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(lái)越廣泛，但隨之而來(lái)的金屬腐蝕問(wèn)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guó)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(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,。這樣工作人員可以在辦公室通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)來(lái)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(yíng)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(lái)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(shuō)明一組數(shù)據(jù)接收完畢，可以進(jìn)行后緣處理,，否則說(shuō)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(guò)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(yǔ)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,?？墒沁@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(lái)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(guò)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(wàn)用表，它使用方便并且便于移動(dòng),。但是萬(wàn)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(wàn)用表就無(wú)能為力,。若要獲得導(dǎo)體電阻值的變化,，萬(wàn)用表則無(wú)法測(cè)出。工作站選用導(dǎo)體降壓法來(lái)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(guò)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(wèn)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(yǔ)
    隨著金屬的廣泛應(yīng)用,，金屬腐蝕問(wèn)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(guò)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,。