張杰梁 黃 洪 呂光明 方 杰

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院， 福州 350003)

0 引言

混凝土氯離子電通量測定儀(以下簡稱電通量儀)是一種用于測量混凝土結(jié)構(gòu)耐久性指標(biāo)的專用設(shè)備。它是在一定的溫度下，在混凝土試件兩端施加一定的直流電壓(通常為60V)，然后采集流過混凝土試件的電流，通過積分計(jì)算出固定時(shí)間內(nèi)通過混凝土的電通量,得出混凝土的氯離子滲透性參數(shù)，從而間接判斷混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。如何確?；炷聊途眯詼y試儀器在這些設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮積極作用，保證混凝土耐久性測試儀器為氯離子侵蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供正確參數(shù)并為建筑物的安全提供保證，這是計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)必須考慮并予以解決的問題[1]。

鑒于此，本文將對電通量儀的基本原理進(jìn)行闡述，對該類儀器的校準(zhǔn)技術(shù)展開討論和研究，并提出該類儀器的量值溯源方法，從而確保該類儀器提供準(zhǔn)確、可靠的測量結(jié)果。

1 電通量儀的基本原理

電通量儀可定量評價(jià)混凝土抵抗氯離子滲透的能力，為氯離子侵蝕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工以及使用壽命的評估與預(yù)測提供基本參數(shù)。其基本工作原理是：整機(jī)主要由電壓輸出系統(tǒng)、電流采樣系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成。電壓輸出系統(tǒng)為一個(gè)60V的直流電壓輸出裝置，且在58～62V之間可微調(diào)，輸出電壓的最大允許誤差為±0.1V。電流采樣系統(tǒng)用于采樣通過混凝土試樣的電流，顯示值精確至0.5mA，相對誤差一般優(yōu)于±0.25%。溫度測量系統(tǒng)主要用于測量試樣槽溶液的溫度，測溫范圍一般為0～100℃，且最大允許誤差為±0.3℃。

電通量儀工作時(shí)，在直流電壓的驅(qū)動(dòng)下，溶液中的氯離子通過混凝土試樣形成電流。隨著時(shí)間的推移，儀器可自動(dòng)測量、記錄通過混凝土試樣的電流，并通過RS232或其它通訊接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過積分計(jì)算出固定時(shí)間(一般為6h)內(nèi)通過混凝土試樣的電通量,并作出相應(yīng)的曲線圖，從而根據(jù)曲線圖判斷混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性指標(biāo)[2-3]。電通量儀的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，上位機(jī)軟件部分構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)框圖

圖2 上位機(jī)軟件部分構(gòu)成示意圖

2 校準(zhǔn)電通量儀校準(zhǔn)設(shè)備的選擇

由電通量儀的工作原理可知，其整個(gè)工作回路是：電壓輸出系統(tǒng)的正極、NaCl溶液、混凝土試樣、NaOH、電壓輸出系統(tǒng)的負(fù)極。顯然，要實(shí)現(xiàn)對電通量儀的校準(zhǔn)，首先應(yīng)選擇合適的電阻負(fù)載對整個(gè)回路進(jìn)行模擬。根據(jù)建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 261—2009《混凝土電通量測定儀》，應(yīng)采用準(zhǔn)確度等級為0.01級300Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻和準(zhǔn)確度等級為0.1級的600Ω和1500Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻連接與電壓輸出端口之間來驗(yàn)證電通量儀采樣電流的準(zhǔn)確度。但實(shí)際上一般的高等級標(biāo)準(zhǔn)電阻都無法承受如此大的電流，解決辦法是采用錳銅線專門繞制電阻負(fù)載，以保證功耗的達(dá)標(biāo)和阻值的穩(wěn)定性。此外，隨著電子負(fù)載技術(shù)的成熟和發(fā)展，亦可使用高精密直流電子負(fù)載來完成對整個(gè)回路的模擬，從而實(shí)現(xiàn)對電通量儀的校準(zhǔn)。解決回路的負(fù)載之后，即可使用高準(zhǔn)確度直流電壓電流表實(shí)現(xiàn)電通量儀輸出電壓和采樣電流兩個(gè)參數(shù)的校準(zhǔn)。

建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 261—2009《混凝土電通量測定儀》中規(guī)定，電通量儀輸出電壓60V點(diǎn)的最大允許誤差為±0.1V，采樣電流最大允許誤差為±0.25%。故選擇標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，直流數(shù)字電壓表相應(yīng)點(diǎn)的誤差限值應(yīng)不超過±0.02V，采樣電流在實(shí)際測量范圍內(nèi)的誤差限值應(yīng)不超過±0.05%。關(guān)于溫度校準(zhǔn)設(shè)備，可采用標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)并以恒溫油槽作為輔助設(shè)備來完成對電通量儀溫度的校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的誤差限值應(yīng)不超過±0.1℃[4]。

3 電通量儀的校準(zhǔn)方法

3.1 輸出電壓的校準(zhǔn)

由電通量儀的基本原理可知，該儀器的直流輸出電壓為60V，一般的電通量儀都具備6個(gè)這樣的測試通道。所以校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)直流電壓表對各個(gè)通道逐一進(jìn)行校準(zhǔn)。考慮到電通量儀的電壓輸出系統(tǒng)是給NaCl溶液、混凝土試樣、NaOH等形成的回路供電，所以，其準(zhǔn)確度或最大允許誤差應(yīng)在帶載狀態(tài)下通過校準(zhǔn)獲得，若采用直流數(shù)字電壓表直接進(jìn)行校準(zhǔn)，由于其輸入阻抗遠(yuǎn)大于電通量儀輸出電壓系統(tǒng)的輸出阻抗，校準(zhǔn)結(jié)果往往無法反映電通量儀工作狀態(tài)下的計(jì)量性能。實(shí)際上，從表1的測量數(shù)據(jù)亦可看出，當(dāng)忽略導(dǎo)線壓降、接觸電阻等帶來的影響時(shí)，電通量儀在300Ω～10MΩ負(fù)載下，其最大差值為0.49V，大于電通量儀“±0.1V”的技術(shù)要求。故電通量儀應(yīng)在帶載狀態(tài)下進(jìn)行校準(zhǔn)，其主要是考慮到某些不符合要求的電通量儀空載電壓與帶負(fù)載電壓差異較大，影響電通量儀對混凝土試驗(yàn)?zāi)途眯缘挠行гu定。

表1不同負(fù)載時(shí)電通量儀的

此外，電通量儀的試驗(yàn)時(shí)間一般為6h，要獲得準(zhǔn)確可靠地測量結(jié)果，應(yīng)確保直流輸出電壓具備一定的穩(wěn)定性。所以，在輸出電壓校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)對輸出電壓的短期穩(wěn)定性進(jìn)行考核。輸出電壓的短期穩(wěn)定性可同輸出電壓的校準(zhǔn)同步進(jìn)行，電通量儀的直流電壓校準(zhǔn)原理線路如圖3所示。

圖3 電通量儀輸出電壓校準(zhǔn)接線圖

3.2 采樣電流的校準(zhǔn)

考慮到目前大部分的電通量儀的采樣電流都是采用侵入式測量方式，所以，當(dāng)采用電阻負(fù)載來對整個(gè)回路進(jìn)行模擬時(shí)，應(yīng)考慮電阻負(fù)載具有較低的電阻溫度系數(shù)和較好的電阻穩(wěn)定性能。隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展，各類基于該技術(shù)的高精密直流電子負(fù)載得到了廣泛應(yīng)用。采用高精密直流電阻負(fù)載的“定電阻”功能，可輕松完成電通量儀采樣電阻的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)直流數(shù)字電流表串聯(lián)在由電通量儀電壓輸出端和電阻負(fù)載形成的回路中，調(diào)節(jié)輸出電壓或負(fù)載電阻，即可完成對采樣電流的校準(zhǔn)。電通量儀的采樣電流校準(zhǔn)原理線路如圖4所示。

3.3 溫度的校準(zhǔn)

溫度的校準(zhǔn)可以參照J(rèn)JF 1171—2007溫度巡回檢測儀校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，將電通量儀溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)置入恒溫槽中，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取相應(yīng)的溫度值。電通量儀的校準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)至少包括5℃、25℃、50℃、95℃等4個(gè)溫度點(diǎn)。

4 電通量準(zhǔn)確度分析及儀器計(jì)量性能的確定

由電通量儀的工作原理可知，電通量的計(jì)算公式為：

(1)

式中，S=pr2為混凝土試樣的截面積。顯然，輸出電壓、采樣電流以及溫度準(zhǔn)確度的保證最終是為了獲得準(zhǔn)確的電通量Q。因此，電通量測定值的準(zhǔn)確度是儀器準(zhǔn)確度的核心，也是檢測儀器時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器方面必須考慮的問題。鑒于目前國內(nèi)的電通量儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和說明書均未給出電通量的最大允許誤差，故有必要對電通量儀的最大允許誤差進(jìn)行估算，從而確保所選擇的校準(zhǔn)設(shè)備符合電通量儀的校準(zhǔn)需要?？紤]到電通量儀采樣電流的最大允許誤差為±0.25%，而時(shí)基信號最大允許誤差很容易達(dá)到±0.05%，故可推算出電通量的最大允許誤差為±0.26%。由于沒有現(xiàn)成的電通量儀校準(zhǔn)裝置，這時(shí)可采用電子秒表和具有平均值計(jì)算功能的標(biāo)準(zhǔn)直流電流表對該參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)電子秒表和標(biāo)準(zhǔn)直流電流表的電流測量功能，以電流平均值與時(shí)間(一般為6h)的乘積作為標(biāo)準(zhǔn)值。假設(shè)啟動(dòng)或止動(dòng)秒表的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.2s，則由秒表啟、止動(dòng)誤差、電子秒表最大允許誤差引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度僅為0.0014%，相對其他不確定度分量而言，可忽略不計(jì)。所以，校準(zhǔn)電通量儀的不確定度來源主要由標(biāo)準(zhǔn)直流電流表測量誤差和測量結(jié)果的重復(fù)性引起。實(shí)際上，由式1可知，電通量的準(zhǔn)確度主要取決于儀器輸出電壓的穩(wěn)定性和負(fù)載回路阻抗示值的穩(wěn)定性。而后者功耗指標(biāo)、繞制材料為決定因素。因此，只要保證輸出電壓穩(wěn)定、負(fù)載電阻溫度系數(shù)足夠小，可不對電通量進(jìn)行另外校準(zhǔn)即可保證電通量“±0.26%”的計(jì)量要求。所以，在保證電通量測量儀輸出電壓及穩(wěn)定性、采樣電流、溫度、試驗(yàn)持續(xù)(保持)時(shí)間符合一定準(zhǔn)確度要求的前提下，可不對“電通量”參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

當(dāng)前我國正大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)，加強(qiáng)基礎(chǔ)項(xiàng)目建設(shè)，混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利等工程的建設(shè)中，特別是高速鐵路的鐵路大橋建設(shè)，是工程結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其耐久性直接影響到整個(gè)工程的質(zhì)量。為了防止這些混凝土工程成為“短命工程”，一方面要嚴(yán)把原料關(guān)加強(qiáng)混凝土的耐久性設(shè)計(jì)，另一方面需要通過一定的試驗(yàn)檢測混凝土的耐久性指標(biāo)，防止一些“豆腐渣”工程蒙混過關(guān)，而氯離子滲透性是判斷混凝土耐久性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。高準(zhǔn)確度的電通量測量儀器是保證混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要手段，而該類儀器計(jì)量性能的保證是前提和基礎(chǔ)。

[1] 李傳偉．混凝土氯離子滲透性自動(dòng)檢測系統(tǒng)的研制[D]．北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006

[2] 張杰梁．基于RCM法的砼氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀的檢測[J]．中國計(jì)量，2009(10)

[3] 陳海燕，李孟平．S3C44B0X 在混凝土氯離子滲透性檢測中的應(yīng)用[J]．儀器儀表與檢測技術(shù)，2008，27(9)

[4] JG/T 261—2009，混凝土電通量測定儀[S]