阵列电极电化学测试系统的研发与应用*

苏林海，胡杰珍，邓培昌，王　贵

(广东海洋大学，广东　湛江　524088)



阵列电极电化学测试系统的研发与应用*

苏林海，胡杰珍，邓培昌，王贵

(广东海洋大学，广东湛江524088)

构建、设计多通道阵列电极电化学测试系统，并在该系统下对Q235碳钢阵列电极进行电偶电流与电压同步测试。基于 LabVIEW 开发了测试系统软件平台，系统自动完成阵列电极的电偶电流与电压测试、数据采集与存档。该测试系统具有测试速度快、测试精度高、电流与电压同步性好和易与其它电化学测量技术耦合等优点。实验结果表明：Q235在海水液滴下的腐蚀出现典型的Evans环现象，液滴的中心区是阳极区域，液滴的周围是阴极区域，形成氧浓差梯度是发生电偶腐蚀的主要原因。

测试系统；LabVIEW；Q235；Evans环

阵列电极又叫做丝束电极(Wire Beam Electrode， WBE)，是由一系列按规则排列的微小电极截面组成的电极来代替大面积的金属电极[1]；阵列电极的特点是通过测量每个微小电极的电化学信号，从而获得电化学参数分布情况，进而研究金属材料表面腐蚀的电化学非均匀性。阵列电极技术已经成为研究腐蚀电化学的重要手段。

随着阵列电极应用范围的扩展，越来越多的科研工作者开始研究WBE技术。为了获得多通道阵列电极的电化学信号，通常采用手工方法切换电极，由电化学工作站、恒电位仪、万用表等设备测试。因为WBE的通道数较多，手工方法会带来大量的重复性操作、从而延长测试时间、形成较大误差；王伟，王佳等[2]采用NI公司的PXI-1033机箱、PXI-2535矩阵开关、PXI-4071 数字万用表和 PXI-4022 电流放大器等模块化仪器搭建了一套电化学测试仪，并进行了金属表面/微生物膜的非均匀腐蚀的研究，然而，该测试仪由于硬件配置和数字万用表接线的限制，阵列电极的电位扫描和电流扫描需分开进行测试，且在利用矩阵开关进行多通道电流扫描的时间较长，导致测量得到的电流数据和电压数据的同步性不理想。

针对上述问题，本文利用NI公司的模块化仪器和虚拟软件 (LabVIEW) 对阵列电极测试系统进行改进和升级，与文献[2]报道的测试系统相比，本文建立的测试系统在硬件配置上增加了一块PXI-4071数字万用表，然后，充分利用PXI-2535矩阵开关既有的4条行测试通道，通过开关矩阵的快速切换进行电偶电位和电偶电流的近同步测试。PXI-2535矩阵开关Row0和Row1连接一块PXI-4071数字万用表进行单根微电极的电偶电位测量；Row2 和 Row3连接另一块PXI-4071数字万用表进行单根微电极与其余耦合的微电极间的电偶电流测量。并基于LabVIEW重新编写测试程序，对每一个微电极通过矩阵开关高速切换来进行顺序、轮转检测。同时该测试系统的测试效率显著提高，可获得待测对象近同步的电化学分布信息。本文利用该系统测试碳钢Q235在海水液滴下的腐蚀电化学行为。

1　自动测试系统设计

1.1系统硬件构成

硬件测试系统由模块化仪器组成，包括PXI-2535矩阵开关、两块PXI-4071数字万用表和PXI-4022电流放大器、独立主控式硬件系统的嵌入式控制器及外设模块的PXI -1042 8插槽机箱。台式计算机或者便携式计算机通过具有集成NI PXI-8360 MXI-Express控制模块实施远程控制PXI机箱。系统框图见图1。

图1　系统框图Fig.1　System diagram

MXI-Express作为系统的独立主控，不仅控制NI PXI-1042机箱中的所有仪器模块，同时通过PC机上运行的软件 (LabVIEW) 测试程序与NI PXI-1042机箱中的各仪器模块交互，定义测试系统的实际功能。

在硬件模块中，NI PXI-2535矩阵开关采用4×136 (1线) 矩阵配置，拥有四个行通道电路(R0 ～R3)、136个列通道电路(C0～C135) 以及高达50000个交叉点/秒的高速切换速度，在NI PXI-8360控制下完成所选择的微电极与NI PXI-4071数字万用表或NI PXI-4022电流放大器测试端之间的连接与断开。

两块NI PXI-4071数字万用表分别用来测量电偶电流和电偶电压，可以满足绝大部分电偶腐蚀测试要求，其中电位测量的精度为7位半，测量范围为10 nV～1000 V，输出阻抗大于1010Ω；电流测量的精度为6位半，测量范围为1 pA～3 A。NI PXI-4022电流放大器是1块高精度、高速的微弱电流放大器，灵敏度高，可达1 pA，可连接NI PXI-4071数字万用表测量噪声为fA级的pA级电流信号，满足测试的需求。

1.2系统的软件设计

1.2.1系统的流程图设计

系统软件设计包括系统初始化、串口通信、MXI-Express控制、仪器连接、数据显示、数据保存、数据查询等模块。

系统的初始化是设置NI PXI-8360 MXI-Express和USB的参数，实现PXI-2535矩阵开关通道电路、PXI-4071数字万用表和PXI-4022电流放大器3个模块的通信连接的建立，并初始化这3个模块的工作参数。串口通信是传输通道选择信号使其自动选择测试通道，MXI-Express控制模块是通过软件程序控制矩阵开关完成在多通道下的电流与电压的同步测试。数据采集模块是通过虚拟仪器软件LabVIEW的数据采集功能实现自动采集。数据保存和查模块是把采集的数据进行Excel数据储存和查找。整个软件流程图见图2。

图2　测试系统程序流程图Fig.2　Test system program flow chart

1.2.2系统的前面板设计

系统用户界面简单明了，易操作与识别，如图3所示左侧是参数设置区，右侧是数据显示区。

参数输入区是对仪器的名称，串口通信的参数、分辨率、范围、拓扑结构、增益等进行设置。前面板最下面是仪器连接、开始测量、数据保存和查询模块。在数据测试完毕后，数据保存模块才处于启用状态，对电偶电流与电偶电压进行保存。保存完后可以随时查看实验数据。整个界面采取表单式的填写，以及内部校验和数据提示是否为正确格式。

图3　测试系统前面板图Fig.3　Front panel figure test system

1.2.3系统模块设计

(1) 控制系统模块设计：控制系统的整体运行框架对一个软件系统至关重要。一个好的整体构架，决定着应用层各功能模块的通信方式和开发方式，也决定着系统运行效率的高低和资源的占用多少。结合本系统的特点，决定使用生产者-消费者模式，即用户点击相应功能控件，系统便进行相关操作。应用队列和事件触发结构最大程度的减小系统占用和减少误操作的产生。

控制系统模块有两个循环，一个循环响应按钮的动作，另一个循环执行相应的操作。比如单击“连接仪器”按钮一下，相应的值便被存入队列中，我们知道队列是先进先出的，后面元素出队列后就可以进行相应的操作了。

(2) 数字万用表模块设计：PXI-4071有单点测量、多点测量、连续测量和波形测量等工作模式，电极按顺序进行测试，所以这里采用单点测量。测量步骤包括：空闲、等待触发、延时、测量、测量完成。

首先调用nIDMM initialize.vi对万用表进行初始化，接着调用niDMM Configure Measurement.vi配置万用表的测量模式、分辨率、范围等，然后等待一定延时，最后调用niDMM read.vi读取万用表的测量值，进行电压和电流的的测试。程序框图如图4所示。

图4　万用表的测量值读取程序框图Fig.4　The measured value of the multimeter reading program block diagram

(3) 开关矩阵模块设计：PXI-2535开关矩阵的拓扑结构是个矩阵，工作时有立即和扫描两种模式，结合本系统实际需要这里采用立即模式，连接步骤如下：

首先调用niSwitch Initialize With Topology.vi对开关进行初始化及选择拓扑结构；接着 调用niSwitch Connect Channels.vi将指定通道连接起来；最后调用niSwitch Wait For Debounce.vi等待开关防止其抖动。矩阵开关的高速切换，实现电偶电流与电偶电压的近同步测试。

(4) 数据保存及查询模块设计：当丝束电极的电流和电位采集完毕后，通过写入电子表格文件.vi将数据存入excel文件中实现数据的存储；查询时，通过执行系统命令.vi输入打开文件夹的linux命令，实现数据查询。

2　自动测试系统的应用

2.1阵列电极制作

阵列电极的电极材料是碳钢Q235(Φ2.0 mm)，将碳钢丝截成5种长度不一小的碳钢丝，在截取的碳钢丝(Φ2.0 mm)焊接上导线，插入模具中，用配制好的环氧树脂封成8×8阵列电极。在测试前，依次用60、120、400、800、1000目的砂纸对微电极表面进行打磨，然后依次使用无水乙醇和丙酮进行清洗，用吹风机凉风吹干，把处理好的电极放在干燥箱中备用。

阵列电极的面积为4×4 cm2，微电极数8×8。在阵列电极2×2 cm2范围内滴加取自湛江海湾的海水。每隔一小时测试一次电偶电流与电偶电压，直到液滴蒸发完为止。如图5 所示。

图5　丝束电极Fig.5　Wire beam electrode

2.2研究数据分析

图6　在海水液滴下碳钢表面不同时间的电偶电流分布图Fig.6　The surface of carbon steel in the water droplet distribution of galvanic current at different times

图6给出了海水液滴下碳钢表面不同腐蚀时间的电偶电流分布图。正值代表阳极电流， 负值代表阴极电流，颜色坐标代表了电流的大小。

由图6可以看出，液滴下Q235表面的电流分布不均匀，液滴中心区域为阳极区， 边缘为阴极区，出现典型的Evans环现象。由于海水液滴下各处的液膜厚度不同，产生氧浓差梯度，发生局部腐蚀，边缘处厚度小，氧扩散速度快，发生阴极氧还原反应：

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

中心处厚度最大，氧扩散速率慢，阳极发生溶解反应：

Fe=Fe2++2e-

由图6可发现，在腐蚀不同阶段，碳钢的电偶电流分布呈现出不同的分布情况。腐蚀0 min时，液滴中心区为阳极区，边缘为阴极区，且阳极电流强度低，颜色浅。腐蚀120 min和180 min时液滴中心区有两个明显的阳极电流峰，颜色深，阴极区在液滴边缘，颜色也最深，形成强电偶腐蚀，同时在周围出现分散电流。在腐蚀初期Q235表面没有锈层覆盖，氧的去极化作用使中心区的阳极反应更剧烈。在腐蚀240 min时，电流强度稍有降低。这些结果表明，随着腐蚀反应的进行，由于氧气的消耗，中心区的含氧量下降，腐蚀300 min后氧气扩散达到平衡，阴极区和阳极区的形状大小基本不变，腐蚀区域稳定。此时液滴下锈层已经基本覆盖整个液滴，锈层的覆盖会抑制金属的阳极溶解和阴极氧化还原反应，因而液滴下的腐蚀趋于均匀。图7给出了海水液滴下Q235表面不同时间的电偶腐蚀电压分布图，电偶电压呈现典型的环状分布，液滴区域电位低，液滴周围电位高。这是因为液滴区域溶解氧浓度低，液滴周围溶解氧浓度高，电位较低的液滴区是阳极、而电位较高的液滴周围区域是阴极。形成这种分布与电偶电流分布规律基本上是一致的。

在测量过程中，本测试系统无需人工操作，避免了人为操作失误而引入的误差；本测试系统扫描一遍阵列电极的时间可根据需要调整，8×8阵列电极测试时间最短可达2 min，相对人工的数小时，效率大幅提高，保障了测试数据的同步性。

图7　在海水液滴下碳钢表面不同时间的电偶电压分布图Fig.7　The surface of carbon steel in the water droplet distribution of electric voltage at different times

3　结论与展望

本文建立的测试系统在仪器连接方式、硬件配置和矩阵开关的利用率上，以及测控软件架构程序、测试方法和时序上，均带有与其他测试系统显著不同的特点。其技术优势在于：

(1) 单根微电极丝的电偶电流和电偶电位几乎同时测得，在很大程度上改善数据的同步性；

(2) 测试速率极大的提高，降低由于浓差极化带来的影响；

(3) 测量过程无需手动插拔外部接口通道电路来切换电流和电位测试，降低仪器接口损耗率，提高测试过程自动化程度。

软件系统的前面板界面操作简单、高效。研制的系统实现了电偶电流与电偶电压的近同步测试，完成了Q235阵列电极在海水液滴下实验测试，实验结果达到了预期目标。该测试系统还可以应用于其它类型的阵列电极的电偶腐蚀电流与电压测试。

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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

湛江市科学技术局重点实验室项目(No:2015A06003)；广东省自然科学基金项目(No:2015A030313619)。

苏林海，男，(1986-)，硕士研究生，研究方向为海洋腐蚀与防护。

王贵，教授，博士，研究方向为海洋腐蚀与防护。

TP273

A

1001-9677(2016)09-0052-05