一种恒电流间歇式阴极保护和加速腐蚀系统及其实现方法

摘要

本发明涉及外加电流阴极保护技术及其试验研究领域的一种恒电流速率间歇阴极保护和加速腐蚀系统及其实现方法。本发明具有多路恒流输出的间歇阴极保护和加速腐蚀功能，所述加速腐蚀系统和阴极保护系统设有共用的PWM恒流控制模块和脉宽调制单端变换器。本发明能以恒定电流间歇式进行阴极保护，降低了阴极保护成本，同时又具有恒电流速率进行加速腐蚀的功能，可准确预测钢筋锈蚀状态。其恒流可调的特点满足不同钢筋数量的RC结构外加电流阴极保护和和加速腐蚀试验中的技术需求，两种功能具有共用的系统模块，节省了成本。

说明书

技术领域

本发明专利涉及外加电流阴极保护技术及其试验研究领域，具体为一种恒定电流间歇阴 极保护和加速腐蚀系统及其实现方法。

背景技术

随着我国近几十年来交通建设的日益饱和，越来越多的旧桥梁、老码头和旧房屋建筑结 构等因不利环境而遭受腐蚀破损，亟需进行修补加固和防腐。目前，为研究钢筋混凝土结构 腐蚀破坏机理常采用外加电流加速腐蚀试验，即在钢筋（用作阳极）和辅助阴极（如钛网或 铜网等）之间施加直流电流，使Cl^-1等有害介质快速向阳极（钢筋）表面集聚，从而破坏钢筋 的钝化模，继而发生混凝土结构锈胀开裂和腐蚀破损；若施以反向电流，则可以使Cl^-1等有害 离子往辅助阳极迁移，降低钢筋表面的氯离子含量和阻止外界氯离子向阴极即钢筋表面的迁 移，继而实现外加电流阴极保护功能。然而，由于腐蚀发展导致负载阻抗的变化，一般稳压 电源不能据此调节并保持加速腐蚀速率恒定，难以准确预测钢筋锈蚀状态。同时，随着钢筋 腐蚀程度的增加，钢筋达到极化的阴极保护所需电流密度也随之增加，而一般的外加电流阴 极保护系统亦没有辨识因腐蚀电位正移等因素导致的负载阻抗变化，在不需要外加电流时仍 进行阴极保护，浪费了电能，降低了系统的经济性和可靠性。即目前该类系统不能满足RC结 构加速腐蚀试验及防腐工程中外加电流阴极保护的需求。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有加速腐蚀试验电源系统不能以恒定速率进行加速腐蚀以及 同时满足多路钢筋混凝土结构试件进行加速腐蚀试验和阴极保护需求的不足，公开一种恒电 流间歇式阴极保护和加速腐蚀系统及其实现方法。

为了达到上述目的，采用如下技术方案：

一种恒电流间歇式阴极保护和加速腐蚀系统，包括自动识别负载阻抗变化并保持恒定电 流间歇输出的阴极保护电路和自动识别负载阻抗变化并保持恒定电流输出的加速腐蚀电路， 所述加速腐蚀电路和阴极保护电路设有共用的脉宽调制单端变换器和PWM恒流控制模块，加 速腐蚀电路和阴极保护电路通过切换模块切换。

进一步地，所述脉宽调制单端变换器包括高频输出变压器、开关调节管、采样反馈电阻 和驱动电路；所述驱动电路驱动开关调节管输出大功率高频电流，与开关调节管连接的高频 输出变压器连接一个以上次级获得一路以上低压高频电流，所述采样反馈电阻用于采集高频 输出变压器输出的经整流后的低压电流并提供至PWM恒流控制模块。

进一步地，所述PWM恒流控制模块包括负反馈放大器、脉宽调制器和电流调节器，电流 调节器连接负反馈放大器的输入端，负反馈放大器输出端连接脉宽调制器，通过脉宽调制器 调节脉宽调制单端变换器的开关调节管的占空比，输出可调的恒流。

进一步地，所述加速腐蚀电路还包括PWM恒流控制模块和加速腐蚀负载模块，所述加速 腐蚀负载模块一端连接被腐蚀构件，另一端连接脉宽调制单端变换器。

进一步地，所述被腐蚀构件和脉宽调制单端变换器之间还设有串联连接的整流二极管、 高频滤波器和三端稳压块。

进一步地，所述电流间歇输出的阴极保护电路还包括阴极保护参比电极电位控制模块， 其包括用于设定保护电位上限的保护电位调节器、用于比较参比电极电位和保护电位大小的 滞后正反馈比较器、用于设定保护电位下限的参比电极变化范围调节器、以及与滞后正反馈 比较器输出端连接的光耦器，所述保护电位调节器和参比电极变化范围调节器连接滞后正反 馈比较器，通过控制光耦器的导通或截止，进一步控制PWM恒流控制模块；阴极保护负载模 块，其一端连接阳极，一端连接脉宽调制单端变换器，两端之间设有串联连接的整流二极管、 高频滤波器和三端稳压块。

一种恒电流间歇式阴极保护和加速腐蚀系统的实现方法，包括功能切换模块切换至加速 腐蚀电路，PWM恒流控制模块调节脉宽调制单端变换器的开关调节管的占空比，输出可调的 恒流；功能切换模块切换至阴极保护电路，阴极保护参比电极电位控制模块通过电流调节器 控制PWM恒流控制模块，进而控制脉宽调制单端变换器输出间歇电流。

进一步地，所述PWM恒流控制模块的负反馈放大器从采样反馈电阻获得电流反馈信号至 其反相输入端；负反馈放大器的输出端控制脉宽调制器的占空比，调节脉宽调制单端变换器 的开关调节管的开关时间比，获得可调恒流输出；脉宽调制单端变换器的高频输出变压器连 接加速腐蚀负载模块获得低压高频电流；低压高频电流经过整流二极管整流后，再通过依次 串联连接的三端稳压块、高频滤波器、一个以上被腐蚀构件，获得一路以上直流低压恒流输 出。

进一步地，接通电源时，阴极保护参比电极电位控制模块的光耦器导通，脉宽调制器的 占空比升高，开关调节管的恒流输出增大，参比电极电位缓慢上升；参比电极电位上升超过 保护电位调节器设定的保护电位上限，滞后正反馈比较器翻转；滞后正反馈比较器翻转后， 光耦器不导通，三极管饱和，脉宽调制器的占空比最小，开关调节管的恒流输出接近零，参 比电极电位缓慢下降；参比电极电位下降到参比变化范围调节器设定的保护电位下限，滞后 正反馈比较器再次发生翻转，阴极保护参比电极电位控制模块恢复到接通电源时的状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）通过改变开关调节管的开关时间比以及在高频输出变压器连接多个次级获得多路低 压高频电流输出，在整流二极管和负载之间增加三端稳压块和高频滤波器，从而实现多路可 调恒定直流输出。可用于对RC结构进行恒定速率加速腐蚀试验，模拟自然环境下混凝土结构 的钢筋锈蚀破损，缩减试验时间，可较准确、方便地预测钢筋锈蚀状态。

（2）通过采用滞后正反馈电压比较器作为电位控制器，其输出的开关信号控制PWM输入 端，改变其输出状态，可实现阴极保护外加电流的间歇输出。用于在腐蚀环境下施加外加电 场对RC结构进行阴极保护，从而使得电子迁移导致的电化学腐蚀得到抑制，使结构避免或减 弱腐蚀的发生。

（3）由室内试验确定的最佳比较点电位和最合适的滞后正反馈比较器特性的宽度，可使 得系统在不断的间歇通电过程中，参比电位的变化均在阴极保护的范围之内，而断电的时间 又足够长，从而比连续通电节省最大限度的电能。根据现场需要对输出电流进行大范围调节 以及对空载电压进行控制，这种调节对于不同现场条件下获得经济、有效的阴极保护是必不 可少的。

附图说明

图1是本发明所述的恒电流间歇式阴极保护和加速腐蚀系统的系统框图；

图2是本发明所述的恒电流间歇式阴极保护和加速腐蚀系统的具体模块框图；

图3是本发明所述的脉宽调制单端变换器电路图；

图4是本发明所述的PWM恒流控制模块电路图；

图5是本发明所述的阴极保护参比电极电位控制模块电路图。

图示：1-加速腐蚀电路；11-加速腐蚀负载模块；

2-阴极保护电路；21-阴极保护参比电极电位控制模块；22-阴极保护负载模块；

3-共用电路；31-脉宽调制单端变换器；32PWM恒流控制模块；

4-切换模块。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明的结构示意图。本发明主要包括自动识别负载阻抗变化并保持 恒定电流间歇输出的阴极保护电路2、自动识别负载阻抗变化并保持恒定电流输出的加速腐蚀 电路1、以及两电路切换的切换模块4。其中两者设有共用电路3。共用电路3包括脉宽调制单 端变换器31（逆变器）和PWM恒流控制模块32。

如图1、图2所示，本实施例的自动识别负载阻抗变化并保持恒定电流输出的加速腐蚀 电路1主要包括加速腐蚀负载模块11、脉宽调制单端变换器31以及PWM恒流控制模块32。 电流间歇输出的阴极保护电路2主要包括脉宽调制单端变换器31、阴极保护参比电极电位控 制模块21电路和阴极保护负载模块22。脉宽调制单端变换器31为PWM恒流控制模块32和 阴极保护参比电极电位控制模块21提供驱动电源。图2中，阴极保护参比电极电位控制模块 21与PWM恒流控制模块32通过切换模块4连接。阴极保护参比电极电位控制模块21主要包 括依次连接的跟随器、放大器、滞后正反馈比较器和光耦器，还设有参比电极变化范围调节 器和保护电位调节器。所述参比电极变化范围调节器、保护电位调节器分别与滞后正反馈比 较器连接。参比电极变化范围调节器调节保护电位的下限，保护电位调节器调节保护电位的 上限。

如图3所示，脉宽调制单端变换器31的高频高压部分由开关调节管，高频输出变压器T2和 驱动电路组成。其中开关调节管由采用电压控制型的半导体功率器件IGBT管BG14、BG15、BG16、 BG17组成，驱动电路由三极管BG10、BG11、BG12、BG13组成。驱动电路BG10、BG11、BG12、 BG13通过输入变压器T1从脉宽调制器IC1获得输入信号，驱动开关调节管BG14、BG15、BG16、 BG17，高频输出变压器T2就获得大功率高频输出，高频输出变压器T2的次级主绕组输出低压 高频电流，经过整流二极管D27、D28整流后，主负载得到需要的大功率恒流。高频输出变压 器T2可设置多个次级。所述次级包括加速腐蚀负载模块和阴极保护负载模块。加速腐蚀负载 模块包括公共线（阳极），所述公共线为铜网或钛网。加速腐蚀负载模块一端连接一个以上被 腐蚀构件，所述被腐蚀构件为钢筋；另一端连接脉宽调制单端变换器。这样就可以获得一路 以上低压电流输出。阴极保护负载模块包括被保护构件（阴极），所述被保护构件为钢筋。阴 极保护负载模块一端连接一个以上阳极，所述阳极为铜网或钛网；另一端连接脉宽调制单端 变换器。在脉宽调制单端变换器和被腐蚀构件、阳极之间分别设置串联连接的整流二极管、 三端稳压块和高频滤波器。

如图4所示，负反馈放大器IC2，采样反馈电阻W8（图3）和脉宽调制器IC1组成恒流控制 电路。上述电路用于加速腐蚀电路和阴极保护电路的高精度大功率恒流输出闭环负反馈控制。 采样反馈电阻W8设于高频输出变压器T2的输出端，采集高频输出变压器输出的经二极管整流 后的低压电流。通过给定负反馈放大器IC2的同相输入端一个电位，负反馈放大器IC2的反相 输入端从采样反馈电阻W8获得电流（恒流源负载电流）负反馈信号，负反馈放大器IC2输出端 通过控制脉宽调制器IC1的占空比，使负载获得同负反馈放大器IC2同相输入端给定电位对应 电流相一致的稳定电流，从而实现恒流输出。而输出的恒流大小则通过改变负反馈放大器IC2 同相输入端的给定电位来调节脉宽调制器IC1，从而改变开关调节管的开关时间比（占空比）， 开关时间比越大（导通时间越大，关断时间越少），输出电流则越大；开关时间越小（导通时 间越小，关断时间越大），输出电流则越小。而负反馈放大器IC2的同相输入端给定电压是由 电流调节电位器W1来调节，当负反馈放大器IC2的同相输入端给定电压越大，则负反馈放大器 IC2输出端电压越大，从而使脉宽调制器IC1输出的方波占空比越大；反之，负反馈放大器IC2 的同相输入端给定电压越小，则负反馈放大器IC2输出端电压越小，使脉宽调制器IC1输出的 方波占空比越小，从而实现可调的恒流源大功率输出。开关调节管采用电压控制型的半导体 功率器件IGBT管。IGBT管BG14、BG15、BG16、BG17组成开关调节管电路，实现恒流开关调节。 空载电压电位器W2与脉宽调制器IC1的同相输入端连接，通过调节空载电压电位器W2可以方便 地改变脉宽调制器IC1的同相输入端给定电压，从而可以在一定范围内改变恒流源空载电压。 脉宽调制单端变换器和PWM恒流控制模块可自动辨识加速腐蚀电路和阴极保护电路主负载的 阻抗变化，加速腐蚀电路输出电路和阴极保护电路输出电流由于反馈的作用，始终都能保持 恒流输出。

如图5所示，阴极保护参比电极电位控制模块21主要由三极管BG9、桥式整流器IC8，滞后 正反馈比较器IC6A，光耦器IC7，参比电极变化范围调节器W7以及保护电位调节器W6组成。通 过参比电极变化范围调节器W7、保护电位调节器W6分别设定保护电位下限、保护电位上限。 保护电位上限和下限构成了滞后宽度。放大器IC6B输出端通过电阻R33连接至滞后正反馈比较 器IC6A的反向输入端，保护电位调节器W6的可调端通过电阻R47连接至滞后正反馈比较器IC6A 的同向输入端。参比电极变化范围调节器W7的可调端和一端短接后分别通过电阻R50接到滞后 正反馈比较器IC6A的输出端，电阻R49连接到比较器IC6A的同向输入端。参比电极的参比电位 通过接插件J5、跟随器IC6C、放大器IC6B、参比变化范围调节器W7、保护电位调节器W6，滞 后正反馈比较器IC6A控制光耦器IC7,从而控制三极管BG9的导通或者截止，进而控制PWM恒流 控制模块电路。阴极保护电路和加速腐蚀电路的切换主要通过切换模块的三极管BG9实现。通 过控制三极管BG9的工作状态，以及如图5所示的闸刀开关K，实现两电路的切换。

接通电源后，参比电极电位缓慢上升，一旦上升到超过保护电位调节器设定的保护电位 上限，滞后正反馈比较器IC6A翻转。当滞后正反馈比较器IC6A发生翻转，光耦器IC7不导通， 三极管BG9饱和。三极管BG9与PWM恒流控制模块11连接，令开关调节管的电流调节变为零。此 时，脉宽调制器IC1的占空比最小，通过开关调节管BG14、BG15、BG16、BG17使电流输出接近 零。随后，参比电极电位缓慢下降，在参比电极电位下降到参比电极变化范围调节器设定的 保护电位下限之前，钢结构物仍然受到阴极保护，不被腐蚀。一旦参比电极电位下降到后宽 度调节器设定的保护电位下限，滞后正反馈比较器IC6A则再次发生翻转,整个阴极保护参比电 极电位控制模块21电路恢复到刚接通电源的初始状态。即阴极保护电路的负载工作在不断的 间歇通电过程中，参比电极电位的变化均在保护电位的上下限范围之内。本阴极保护电路输 出间歇式恒流。其在检测到参比电极电位下降到保护电位下限后，阴极保护电路输出恒流； 参比电极电位上升超过保护电位上限后，阴极保护电路停止工作。与保持恒电位的阴极保护 电路相比，本阴极保护电路更节能。

本发明使土木结构中的电化学防腐技术具有自动辨识阴极保护及加速腐蚀电路中负载阻 抗的变化，保持加速腐蚀和阴极保护的恒定速率。