張杰梁 黃 洪 呂光明 方 杰

(福建省計量科學(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，通過積分計算出固定時間內(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。如何確保混凝土耐久性測試儀器在這些設(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)計提供正確參數(shù)并為建筑物的安全提供保證，這是計量技術(shù)機構(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行闡述，對該類儀器的校準技術(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，在直流電壓的驅(qū)動下，溶液中的氯離子通過混凝土試樣形成電流。隨著時間的推移，儀器可自動測量、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，上位機通過積分計算出固定時間(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[2-3]。電通量儀的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，上位機軟件部分構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)框圖

圖2 上位機軟件部分構(gòu)成示意圖

2 校準電通量儀校準設(shè)備的選擇

由電通量儀的工作原理可知，其整個工作回路是：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)的負極。顯然，要實現(xiàn)對電通量儀的校準，首先應(yīng)選擇合適的電阻負載對整個回路進行模擬。根據(jù)建筑工業(yè)行業(yè)標準JG/T 261—2009《混凝土電通量測定儀》，應(yīng)采用準確度等級為0.01級300Ω標準電阻和準確度等級為0.1級的600Ω和1500Ω的標準電阻連接與電壓輸出端口之間來驗證電通量儀采樣電流的準確度。但實際上一般的高等級標準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載，以保證功耗的達標和阻值的穩(wěn)定性。此外，隨著電子負載技術(shù)的成熟和發(fā)展，亦可使用高精密直流電子負載來完成對整個回路的模擬，從而實現(xiàn)對電通量儀的校準。解決回路的負載之后，即可使用高準確度直流電壓電流表實現(xiàn)電通量儀輸出電壓和采樣電流兩個參數(shù)的校準。

建筑工業(yè)行業(yè)標準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%。故選擇標準器時，直流數(shù)字電壓表相應(yīng)點的誤差限值應(yīng)不超過±0.02V，采樣電流在實際測量范圍內(nèi)的誤差限值應(yīng)不超過±0.05%。關(guān)于溫度校準設(shè)備，可采用標準水銀溫度計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，標準水銀溫度計的誤差限值應(yīng)不超過±0.1℃[4]。

3 電通量儀的校準方法

3.1 輸出電壓的校準

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個這樣的測試通道。所以校準時，應(yīng)采用標準直流電壓表對各個通道逐一進行校準?？紤]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，其準確度或最大允許誤差應(yīng)在帶載狀態(tài)下通過校準獲得，若采用直流數(shù)字電壓表直接進行校準，由于其輸入阻抗遠大于電通量儀輸出電壓系統(tǒng)的輸出阻抗，校準結(jié)果往往無法反映電通量儀工作狀態(tài)下的計量性能。實際上，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，電通量儀在300Ω～10MΩ負載下，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)下進行校準，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載電壓差異較大，影響電通量儀對混凝土試驗?zāi)途眯缘挠行гu定。

表1不同負載時電通量儀的

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

圖3 電通量儀輸出電壓校準接線圖

3.2 采樣電流的校準

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)采用電阻負載來對整個回路進行模擬時，應(yīng)考慮電阻負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載得到了廣泛應(yīng)用。采用高精密直流電阻負載的“定電阻”功能，可輕松完成電通量儀采樣電阻的校準。校準時，將標準直流數(shù)字電流表串聯(lián)在由電通量儀電壓輸出端和電阻負載形成的回路中，調(diào)節(jié)輸出電壓或負載電阻，即可完成對采樣電流的校準。電通量儀的采樣電流校準原理線路如圖4所示。

3.3 溫度的校準

溫度的校準可以參照JJF 1171—2007溫度巡回檢測儀校準規(guī)范進行，將電通量儀溫度傳感器與標準水銀溫度計置入恒溫槽中，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取相應(yīng)的溫度值。電通量儀的校準點應(yīng)至少包括5℃、25℃、50℃、95℃等4個溫度點。

4 電通量準確度分析及儀器計量性能的確定

由電通量儀的工作原理可知，電通量的計算公式為：

(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確度的保證最終是為了獲得準確的電通量Q。因此，電通量測定值的準確度是儀器準確度的核心，也是檢測儀器時標準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)標準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行估算，從而確保所選擇的校準設(shè)備符合電通量儀的校準需要?？紤]到電通量儀采樣電流的最大允許誤差為±0.25%，而時基信號最大允許誤差很容易達到±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)成的電通量儀校準裝置，這時可采用電子秒表和具有平均值計算功能的標準直流電流表對該參數(shù)進行校準，校準時啟動電子秒表和標準直流電流表的電流測量功能，以電流平均值與時間(一般為6h)的乘積作為標準值。假設(shè)啟動或止動秒表的標準不確定度為0.2s，則由秒表啟、止動誤差、電子秒表最大允許誤差引起的相對標準不確定度僅為0.0014%，相對其他不確定度分量而言，可忽略不計。所以，校準電通量儀的不確定度來源主要由標準直流電流表測量誤差和測量結(jié)果的重復(fù)性引起。實際上，由式1可知，電通量的準確度主要取決于儀器輸出電壓的穩(wěn)定性和負載回路阻抗示值的穩(wěn)定性。而后者功耗指標、繞制材料為決定因素。因此，只要保證輸出電壓穩(wěn)定、負載電阻溫度系數(shù)足夠小，可不對電通量進行另外校準即可保證電通量“±0.26%”的計量要求。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、試驗持續(xù)(保持)時間符合一定準確度要求的前提下，可不對“電通量”參數(shù)進行校準。

5 結(jié)束語

當(dāng)前我國正大力發(fā)展經(jīng)濟，加強基礎(chǔ)項目建設(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”，一方面要嚴把原料關(guān)加強混凝土的耐久性設(shè)計，另一方面需要通過一定的試驗檢測混凝土的耐久性指標，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重要指標。高準確度的電通量測量儀器是保證混凝土質(zhì)量的一個重要手段，而該類儀器計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法的砼氯離子擴散系數(shù)測定儀的檢測[J]．中國計量，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]