摘要 在電化學理論的基礎上研制了一臺電化學工作站，它包括信號發(fā)生器、恒電位儀、數(shù)據(jù)采集部分、單片機及上位工控機。整個工作站可對電化學系統(tǒng)中電流、電位等信號進行控制和測量，而且可以實現(xiàn)陰極保護功能。與傳統(tǒng)電化學工作站相比，該工作站采用先進的集成電路，系統(tǒng)誤差小、性能優(yōu)良，更因其在陰極保護方面的優(yōu)良表現(xiàn)使得該工作站具有較高的使用價值和市場前景。
關鍵詞 電化學工作站；陰極保護；導體電阻測量
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。因金屬腐蝕而導致的一系列事故，如天然氣管道泄露、雷擊燒毀設備等，給工業(yè)生產(chǎn)和日常生活帶來巨大的損失。在設備的腐蝕研究中，金屬設備的腐蝕大多數(shù)是以電化學為主進行的，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，常采用的電化學研究方法是利用恒電位儀來檢測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。恒電位測試中，由于采用手動操作，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、測量速度慢，嚴重影響了測試效果。隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，人們將信號發(fā)生器、恒電位儀、對數(shù)轉換儀、函數(shù)記錄儀等組合在一起組成電化學工作站，這種工作站體積大、儀器多、系統(tǒng)誤差大。因此研制一種結構簡單、成本低廉、性能優(yōu)良的用于腐蝕檢測和研究的電化學工作站是必要的。
1 硬件設計
設計的電化學工作站整體硬件結構如圖1所示。首先，單片機將電解池工作所需的電壓波形信號送入D／A轉換模塊，經(jīng)過D／A轉換后將波形電壓由外控輸入端送入恒電位儀，同時單片機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轉換部分采集電化學工作站在工作過程中的電流和電位值，并將其送回單片機，單片機再將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機儲存，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。工控機也是整個系統(tǒng)的指令發(fā)出者，工控機將需要執(zhí)行的功能命令發(fā)送給單片機，經(jīng)過單片機處理后，對相應的模塊進行控制。
1．1 恒電位儀
恒電位儀是電化學測試中的重要儀器，內部含有恒電位和恒電流兩個功能模塊，通過繼電器進行切換。當控制信號為高電平時，兩個繼電器斷開，電路實現(xiàn)恒電位功能；當控制信號為低電平時，兩個繼電器吸合，電路實現(xiàn)恒電流功能。
1．2 信號發(fā)生器
文中的信號發(fā)生器不同于傳統(tǒng)信號發(fā)生器，采用16位D／A芯片DAC8532，將單片機發(fā)送的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉換，實現(xiàn)波形輸出。與RC、LC電路相比，該方法簡單易行且穩(wěn)定性好。該模塊可以對波形的幅值、頻率及功率進行調節(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)轉換器MAX1166進行數(shù)據(jù)采集。該芯片內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)處于比較偏遠的地方，因此需要添加一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。這樣工作人員可以在辦公室通過遠程數(shù)據(jù)收發(fā)來獲取需要的數(shù)據(jù)，也可對電化學工作站進行調節(jié)，而不必要去現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)和調節(jié)設備，這樣一個工作人員就可以管理多臺電化學工作站，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，它同時具有網(wǎng)口和串口。網(wǎng)口傳輸視頻的同時串口也可以同時傳輸現(xiàn)場其他設備的數(shù)據(jù)，既節(jié)省了設備費用又降低了維護運營成本。
1．5 數(shù)據(jù)通訊
測量裝置需要把測量和采樣的數(shù)據(jù)返回給上位機進行數(shù)據(jù)保存，供工作人員日后查詢及分析；同時上位機要發(fā)送控制參數(shù)調節(jié)設備工作狀態(tài)。因此通訊功能也是必不可少的一部分。目前PC機大多帶有RS232通信口，所以選擇RS232作為測量裝置所必須具備的基本通信協(xié)議。
2 軟件設計
根據(jù)設計的硬件，結合所有功能模塊的工作流程，對系統(tǒng)的軟件進行設計。在下位機部分需要結合硬件電路來設計程序；在上位機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 下位機軟件
程序現(xiàn)對各個變量賦初始值，初始化串口，接著判斷接收標志位，如果RCV_flag=1，說明一組數(shù)據(jù)接收完畢，可以進行后緣處理，否則說明接收未完，繼續(xù)等待接收。接收完畢后，根據(jù)第一個數(shù)切換繼電器，根據(jù)第2個數(shù)對模擬開關進行控制，將設備調節(jié)為相應功能狀態(tài)。根據(jù)后面的幾個數(shù)，對輸出信號類型、幅值、頻率的參數(shù)進行設置。設置完成后，啟動模數(shù)轉換，對需要測量的信號進行采集，并通過串口發(fā)送到上位機。
2．2 上位機軟件
上位機軟件采用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，設置某外觀，即可快速建立應用程序界面；C++ Builder具有一個專業(yè)C++開發(fā)環(huán)境所能提供的全部功能，實現(xiàn)了可視化編程環(huán)境和功能強大的編程語言的完美結合。同時上位機軟件還可以根據(jù)測得的數(shù)據(jù)畫出曲線，這樣可以直觀地看到電化學反應中參數(shù)的變化趨勢。
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于參比電極的研究電極電位設定為某值，但由于隨著電極反應的進行，電極表面反應物濃度不斷減小，生成物濃度不斷增加，電極電位將偏離初始設定電位。所以為使設定的電位保持一定，就應隨著研究電極和參比電極之間的電位變化，不斷地調節(jié)施加于兩電極之間的電壓。可是這樣的操作在很短的時間內是不能做到的，只能借助恒電位儀來實現(xiàn)。恒電位儀是電化學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，從而達到恒電位極化和研究恒電位暫態(tài)等目的，配以信號發(fā)生器后，可以使電極電位自動跟蹤信號發(fā)生器給出的指令信號而變化。
3．2 恒電流功能
當運行在恒電流功能時，電化學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影響電流，同時測量工作電極相對于參比電極的電位值并保存。
3．3 導體電阻測量
對于電阻測量，常用的是萬用表，它使用方便并且便于移動。但是萬用表測量的電阻阻值較大，對于小阻值的電阻如導體，阻值一般是mΩ級，普通萬用表就無能為力。若要獲得導體電阻值的變化，萬用表則無法測出。工作站選用導體降壓法來測導體電阻。
采用圖3所示方法進行測量，給被測導體接通一個恒定電流，電流值稍大，如1A，然后用微電壓測量儀測量導體上的壓降。根據(jù)歐姆定律R=U／I，就可以算出導體電阻。通過的電流較大是希望導體壓降更大，便于微電壓測量儀測量，減小誤差。
3．4 陰極保護
在輸油管道、變電站等場合，金屬的腐蝕問題會導致嚴重事故，這就需要對管道、接地導體進行保護和監(jiān)測，對腐蝕嚴重的設備提前維護和更換，避免造成重大損失。工作站在強制電流陰極保護技術的基礎上進行了改進，提出“動態(tài)恒流法”，使得陰極保護效果更好。首先用恒電位儀給被保護金屬加一個直流電，使被保護金屬的腐蝕失電子與外加電流的電子處于相對平衡狀態(tài)，對其進行保護。同時實時監(jiān)測接地導體的電阻變化情況，當電阻值增大時，調節(jié)給定保護電流值使保護達到一個新的平衡狀態(tài)。這樣就可以最大程度地對其進行保護。同時根據(jù)其阻值的變化還可以得出腐蝕速率，預計使用年限，提前對接地導體進行更換，避免因接地不良而導致不安全事故。
導體電阻阻值R=ρL／S，其中，ρ為電阻率；導線橫截面積S=a×b；L為導線長度。若在土中埋放一段時間后，其高度變化量為δa，寬度變化量為δb，設電阻變化為δR。對電阻值求增量，得
由式(3)可以看出，電阻值變化率和腐蝕速率的關系。這樣就可以根據(jù)電阻的變化得知接地導體腐蝕情況。
4 結束語
隨著金屬的廣泛應用，金屬腐蝕問題得到人們的關注。金屬腐蝕的主要原因是電化學腐蝕，而研究電化學反應需要一個良好的電化學工作站。所設計的電化學工作站融合了智能控制、人機交互等技術，通過軟硬件測試證明所設計的電化學工作站能夠實現(xiàn)恒電位、恒電流、導體電阻測量、陰極保護和遠程監(jiān)控等功能。