設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的電化學(xué)工作站整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先，單片機(jī)將電解池工作所需的電壓波形信號(hào)送入D／A轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換后將波形電壓由外控輸入端送入恒電位儀，同時(shí)單片機(jī)控制繼電器的吸合與斷開，使恒電位儀在恒電位功能與恒電流功能之間切換。A／D轉(zhuǎn)換部分采集電化學(xué)工作站在工作過程中的電流和電位值，并將其送回單片機(jī)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機(jī)儲(chǔ)存，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。工控機(jī)也是整個(gè)系統(tǒng)的指令發(fā)出者，工控機(jī)將需要執(zhí)行的功能命令發(fā)送給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)處理后，對(duì)相應(yīng)的模塊進(jìn)行控制。

1．1 恒電位儀
    恒電位儀是電化學(xué)測(cè)試中的重要儀器，內(nèi)部含有恒電位和恒電流兩個(gè)功能模塊，通過繼電器進(jìn)行切換。當(dāng)控制信號(hào)為高電平時(shí)，兩個(gè)繼電器斷開，電路實(shí)現(xiàn)恒電位功能；當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，兩個(gè)繼電器吸合，電路實(shí)現(xiàn)恒電流功能。
1．2 信號(hào)發(fā)生器
    文中的信號(hào)發(fā)生器不同于傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器，采用16位D／A芯片DAC8532，將單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)波形輸出。與RC、LC電路相比，該方法簡(jiǎn)單易行且穩(wěn)定性好。該模塊可以對(duì)波形的幅值、頻率及功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。
1．3 數(shù)據(jù)采集
    文中采用美國Maxim公司生產(chǎn)的逐次逼近型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1166進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該芯片內(nèi)部集成了逐次逼近型ADC所必須的逐次逼近寄存器SAR、高精度比較器和控制邏輯外，還集成了時(shí)鐘、4．096 V精密參考源和接口電路。
1．4 無線模塊
    由于變電站、油氣管道大多數(shù)處于比較偏遠(yuǎn)的地方，因此需要添加一個(gè)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。這樣工作人員可以在辦公室通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)來獲取需要的數(shù)據(jù)，也可對(duì)電化學(xué)工作站進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不必要去現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)設(shè)備，這樣一個(gè)工作人員就可以管理多臺(tái)電化學(xué)工作站，大大減少了人力物力的投入。本工作站采用北科驛唐公司的高速3G EV-DO路由器MR-900E，它同時(shí)具有網(wǎng)口和串口。網(wǎng)口傳輸視頻的同時(shí)串口也可以同時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)，既節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用又降低了維護(hù)運(yùn)營成本。
1．5 數(shù)據(jù)通訊
    測(cè)量裝置需要把測(cè)量和采樣的數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，供工作人員日后查詢及分析；同時(shí)上位機(jī)要發(fā)送控制參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備工作狀態(tài)。因此通訊功能也是必不可少的一部分。目前PC機(jī)大多帶有RS232通信口，所以選擇RS232作為測(cè)量裝置所必須具備的基本通信協(xié)議。
2 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件，結(jié)合所有功能模塊的工作流程，對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。在下位機(jī)部分需要結(jié)合硬件電路來設(shè)計(jì)程序；在上位機(jī)部分則可以忽略硬件部分，而只考慮傳輸數(shù)據(jù)和指令的格式。
2．1 下位機(jī)軟件
    程序現(xiàn)對(duì)各個(gè)變量賦初始值，初始化串口，接著判斷接收標(biāo)志位，如果RCV_flag=1，說明一組數(shù)據(jù)接收完畢，可以進(jìn)行后緣處理，否則說明接收未完，繼續(xù)等待接收。接收完畢后，根據(jù)第一個(gè)數(shù)切換繼電器，根據(jù)第2個(gè)數(shù)對(duì)模擬開關(guān)進(jìn)行控制，將設(shè)備調(diào)節(jié)為相應(yīng)功能狀態(tài)。根據(jù)后面的幾個(gè)數(shù)，對(duì)輸出信號(hào)類型、幅值、頻率的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)需要測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行采集，并通過串口發(fā)送到上位機(jī)。

2．2 上位機(jī)軟件
    上位機(jī)軟件采用C++ Builder完成。C++ Builder是由Borland公司繼Delphi之后又推出的一款高性能可視化集成開發(fā)工具。C++ Builder具有快速的可視化開發(fā)環(huán)境，只要把控件拖到窗體上定義它的屬性，設(shè)置某外觀，即可快速建立應(yīng)用程序界面；C++ Builder具有一個(gè)專業(yè)C++開發(fā)環(huán)境所能提供的全部功能，實(shí)現(xiàn)了可視化編程環(huán)境和功能強(qiáng)大的編程語言的完美結(jié)合。同時(shí)上位機(jī)軟件還可以根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)畫出曲線，這樣可以直觀地看到電化學(xué)反應(yīng)中參數(shù)的變化趨勢(shì)。

3 基本功能
3．1 恒電位功能
    在三電極體系中，即便從開始就把相對(duì)于參比電極的研究電極電位設(shè)定為某值，但由于隨著電極反應(yīng)的進(jìn)行，電極表面反應(yīng)物濃度不斷減小，生成物濃度不斷增加，電極電位將偏離初始設(shè)定電位。所以為使設(shè)定的電位保持一定，就應(yīng)隨著研究電極和參比電極之間的電位變化，不斷地調(diào)節(jié)施加于兩電極之間的電壓。可是這樣的操作在很短的時(shí)間內(nèi)是不能做到的，只能借助恒電位儀來實(shí)現(xiàn)。恒電位儀是電化學(xué)研究工作中的重要儀器，它可以用于控制電極電位為指定值，從而達(dá)到恒電位極化和研究恒電位暫態(tài)等目的，配以信號(hào)發(fā)生器后，可以使電極電位自動(dòng)跟蹤信號(hào)發(fā)生器給出的指令信號(hào)而變化。
3．2 恒電流功能
    當(dāng)運(yùn)行在恒電流功能時(shí)，電化學(xué)工作站的恒電流模塊控制流過工作電極和輔助電極間的電流等于給定的電流值，而且電解池中等效電阻的變化也不會(huì)影響電流，同時(shí)測(cè)量工作電極相對(duì)于參比電極的電位值并保存。
3．3 導(dǎo)體電阻測(cè)量
    對(duì)于電阻測(cè)量，常用的是萬用表，它使用方便并且便于移動(dòng)。但是萬用表測(cè)量的電阻阻值較大，對(duì)于小阻值的電阻如導(dǎo)體，阻值一般是mΩ級(jí)，普通萬用表就無能為力。若要獲得導(dǎo)體電阻值的變化，萬用表則無法測(cè)出。工作站選用導(dǎo)體降壓法來測(cè)導(dǎo)體電阻。

    采用圖3所示方法進(jìn)行測(cè)量，給被測(cè)導(dǎo)體接通一個(gè)恒定電流，電流值稍大，如1A，然后用微電壓測(cè)量?jī)x測(cè)量導(dǎo)體上的壓降。根據(jù)歐姆定律R=U／I，就可以算出導(dǎo)體電阻。通過的電流較大是希望導(dǎo)體壓降更大，便于微電壓測(cè)量?jī)x測(cè)量，減小誤差。
3．4 陰極保護(hù)
    在輸油管道、變電站等場(chǎng)合，金屬的腐蝕問題會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故，這就需要對(duì)管道、接地導(dǎo)體進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)測(cè)，對(duì)腐蝕嚴(yán)重的設(shè)備提前維護(hù)和更換，避免造成重大損失。工作站在強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出“動(dòng)態(tài)恒流法”，使得陰極保護(hù)效果更好。首先用恒電位儀給被保護(hù)金屬加一個(gè)直流電，使被保護(hù)金屬的腐蝕失電子與外加電流的電子處于相對(duì)平衡狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接地導(dǎo)體的電阻變化情況，當(dāng)電阻值增大時(shí)，調(diào)節(jié)給定保護(hù)電流值使保護(hù)達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。這樣就可以最大程度地對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)根據(jù)其阻值的變化還可以得出腐蝕速率，預(yù)計(jì)使用年限，提前對(duì)接地導(dǎo)體進(jìn)行更換，避免因接地不良而導(dǎo)致不安全事故。
    導(dǎo)體電阻阻值R=ρL／S，其中，ρ為電阻率；導(dǎo)線橫截面積S=a×b；L為導(dǎo)線長(zhǎng)度。若在土中埋放一段時(shí)間后，其高度變化量為δa，寬度變化量為δb，設(shè)電阻變化為δR。對(duì)電阻值求增量，得

    由式(3)可以看出，電阻值變化率和腐蝕速率的關(guān)系。這樣就可以根據(jù)電阻的變化得知接地導(dǎo)體腐蝕情況。

4 結(jié)束語
    隨著金屬的廣泛應(yīng)用，金屬腐蝕問題得到人們的關(guān)注。金屬腐蝕的主要原因是電化學(xué)腐蝕，而研究電化學(xué)反應(yīng)需要一個(gè)良好的電化學(xué)工作站。所設(shè)計(jì)的電化學(xué)工作站融合了智能控制、人機(jī)交互等技術(shù)，通過軟硬件測(cè)試證明所設(shè)計(jì)的電化學(xué)工作站能夠?qū)崿F(xiàn)恒電位、恒電流、導(dǎo)體電阻測(cè)量、陰極保護(hù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。