氯离子扩散系数测定仪标准与计量技术

高 辉，曹玉芬，韩鸿胜

(交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

水运工程水工建筑物经常受到氯离子的侵蚀破坏，从而导致混凝土耐久性提前失效，这不仅减少了水工建筑的实际使用年限，而且为水工建筑物的安全使用带来隐患。氯离子扩散系数测定仪作为检测混凝土氯离子侵蚀强度的关键仪器，其工作性能和计量性能直接关系着测量结果的准确性，目前，交通运输行业乃至全国范围内关于氯离子扩散系数测定仪计量技术研究尚属于空白状态。仅我国住房和城乡建设部编制并发布了产品标准JG/T262-2009《混凝土氯离子扩散系数测定仪》和由福建省计量科学研究院编制的地方校准规范JJF(闽)1053-2012《混凝土氯离子电通量和扩散系数测定仪校准规范》。因此，对水运工程领域氯离子扩散系数测定仪的工作性能和计量性能开展研究迫在眉睫。

本文对水运工程氯离子扩散系数测定仪的产品规格、性能要求和检定方法开展了计量技术研究工作，并依据研究成果编制水运工程氯离子扩散系数测定仪行业标准和计量检定规程，其对完善氯离子扩散系数测定仪量值溯源体系具有重要意义。

1 氯离子扩散系数测定仪的规格要求

氯离子扩散系数测定仪是一种便捷的自动化设备，主要由主机、阴极试验槽、阴阳极板、不锈钢喉箍、白色硅橡胶套筒、有机玻璃支架及连接线组成，采用GB/T50082 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中快速氯离子迁移系数法可实现全自动化的试验过程。根据水运工程领域混凝土耐久性检测试验要求和氯离子扩散系数测定仪的工作原理，氯离子扩散系数测定仪所有组成部分的规格都对氯离子扩散系数的测量结果产生一定的影响，这就对设备的所有组成部分的规格提出了严格的尺寸要求。通过调研市面上的主流氯离子扩散系数测量设备，结合水工建筑物的实际需求，提出设备各部件的规格要求，具体规格要求见表1。

表1 氯离子扩散系数测定仪规格要求Tab.1 Specifications of Chloride ions migration coefficient gauge

氯离子扩散系数测定仪的电压调节能力以及时间误差对测量结果影响很大，在初始运行时，对氯离子扩散系数测定仪施加30 V直流电压，被测混凝土试件产生初始电流，氯离子扩散系数测定仪采集到初始电流后，根据设备自身工作原理即可判断出当前被测混凝土试件所需施加的二次电压值(调整后电压)以及整个试验的运行时间。根据试验要求，我们规定氯离子扩散系数测定仪主机测量1 h的时间误差不应大于2 s，初始电流与试验时间的关系满足GB/T50082 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中电迁移试验步骤的要求，具体要求见表2。

2 氯离子扩散系数测定仪的计量性能要求

表2 氯离子扩散系数测定仪初始电流与试验时间的关系Tab.2 The relationship between the initial current and the test time of Chloride ions migration coefficient gauge

根据JJF1001-2011《通用计量术语及定义》中的定义，计量是指“实现单位统一、量值准确可靠的活动”[2]。根据计量的一致性与溯源性特点，参考氯离子扩散系数测定仪在水运工程的实际使用情况，确定了氯离子扩散系数测定仪的主机作为被检定对象。设备主机包含了电压输出系统、电流采样系统和温度测量系统。在实际测量过程中，设备对被检混凝土试件多个物理量进行检测，其检测数据经过公式计算，得出氯离子扩散系数。氯离子扩散系数测定仪是一种结构复杂的多参数测量设备，获取的氯离子扩散系数无法直接进行复现和溯源，通过对设备的测量原理进行分析，采用拆分法对氯离子扩散系数中所涉及的各个物理量进行分别溯源。采取电学测量法和比对法对氯离子扩散系数测定仪的电压、电流和温度进行试验论证，并根据实验结果进行计量标准建设。

2.1 计量性能要求

水运工程氯离子扩散系数测定仪部门计量检定规程的制定，首先应确定氯离子扩散系数测定仪计量技术指标。根据GB/T50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，同时参考了北欧试验方法标准NT BUILD 492中的相关内容[3]，结合水运工程建筑物处于水气交界的特殊环境，确定氯离子扩散系数测定仪的电压、电流和温度三个计量性能指标。并对三个计量性能指标提出计量性能要求[4]。计量性能要求见表3。

表3 氯离子扩散系数测定仪计量性能要求Tab.3 Metrology index of Chloride ions migration coefficient gauge

2.2 计量检定方法

2.2.1 电压的检定方法

氯离子扩散系数测定仪的氯离子扩散系数是导出量，无法从计量的角度直接复现这个量值。通过分析氯离子扩散系数测定仪测量原理可知，电压是氯离子扩散系数测定仪中较为重要的参数之一。电压参量的检定方法主要采取精密电阻并联于氯离子扩散系数测定仪主机的方式，这代替了被检混凝土试件和试验中其他配套设备(如试验槽、橡胶套筒、阴阳极板、不锈钢喉箍等)[5]。

在标准器的选择上，选取电压测量范围为10 V～60 V，电压测量不确定度Urel=0.05%，k=2的数字多用表。选取(120、200、300、400、600、800、1 200、1 800、2 500、5 000、10 000)Ω的精密电阻，每单个精密电阻阻值最大允许误差为0.1%。

选取RCM-NTB型号氯离子扩散系数测定仪作为试验样机，在实验室进行电压的检定方法论证试验。实验室室温为22℃，相对湿度为54%，试验开始前将设备主机开机预热10 min，随机选取3个通道进行试验，将不同阻值的精密电阻依次接入待检通道，然后点击开始试验按钮，5 s后，氯离子扩散系数测定仪完成电压自动调节功能后，使用数字多用表测量标准电阻两端的电压值，再根据设备显示值计算电压示值误差。试验数据如表4所示，结果满足表3中电压计量性能要求。

表4 电压试验数据Tab.4 Voltage test data

2.2.2 电流的检定方法

电流亦是氯离子扩散系数测定仪中较为重要的参数之一。数字多用表选取电流测量范围为500 μA～5 A，电压测量不确定度Urel=0.05%，k=2。选取(1 200、1 800、2 500、5 000、10 000)Ω的精密电阻，每单个精密电阻值最大允许误差为0.1%。

选取RCM-NTB型号氯离子扩散系数测定仪作为试验样机，在实验室进行电流的检定方法试验。实验室室温22℃，相对湿度54%，将数字多用表和不同阻值的精密电阻串联在氯离子扩散系数测定仪主机上，在点击开始试验按钮后，读取数字多用表的电流测量值和设备主机电流显示值并计算电流示值误差[6]。为验证电流的检定方法，使用相同样机在相同的试验环境条件下进行电流检定试验。

表5 电流试验数据Tab.5 Current test data

表6 温度试验数据Tab.6 Temperature test data ℃

电流参量的检定方法同样采用上文提及的数字多用表和精密电阻，区别在于电路连接方式。将精密电阻(1 200 Ω、1 800 Ω、2 500 Ω、5 000 Ω、10 000 Ω)与数字多用表同时串联在氯离子扩散系数测定仪主机上，在点击开始试验按钮后，读取数字多用表的电流测量值和设备主机电流显示值，计算电流示值误差[6]。试验数据如表5所示，结果满足表3中电流计量性能要求。

2.2.3 温度的检定方法

温度参量的检定方法与标准铂电阻在恒温水槽中进行检定相似，采用温度比对法进行检定。在标准器的选择上，选取温度范围5℃～50℃，温场均匀度为±0.02℃的恒温水槽，为温度检定试验提供均匀温场检定环境。选取测量范围为0℃～50℃，准确度等级为二等的标准铂电阻。

选取RCM-NTB型号氯离子扩散系数测定仪作为试验样机，在实验室进行电流的检定方法试验。实验室室温22℃，相对湿度54%，将氯离子扩散系数测定仪的测温装置与标准铂电阻同时放入恒温水槽中，对氯离子扩散系数测定仪试验温度段进行均匀划分从而选取5℃、15℃、20℃和25℃4个水温作为检定温度值。当氯离子扩散系数测定仪主机的温度显示值和标准铂电阻示值均稳定以后，读取记录并计算出示值误差。试验数据如表6所示，结果满足表3中电流计量性能要求。

3 结论

氯离子扩散系数测定仪的产品规格要求以及计量性能要求，经实验验证是可行的，具体技术指标写入氯离子扩散系数测定仪行业标准中。氯离子扩散系数测定仪中电压和电流参数采用电学测量法，可以满足当前计量检定规程的需要，和生产厂家使用的方法具有一致性。但是这种方法无法复现氯离子扩散系数的量值，与氯离子扩散系数测定仪的实际使用条件有区别。因此，在今后的科研工作中，应对直接测量扩散系数的方法继续开展研究。