陣列電極電化學測試系統的研發與應用*

蘇林海，胡杰珍，鄧培昌，王　貴

(廣東海洋大學，廣東　湛江　524088)

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陣列電極電化學測試系統的研發與應用*

蘇林海，胡杰珍，鄧培昌，王貴

(廣東海洋大學，廣東湛江524088)

構建、設計多通道陣列電極電化學測試系統，并在該系統下對Q235碳鋼陣列電極進行電偶電流與電壓同步測試。基于 LabVIEW 開發了測試系統軟件平臺，系統自動完成陣列電極的電偶電流與電壓測試、數據采集與存檔。該測試系統具有測試速度快、測試精度高、電流與電壓同步性好和易與其它電化學測量技術耦合等優點。實驗結果表明：Q235在海水液滴下的腐蝕出現典型的Evans環現象，液滴的中心區是陽極區域，液滴的周圍是陰極區域，形成氧濃差梯度是發生電偶腐蝕的主要原因。

測試系統；LabVIEW；Q235；Evans環

陣列電極又叫做絲束電極(Wire Beam Electrode， WBE)，是由一系列按規則排列的微小電極截面組成的電極來代替大面積的金屬電極[1]；陣列電極的特點是通過測量每個微小電極的電化學信號，從而獲得電化學參數分布情況，進而研究金屬材料表面腐蝕的電化學非均勻性。陣列電極技術已經成為研究腐蝕電化學的重要手段。

隨著陣列電極應用范圍的擴展，越來越多的科研工作者開始研究WBE技術。為了獲得多通道陣列電極的電化學信號，通常采用手工方法切換電極，由電化學工作站、恒電位儀、萬用表等設備測試。因為WBE的通道數較多，手工方法會帶來大量的重復性操作、從而延長測試時間、形成較大誤差；王偉，王佳等[2]采用NI公司的PXI-1033機箱、PXI-2535矩陣開關、PXI-4071 數字萬用表和 PXI-4022 電流放大器等模塊化儀器搭建了一套電化學測試儀，并進行了金屬表面/微生物膜的非均勻腐蝕的研究，然而，該測試儀由于硬件配置和數字萬用表接線的限制，陣列電極的電位掃描和電流掃描需分開進行測試，且在利用矩陣開關進行多通道電流掃描的時間較長，導致測量得到的電流數據和電壓數據的同步性不理想。

針對上述問題，本文利用NI公司的模塊化儀器和虛擬軟件 (LabVIEW) 對陣列電極測試系統進行改進和升級，與文獻[2]報道的測試系統相比，本文建立的測試系統在硬件配置上增加了一塊PXI-4071數字萬用表，然后，充分利用PXI-2535矩陣開關既有的4條行測試通道，通過開關矩陣的快速切換進行電偶電位和電偶電流的近同步測試。PXI-2535矩陣開關Row0和Row1連接一塊PXI-4071數字萬用表進行單根微電極的電偶電位測量；Row2 和 Row3連接另一塊PXI-4071數字萬用表進行單根微電極與其余耦合的微電極間的電偶電流測量。并基于LabVIEW重新編寫測試程序，對每一個微電極通過矩陣開關高速切換來進行順序、輪轉檢測。同時該測試系統的測試效率顯著提高，可獲得待測對象近同步的電化學分布信息。本文利用該系統測試碳鋼Q235在海水液滴下的腐蝕電化學行為。

1　自動測試系統設計

1.1系統硬件構成

硬件測試系統由模塊化儀器組成，包括PXI-2535矩陣開關、兩塊PXI-4071數字萬用表和PXI-4022電流放大器、獨立主控式硬件系統的嵌入式控制器及外設模塊的PXI -1042 8插槽機箱。臺式計算機或者便攜式計算機通過具有集成NI PXI-8360 MXI-Express控制模塊實施遠程控制PXI機箱。系統框圖見圖1。

圖1　系統框圖Fig.1　System diagram

MXI-Express作為系統的獨立主控，不僅控制NI PXI-1042機箱中的所有儀器模塊，同時通過PC機上運行的軟件 (LabVIEW) 測試程序與NI PXI-1042機箱中的各儀器模塊交互，定義測試系統的實際功能。

在硬件模塊中，NI PXI-2535矩陣開關采用4×136 (1線) 矩陣配置，擁有四個行通道電路(R0 ～R3)、136個列通道電路(C0～C135) 以及高達50000個交叉點/秒的高速切換速度，在NI PXI-8360控制下完成所選擇的微電極與NI PXI-4071數字萬用表或NI PXI-4022電流放大器測試端之間的連接與斷開。

兩塊NI PXI-4071數字萬用表分別用來測量電偶電流和電偶電壓，可以滿足絕大部分電偶腐蝕測試要求，其中電位測量的精度為7位半，測量范圍為10 nV～1000 V，輸出阻抗大于1010Ω；電流測量的精度為6位半，測量范圍為1 pA～3 A。NI PXI-4022電流放大器是1塊高精度、高速的微弱電流放大器，靈敏度高，可達1 pA，可連接NI PXI-4071數字萬用表測量噪聲為fA級的pA級電流信號，滿足測試的需求。

1.2系統的軟件設計

1.2.1系統的流程圖設計

系統軟件設計包括系統初始化、串口通信、MXI-Express控制、儀器連接、數據顯示、數據保存、數據查詢等模塊。

系統的初始化是設置NI PXI-8360 MXI-Express和USB的參數，實現PXI-2535矩陣開關通道電路、PXI-4071數字萬用表和PXI-4022電流放大器3個模塊的通信連接的建立，并初始化這3個模塊的工作參數。串口通信是傳輸通道選擇信號使其自動選擇測試通道，MXI-Express控制模塊是通過軟件程序控制矩陣開關完成在多通道下的電流與電壓的同步測試。數據采集模塊是通過虛擬儀器軟件LabVIEW的數據采集功能實現自動采集。數據保存和查模塊是把采集的數據進行Excel數據儲存和查找。整個軟件流程圖見圖2。

圖2　測試系統程序流程圖Fig.2　Test system program flow chart

1.2.2系統的前面板設計

系統用戶界面簡單明了，易操作與識別，如圖3所示左側是參數設置區，右側是數據顯示區。

參數輸入區是對儀器的名稱，串口通信的參數、分辨率、范圍、拓撲結構、增益等進行設置。前面板最下面是儀器連接、開始測量、數據保存和查詢模塊。在數據測試完畢后，數據保存模塊才處于啟用狀態，對電偶電流與電偶電壓進行保存。保存完后可以隨時查看實驗數據。整個界面采取表單式的填寫，以及內部校驗和數據提示是否為正確格式。

圖3　測試系統前面板圖Fig.3　Front panel figure test system

1.2.3系統模塊設計

(1) 控制系統模塊設計：控制系統的整體運行框架對一個軟件系統至關重要。一個好的整體構架，決定著應用層各功能模塊的通信方式和開發方式，也決定著系統運行效率的高低和資源的占用多少。結合本系統的特點，決定使用生產者-消費者模式，即用戶點擊相應功能控件，系統便進行相關操作。應用隊列和事件觸發結構最大程度的減小系統占用和減少誤操作的產生。

控制系統模塊有兩個循環，一個循環響應按鈕的動作，另一個循環執行相應的操作。比如單擊“連接儀器”按鈕一下，相應的值便被存入隊列中，我們知道隊列是先進先出的，后面元素出隊列后就可以進行相應的操作了。

(2) 數字萬用表模塊設計：PXI-4071有單點測量、多點測量、連續測量和波形測量等工作模式，電極按順序進行測試，所以這里采用單點測量。測量步驟包括：空閑、等待觸發、延時、測量、測量完成。

首先調用nIDMM initialize.vi對萬用表進行初始化，接著調用niDMM Configure Measurement.vi配置萬用表的測量模式、分辨率、范圍等，然后等待一定延時，最后調用niDMM read.vi讀取萬用表的測量值，進行電壓和電流的的測試。程序框圖如圖4所示。

圖4　萬用表的測量值讀取程序框圖Fig.4　The measured value of the multimeter reading program block diagram

(3) 開關矩陣模塊設計：PXI-2535開關矩陣的拓撲結構是個矩陣，工作時有立即和掃描兩種模式，結合本系統實際需要這里采用立即模式，連接步驟如下：

首先調用niSwitch Initialize With Topology.vi對開關進行初始化及選擇拓撲結構；接著 調用niSwitch Connect Channels.vi將指定通道連接起來；最后調用niSwitch Wait For Debounce.vi等待開關防止其抖動。矩陣開關的高速切換，實現電偶電流與電偶電壓的近同步測試。

(4) 數據保存及查詢模塊設計：當絲束電極的電流和電位采集完畢后，通過寫入電子表格文件.vi將數據存入excel文件中實現數據的存儲；查詢時，通過執行系統命令.vi輸入打開文件夾的linux命令，實現數據查詢。

2　自動測試系統的應用

2.1陣列電極制作

陣列電極的電極材料是碳鋼Q235(Φ2.0 mm)，將碳鋼絲截成5種長度不一小的碳鋼絲，在截取的碳鋼絲(Φ2.0 mm)焊接上導線，插入模具中，用配制好的環氧樹脂封成8×8陣列電極。在測試前，依次用60、120、400、800、1000目的砂紙對微電極表面進行打磨，然后依次使用無水乙醇和丙酮進行清洗，用吹風機涼風吹干，把處理好的電極放在干燥箱中備用。

陣列電極的面積為4×4 cm2，微電極數8×8。在陣列電極2×2 cm2范圍內滴加取自湛江海灣的海水。每隔一小時測試一次電偶電流與電偶電壓，直到液滴蒸發完為止。如圖5 所示。

圖5　絲束電極Fig.5　Wire beam electrode

2.2研究數據分析

圖6　在海水液滴下碳鋼表面不同時間的電偶電流分布圖Fig.6　The surface of carbon steel in the water droplet distribution of galvanic current at different times

圖6給出了海水液滴下碳鋼表面不同腐蝕時間的電偶電流分布圖。正值代表陽極電流， 負值代表陰極電流，顏色坐標代表了電流的大小。

由圖6可以看出，液滴下Q235表面的電流分布不均勻，液滴中心區域為陽極區， 邊緣為陰極區，出現典型的Evans環現象。由于海水液滴下各處的液膜厚度不同，產生氧濃差梯度，發生局部腐蝕，邊緣處厚度小，氧擴散速度快，發生陰極氧還原反應：

O2+2H2O+4e-=4OH-

中心處厚度最大，氧擴散速率慢，陽極發生溶解反應：

Fe=Fe2++2e-

由圖6可發現，在腐蝕不同階段，碳鋼的電偶電流分布呈現出不同的分布情況。腐蝕0 min時，液滴中心區為陽極區，邊緣為陰極區，且陽極電流強度低，顏色淺。腐蝕120 min和180 min時液滴中心區有兩個明顯的陽極電流峰，顏色深，陰極區在液滴邊緣，顏色也最深，形成強電偶腐蝕，同時在周圍出現分散電流。在腐蝕初期Q235表面沒有銹層覆蓋，氧的去極化作用使中心區的陽極反應更劇烈。在腐蝕240 min時，電流強度稍有降低。這些結果表明，隨著腐蝕反應的進行，由于氧氣的消耗，中心區的含氧量下降，腐蝕300 min后氧氣擴散達到平衡，陰極區和陽極區的形狀大小基本不變，腐蝕區域穩定。此時液滴下銹層已經基本覆蓋整個液滴，銹層的覆蓋會抑制金屬的陽極溶解和陰極氧化還原反應，因而液滴下的腐蝕趨于均勻。圖7給出了海水液滴下Q235表面不同時間的電偶腐蝕電壓分布圖，電偶電壓呈現典型的環狀分布，液滴區域電位低，液滴周圍電位高。這是因為液滴區域溶解氧濃度低，液滴周圍溶解氧濃度高，電位較低的液滴區是陽極、而電位較高的液滴周圍區域是陰極。形成這種分布與電偶電流分布規律基本上是一致的。

在測量過程中，本測試系統無需人工操作，避免了人為操作失誤而引入的誤差；本測試系統掃描一遍陣列電極的時間可根據需要調整，8×8陣列電極測試時間最短可達2 min，相對人工的數小時，效率大幅提高，保障了測試數據的同步性。

圖7　在海水液滴下碳鋼表面不同時間的電偶電壓分布圖Fig.7　The surface of carbon steel in the water droplet distribution of electric voltage at different times

3　結論與展望

本文建立的測試系統在儀器連接方式、硬件配置和矩陣開關的利用率上，以及測控軟件架構程序、測試方法和時序上，均帶有與其他測試系統顯著不同的特點。其技術優勢在于：

(1) 單根微電極絲的電偶電流和電偶電位幾乎同時測得，在很大程度上改善數據的同步性；

(2) 測試速率極大的提高，降低由于濃差極化帶來的影響；

(3) 測量過程無需手動插拔外部接口通道電路來切換電流和電位測試，降低儀器接口損耗率，提高測試過程自動化程度。

軟件系統的前面板界面操作簡單、高效。研制的系統實現了電偶電流與電偶電壓的近同步測試，完成了Q235陣列電極在海水液滴下實驗測試，實驗結果達到了預期目標。該測試系統還可以應用于其它類型的陣列電極的電偶腐蝕電流與電壓測試。

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Development and Application of Wire Beam Electrode Electrochemical Test System*

SU Lin-hai, HU Jie-zhen, DENG Pei-chang, WANG Gui

(Guangdong Ocean University, Guangdong Zhanjiang 524088, China)

The electrochemical measurement system of wire beam electrode (WBE) was designed and built. Using this system, the galvanic current and galvanic voltage of carbon steel (Q235) WBE was measured synchronously. The software of measurement system based on LabVIEW was developed. The software included some main functions such as the simultaneous measurement of the galvanic current and galvanic voltage, data acquisition and data storage. The measurement system had the advantages of high testing speed, high testing accuracy, high synchronism of current and voltage, and easily-coupled with the other electrochemical measurement techniques. The results showed that Q235 will appear typical Evans ring phenomenon under the corrosion of seawater droplets. The oxygen concentration between the central and peripheral area of seawater droplet was the major culprits of galvanic corrosion. The central area of seawater droplet was anode area, and the peripheral area of seawater droplet was cathode area.

test system; LabVIEW; Q235; Evans ring

湛江市科學技術局重點實驗室項目(No:2015A06003)；廣東省自然科學基金項目(No:2015A030313619)。

蘇林海，男，(1986-)，碩士研究生，研究方向為海洋腐蝕與防護。

王貴，教授，博士，研究方向為海洋腐蝕與防護。

TP273

A

1001-9677(2016)09-0052-05