一種自然環境腐蝕監測用電阻探針的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種自然環境(如大氣，海水、土壤等)腐蝕監測用電阻探針及其制造方法。該探針在保證測量精度，滿足大氣腐蝕監測要求的基礎上，簡化了探針結構，精簡了加工流程，采用基礎的機加工即可成型，大大降低了探針的制造成本。同時，探針在結構設計時考慮到了與現有腐蝕監測儀接口匹配，使其在后期的數據采集過程中可直接利用現有型號的腐蝕監測儀，大大降低了應用成本。
【專利說明】
一種自然環境腐蝕監測用電阻探針
技術領域
[0001]本發明屬于環境監測儀器領域，涉及一種自然環境腐蝕監測用電阻探針及其制造方法，尤其是能對大氣腐蝕速率進行實時的監測。
【背景技術】
[0002]大氣腐蝕作為金屬在自然環境中發生的腐蝕損失的最普遍的一種，對其發生過程的監測早已受到人們廣泛的關注和重視。目前，大氣腐蝕監測用方法中最為普遍的幾種為:掛片法，大氣腐蝕監測電池法(ACM)，以及Kelvin探頭參比電極技術。而在這幾種技術中，掛片法因其數據準確率高，操作簡單，成本低廉等優勢使其在實際監測中得到了廣泛應用。相應的ACM法和Kelvin探頭參比電極技術因其基本原理及測量精度的限制，以及現場可操作性，成本等問題使其在實際監測的應用中遇到了必須要解決的困難，目前還未能大面積應用。
[0003]而電阻探針技術作為腐蝕監測用的一種歷史比較悠久的方法，其在實驗研究領域和工業應用領域均得到了很好的發展，且目前該技術的理論研究和技術產品均已相當成熟。然而，在大氣腐蝕監測領域中，該技術的實際應用型產品在我國國內的發展還很不樂觀。我國的大氣腐蝕監測站點中所用技術還為比較耗時耗力的掛片法，而掛片法只能做長期的平均腐蝕速率測評，不能提供連續的腐蝕數據，這一缺點將會嚴重限制其應用。而電阻探針作為一種傳統的監測方法，其監測成本較低，可操作性強，且能提供持續不間斷的實時腐蝕數據。若將其成功應用于大氣腐蝕監測領域，將會對大氣環境腐蝕性測評，建材耐蝕性評定等工作做出巨大貢獻。
[0004]現有技術CN101017127A提供了一種用Kelvin探針(SKP)與石英晶體微天平(QCM)聯合測試金屬材料大氣腐蝕的方法及所用的裝置。測試時，將沉積Pt或Au膜的石英晶片封裝，除油，吹干;將目標金屬沉積到石英晶體片的外表面;調節氣氛箱中氣體流量;利用SKP掃描電極表面電位分布，同時使用QCM檢測電極表面質量的變化。這種技術的廁靈精度較高，可用于特定環境中高精密度的腐蝕測量。然而，該方法的技術特點一一鍍膜成型，決定了其高昂的制作成本，以及隨后的石英晶體為天平的精確度嚴重受待監測環境的影響，使其的應用嚴重受環境的制約，因此該方法只能在特定環境中使用，對于在污染嚴重的工業環境的使用受到限制。要解決該方法的問題，需從其測量的根本原理入手，在簡化制作工藝的基礎上，克服其對待監測環境的不穩定性，降低其監測成本，并穩定其監測精度。
[0005]CN101876624A提供了一種檢測裝置和方法，特別是一種大氣環境中金屬材料腐蝕速率測量探頭及其使用方法。它包括:激勵信號輸入端(1)、試片托盤(2)，多個腐蝕試片、溫度補償試片(5)、激勵信號輸出端(6)和多個響應信號測量端。檢測時，探頭接口與檢測電路相連，對腐蝕試片與補償試片施加同一直流激勵信號；獲取腐蝕試片及補償試片兩端的激勵響應信號，計算腐蝕試片的減薄量，根據上述減薄量求出金屬的腐蝕速率。該技術利用了電阻探針法的基本原理，并加入了溫度補償部分，但其探頭結構以及接線方式設計過于復雜，不但大大提高了探頭的制造成本，同時也加大了導線電阻對探頭自身電阻變化的干擾，降低了其測量靈敏度。對該技術進行改進，可從其探頭的基本結構設計入手，使其制造工藝簡單化，在降低成本的同時也提高了探針自身的測量精度。
【發明內容】
[0006]針對于自然環境中，如大氣，海水，自來水，土壤等對材料的腐蝕情況一般為一個比較緩慢的過程，其腐蝕速率往往相當微小，因此，自然環境腐蝕監測用電阻探針必須要求一個相對高的測量精度；同時，由于監測用探針將會暴露于自然環境中，周圍環境溫度的變化將會對電阻探針本身的電阻率產生一個不可忽視的影響，為了提高探針的測量精度，就必須克服這一影響。另一方面，在保證探針測量精度的同時，為了使其能在工業以及實際測量中大面積應用，必須簡化其制造工藝，降低其生產成本。
[0007]綜上原因，本發明通過以下技術方案來實現:
[0008]—種自然環境腐蝕監測用電阻探針，電阻探針的金屬部分(B)包括測試部分(BI)和參考部分(B2)、以及連接部分(B3)，金屬部分固定于絕緣的塑料板(A)上，其中參考部分用環氧樹脂密封，監測時只有測試部分暴露于腐蝕環境中，其中，測試部分以及參考部分均與導線連接，其中，接線口(I)為恒流源通入口，接線口(5)為恒流源流出口，接線口(I)和接線口( 2)分別連接在測試部分上，接線口( 3)和接線口( 2)之間連接電壓表Vl，( 3)和接線口
(4)之間連接電壓表V2，接線口(3)連接在連接部分上，接線口(I)和接線口(5)分別連接在測試部分和參考部分。
[0009]其中，電阻探針優選采用片狀結構，五根導線通過焊接方式連接。
[0010]優選探針測試部分和參考部分為長方形，其中測試部分的長寬比范圍優選為50-100:3.6-7.2,參考部分的長寬比范圍優選如50-100:1.8-3.6。
[0011]通過大量的實驗發現，為了實現本發明解決的技術問題，探針結構的長寬比可根據待監測環境腐蝕性等級而調整，在腐蝕性弱的情況下，需要選用長寬比高的探針結構(如100:3.6),腐蝕性強的情況下可選用長寬比低的探針結構(如50:7.2)。
[0012]通過大量的實驗，為了實現本發明解決的技術問題，探針結構的厚度可根據待監測環境腐蝕性等級而調整，在腐蝕性弱的情況下，需要選用厚度小的探針結構(如25微米)，腐蝕性強的情況下可選用厚度比較大的探針結構(如500微米)。優選探針本體的厚度設計為25?500微米，具有非常高的靈敏度。
[0013]本發明所述自然環境包括大氣，海水，自來水，土壤等。
[0014]所述電阻探針的金屬部分由不同種類的鋼，金屬合金等材料組成。通過置換探針本體金屬部分，可監測不同材料在某一環境中的腐蝕情況，進行環境腐蝕等級評估或材料耐蝕性分析。
[0015]本發明的在一目的在于提供一種自然環境腐蝕監測方法，使用前述所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，接線口(I)通入恒流源，記錄V1/V2的值，可得到探針電阻變化的情況，從而獲得腐蝕數據。
[0016]所述自然環境包括大氣，海水，自來水，土壤。
[0017]進行腐蝕監測時，數據采集器將通過檢測V1/V2的值而得出測試部分與參考部分的電阻比率，通過對該比值的換算，即可得到探針腐蝕腐蝕部分厚度的變化，從而得出待測的腐蝕速率。
[0018]本發明優選所采用的技術方案為:
[0019]I)電阻探針采用片狀結構，使其金屬表面中的一個表面(測試部分)暴露于腐蝕性環境中，隨著探針在腐蝕環境中發生腐蝕，其探針橫截面積減小，在通過恒流源的情況下，其探針電阻的變化將會反應探針的腐蝕情況；
[0020]2)為了提高電阻的測量精度，獲得高的起始電阻，探針長寬比達最高可達100:3.6的結構，同時探針本體的厚度設計為微米級別(25?500微米)；
[0021]3)為了克服溫度對探針本體電阻變化的影響，探針采用了一部分暴露一部分密封的結構，通過監測二者比值的變化獲得腐蝕速率數據，克服了溫度的影響；
[0022]4)為了提高探針電阻測量的精度，探針采用了四端法測量，并可與現有的腐蝕監測儀進行匹配，不需要特定的腐蝕監測設備，降低了腐蝕監測的成本；
[0023]5)為了降低探針制作的成本，采用了線切割的機械加工方式；
[0024]6)為了提高探針本體的強度，采用了樹脂作為探針本體的基底，將探針金屬部分固定于其上，提高了探針的抗沖擊能力。
[0025]本發明相對于現有技術的有益效果包括:
[0026]提供了一種可用于自然環境腐蝕監測的電阻探針，其測量精度滿足要求，可與現有腐蝕監測儀器相匹配，加工制作成本低廉，可提供持續不斷的腐蝕數據，對自然環境如大氣腐蝕情況的評測，材料耐蝕性的評估，以及緩蝕劑效果的評定等都具有非常重要的作用，可大面積應用于自然環境如大氣腐蝕監測領域中去。
[0027]探針金屬部分采用了線切割的機械加工方式，降低了加工成本。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發明一種自然環境腐蝕監測用電阻探針結構的示意圖。
[0029]圖2是本發明另一尺寸的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針結構的示意圖。
[0030]圖1和2中，A部分為塑料基底，其目的為保證探針的機械強度。B部分為金屬片部分，其基本結構為上下兩個臂(即測試部分(BI)和參考部分(B2)、、以及連接部分(B3))。金屬片上臂為腐蝕暴露部分(即測試部分)，下臂為參考部分，將下臂用環氧樹脂膠密封住，其中，接線口( I)為恒流源通入口，接線口( 5)為恒流源流出口，接線口( 3)和(2)之間連接電壓表VI，(3)和(4)之間連接電壓表V2。
[0031]圖3為采用本發明電阻探針測得的腐蝕損耗圖譜。
[0032]圖4為采用本發明電阻探針測得的腐蝕速率圖譜。
【具體實施方式】
[0033]下面結合具體事例和附圖對本發明作進一步詳細說明，但是本發明的內容不局限于實施例。
[0034]實施例1
[0035]參照圖1所示，一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，電阻探針的金屬部分(BI)包括測試部分(BI)和參考部分(B2)、以及連接部分(B3)，金屬部分固定于絕緣的塑料板(A)上，其中參考部分用環氧樹脂密封，監測時只有測試部分暴露于腐蝕環境中。
[0036]其中，測試部分以及參考部分均與導線連接，其中，接線口(I)為恒流源通入口，接線口(5)為恒流源流出口，接線口(I)和接線口(2)分別連接在測試部分上，接線口(3)和接線口(2)之間連接電壓表Vl，( 3)和接線口(4)之間連接電壓表V2，接線口(3)連接在連接部分上，接線口(I)和接線口(2)分別連接在參考部分，根據Vl/V2的值，可得到探針電阻變化的情況，從而獲得腐蝕數據。
[0037]實施例2
[0038]實施例1所述一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，電阻探針優選采用片狀結構，五根導線通過焊接方式連接。
[0039]優選探針測試部分和參考部分為長方形，其中測試部分的長寬比范圍優選為50mm:7.2mm，參考部分的長寬比范圍優選如50mm: 3.6mm，探針本體的厚度設計為25微米，電阻探針的金屬部分由鋼材料組成。
[0040]實施例3
[0041]實施例2所述一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，探針本體的厚度設計為500微米，電阻探針的金屬部分由合金材料組成。
[0042]實施例4
[0043]如圖2所示，實施例1所述一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其中測試部分的長寬比范圍優選為100mm:3.6mm，參考部分的長寬比范圍優選如50mm: 1.8mm，探針本體的厚度設計為200微米，電阻探針的金屬部分由合金材料組成。
[0044]實施例5
[0045]—種自然環境腐蝕監測用電阻探針的制造方法，探針金屬部分采用了線切割的機械加工方式制備，導線通過焊接方式連接。
[0046]探針制造過程主要分為機械加工、表面處理、焊接接線以及最后的涂膠封裝四部分。其中機械加工工藝主要為線切割。表面處理部分主要為機械磨平，其目的是為了獲得較高的光潔度，避免不均勻腐蝕的發生。焊接用材料為錫鉛釬料，導線用銅絲。封裝材料為環氧樹脂和硅膠，二者結合使用，使其密封性達到要求。
[0047]實施例6大氣腐蝕監測舉例
[0048]采用前述實施例2—4的電阻探針進行大氣腐蝕監測
[0049]探針封裝以后，檢測無誤后即可進行聯機測試，監測系統數據采集器和監測系統服務器連接。
[0050]進行腐蝕監測時，腐蝕數據采集器的數據采集間隔最小為2分鐘，采集所得第一手數據為Rii/R參的比值，數據采集后以表格形式存儲，待從服務器中導出以后，可進行相應的數學計算，得到腐蝕損耗的數據，進而計算出腐蝕速率。
[0051]探針制作以后，在室內環境中進行了性能測試，其結果如圖3所示:從圖3中可以看出，探針在室溫下的腐蝕損耗波動小于40nm，由此我們可以推斷出該探針可識別腐蝕損耗約為80nm，對比目前已有探針數據，該探針的靈敏度滿足自然環境的腐蝕監測要求。
[0052]在室內環境條件下，進行了質量濃度為4.5%的NaCl溶液腐蝕測試，其測試結果如圖4所示:圖4為監測所得的腐蝕速率隨時間變化的曲線，從圖中可以看出，隨著腐蝕時間的延長，其腐蝕損耗逐漸增加，然后到達峰值以后逐漸減小，這與溶液中氯離子隨著腐蝕的進行，其濃度逐漸減小，從而使得腐蝕速率逐漸減小的原理是相符的。圖中曲線為監測六小時后的腐蝕速率曲線圖，計算所得腐蝕速率比較穩定，基本為一條平直的曲線，這表明探針在監測過程中并未發生不均勻腐蝕等情況，其封裝工藝等也達到了標準，未發生溶液浸入等現象，證明目前的工藝是可行的。
[0053]所述電阻探針還可以用于海水，自來水，土壤等的腐蝕監測。
[0054]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其特征在于:電阻探針的金屬部分(B)包括測試部分(BI)和參考部分(B2)、以及連接部分(B3)，金屬部分固定于絕緣的塑料板(A)上，其中參考部分用環氧樹脂密封，監測時只有測試部分暴露于腐蝕環境中，其中，測試部分以及參考部分均與導線連接，其中，接線口(I)為恒流源通入口，接線口(5)為恒流源流出口，接線口( I)和接線口( 2)分別連接在測試部分上，接線口( 3)和接線口( 2)之間連接電壓表Vl，( 3)和接線口(4)之間連接電壓表V2，接線口(3)連接在連接部分上，接線口(I)和接線口(5)分別連接在測試部分和參考部分。2.根據權利要求1所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其特征在于:電阻探針采用片狀結構，五根導線通過焊接方式連接。3.根據權利要求1所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其特征在于:優選探針測試部分和參考部分為長方形，其中測試部分的長寬比范圍優選為50-100:3.6-7.2,參考部分的長寬比范圍優選如50-100:1.8-3.6。4.根據權利要求1所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其特征在于:探針本體的厚度設計為25?500微米。5.根據權利要求1一4任一權利要求所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其特征在于:所述自然環境包括大氣，海水，自來水，土壤等。6.根據權利要求1一4任一權利要求所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，其特征在于:所述電阻探針的金屬部分由不同種類的鋼，金屬合金等材料組成。7.—種自然環境腐蝕監測方法，其特征在于，使用權利要求1一6任一權利要求所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針，接線口(I)通入恒流源，記錄V1/V2的值，可得到探針電阻變化的情況，從而獲得腐蝕數據。8.根據權利要求7所述的一種自然環境腐蝕監測方法，其特征在于，所述自然環境包括大氣，海水，自來水，土壤等。9.一種權利要求1 一4任一權利要求所述的一種自然環境腐蝕監測用電阻探針的制造方法，探針金屬部分采用了線切割的機械加工方式制備，導線通過焊接方式連接。
【文檔編號】G01N17/00GK105891092SQ201610187966
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發明人】武俊偉, 陳鳳琴, 李祚華
【申請人】哈爾濱工業大學深圳研究生院