本实用新型涉及电化学技术领域，更具体地，涉及一种钢构件电位测量系统。
背景技术：
随着城市的发展，各种电力线缆大大增加，这些设备在运营中将不可避免地产生流经大地的杂散电流。这部分杂散电流(或称迷流)不但会对地下管道、测量信号线、钢筋等钢材料的裸露表面产生严重的电化学腐蚀作用，极大的加快了腐蚀的速度，使得阴极保护系统的工作效果均欠佳，甚至失效；这些杂散电流同时还严重影响到钢构件电位e钢的测量。
测量电解液环境下某一个钢构件的极化电位e钢，是阴极保护技术运用的基础条件。要测量极化电位e钢，须在极化电回路的基础上，再引入另外一个测量电回路，测量电回路中有一个参比电极，要求该参比电极的极化电位e参已知且稳定。现在现场环境下，一般采用直流电压表测量钢构件和参比电极之间的电位差e钢－e参。具体见图2所示。
使用直流电压表作为电位差的测量仪表，仅仅适合于极化回路没有投入工作、仪表仅仅用于测量金属材料的自然腐蚀电位e1钢时，其误差才较小(在另一份申请《一种应用于电解液环境的法拉第笼》中已经有详细叙述)。但当极化回路投入工作后，就会在阳极和被极化钢构件之间形成极化电回路，该回路中存在一个极化电流i极。这样极化电流i极和测量电流i测，共同流过了钢构件和参比电极之间离子电路段，该段离子电路上的溶液电阻为ru，故溶液欧姆压降的数值变化成iru＝(i极+i测)×ru；这个数值会直接叠加在测量电压表的读数上，会造成较大的测量误差。
极化电流i极改变了钢构件的电位，由极化前的e1钢，变成了极化后的e1钢+e2钢；参比电极也因为受到极化电流i极的影响，其电位也由e1参变成了e1参+e2参。注：上述的e2钢是钢构件受到极化电流i极的影响，导致自身电位发生改变的数值；e2参是参比电极受到极化电流i极的影响，导致自身电位发生改变的数值。
对e2参再进行分析，可知其包括两个部分，e2参＝e2参-阳极+e2参-阴极。e2参-阳极是阳极散发出来的极化电流i极，通过离子通路到达参比电极处时，对参比电极产生了极化作用，导致参比电极的电位发生变化的值；e2参-阴极是钢构件的电位发生了e2钢的变化后，这种电位变化又通过测量电回路中电子通道，对参比电极的电位产生了影响，导致参比电极电位发生变化的值。
此时测量者所期望的仪表读数为v电压表＝(e1钢+e2钢－e1参)，但实际上v电压表＝[(e1钢+e2钢)－(e1参+e2参)]－(i极+i测)×ru。其中(i极+i测)×ru和e2参是应该消除的干扰因素，这些影响因素体现在v电压表中的数值大约为0.2v～0.5v，故在工程实践中完全是无法忽略的，必须采取措施消除之。目前较多的是使用极化试片瞬时断电法，存在着测量速度慢、制约条件多、精度较差、重复性不好的问题，尤其是这种方法仅仅消除了(i极+i测)×ru，对e2参完全无能为力。另外还有一种在极化试片瞬时断电法的基础上改进的极化探头法，可以部分消除掉e2参的影响，但也无法全部消除，且还搞不清楚到底消除了多少e2参的影响。
如果在电解液环境中，还存在直流或交流的杂散电流i杂干扰，这种条件下杂散电流i杂也通过离子通路流过阴极和参比电极之间的溶液段，故溶液欧姆压降数值就变化成iru＝(i测+i极+i杂)×ru，这个数值也是叠加在测量电压表的读数上。同时杂散电流i杂也改变了e钢和e参的数值，e1钢+e2钢变成e1钢+e2钢+e3钢，e1参+e2参变成e1参+e2参+e3参。其中e3钢是杂散电流i杂流过钢构件时，导致钢结构的电位发生改变的数值；e3参是参比电极受到杂散电流i杂的影响，导致参比电极的电位发生改变的数值。
对e3参再进行分析，可知其包括两个部分，e3参＝e3参-杂散+e3参-阴极。e3参-杂散是干扰源所散发杂散电流i杂，到达参比电极处后，对参比电极产生干扰，导致参比电极电位发生变化的值；e3参-阴极是钢构件被杂散电流i杂干扰后，其电位变化了e3钢的数值，这种变化又通过测量回路中电子通道，对参比电极产生干扰，导致参比电极电位发生变化的值。
故在测量回路又受到杂散电流i杂的影响时，测量者所期望的仪表读数v电压表＝(e1钢+e2钢+e3钢－e1参)，但实际上变成v电压表＝[(e1钢+e2钢+e3钢)－(e1参+e2参+e3参)]－(i极+i测+i杂)×ru，其中(i极+i测+i杂)×ru和e2参+e3参，是应该消除的干扰因素，这些影响因素体现v电压表中的数值往往会高达几伏甚至几十伏，远远偏离正常值或准确值，但目前还没有有效的措施或办法消除掉这些干扰因素，目前的极化试片瞬时断电法、极化探头法，均无法测量到准确数据。
二、基于可调平衡原理设计的直流电位差计
直流电位差计是用补偿原理构造的仪器。补偿方法的特点是不从测量对象中支取电流，因而不干扰被测量的数值，测量结果准确可靠。当没有电流流过时，电池的正负极间的电势差等于电池的电动势。如有电流流过，因在电池内阻上有一定电压降(用电压表测量电池两极间的电压，就是这种情形)，这时测得的不再是电池电动势，而只能称作端电压。若能在无电流流过时进行测量，就可直接测量电动势了。补偿法就是这样一种方法。
直流电位差计再配以标准电池、标准电阻等器具，能够准确度很高的测量电动势、电势差(电压)、电流、电阻等电学量；再配合以各种换能器，还可用于温度、位移等非电量的测量和控制。电位差计又分直流电位差计和交流电位差计。随着直流电流比较仪的理论和技术不断发展和完善，出现了准确度很高的直流电流比较仪式直流电位差计，其测量误差约为百万分之一数量级。交流电位差计用于测量工频到声频的正弦交流电压，但在市场上只有用于工频的产品，其他频率的交流电位差计均需自行设计制作。
传统的直流电位差计一般为机械式，使用复杂、测量速度慢、价格昂贵、测量过程的影响因素多，故一般仅仅使用在实验室或仪表校正等场合，现场环境下使用极少。但随着电工电子技术的不断进步，已经出现了很多商品化的数字式直流电位差计，基本上解决了上述机械式直流电位差计的缺点。数字直流电位差计采用先进的数字化、智能化技术同传统工艺相结合，在使用功能上完全覆盖原直流电位差计的新型产品，可对热电偶和传感器、变送器等一次仪表输出的毫伏信号进行精密检测。
三、电解液环境下金属材料自然腐蚀电位e1钢的测量
当一个金属材料(如钢构件)处于电解液环境下时，钢材料表面与电解液的接触面上会形成一个双电层界面，这个双电层界面处，金属的原子与电解液发生化学反应，产生一个极化电位e钢，这个极化电位被称为自然腐蚀电位，本文中称呼该自然腐蚀电位为e1钢。测量电解液环境下钢构件的自然腐蚀电位e1钢，是阴极保护技术运用的基础条件之一。要测量e1钢，须引入另外一个参比电极，要求该参比电极的极化电位e参已知且稳定。用仪表测量钢构件和参比电极之间的直流电位差e1钢－e参，即可以计算得到自然腐蚀电位e1钢数值。具体见图2所示。
在现在的实际应用中，一般是使用电压表作为测量仪表。要求电压表正极电连接钢构件，电压表负极电连接参比电极，此时形成了一个闭合的、拥有电子电路和离子电路的测量回路，回路中会形成一个测量电流i测。此时电压表的读数v电压表实际上为路端电压，经过分析可知v电压表＝i测×r电压表＝(e1钢－e参)－i测×ru，其读数并不是测量者想要的(e1钢－e参)，里面还包含了一个影响因素i测×ru。上述公式中的v电压表是电压表的读数；e1钢是钢构件在该电解液环境下，因自然腐蚀所产生的自然腐蚀电位；e参是参比电极在该电解液环境下，因自然腐蚀作用所产生的自然腐蚀电位；i测是测量电路中流过的电流；ru为被测量电极和参比电极之间的离子电路电阻；r电压表为测量用电压表的内部电阻。
在实践应用中，如果电压表的内阻r电压表较高，达到r电压表＞ru×1000时，i测×ru可以忽略不计，可认为电压表测量值v电压表≈(e1钢－e参)。在现有的电子工业水平下，数字式电压表的阻值基本上都达到107～109，远远大于r电压表＞ru×1000的要求(ru一般为几百或几千欧姆)，故在二电极体系下采用高内阻的数字式电压表可满足此时的测量需要。
当选用可调平衡的直流电位差计，替换掉电压表作为测量仪表时，因该类型直流电位差计的内阻趋向于无限大，测量电路形成了“虚断”的状况，可认为测量电流i测此时已经不存在，就导致i测×ru同时也不存在，故直流电位差计的读数e直流电位差计＝(e1钢－e参)。
技术实现要素：
本实用新型旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种钢构件电位测量系统，用于解决在电解液环境中存在的各种电磁干扰时，严重影响钢构件电位测量准确性的问题，以实现对电解液环境中存在的各种电磁的进行电磁屏蔽，准确测量钢构件电位的技术效果。
本实用新型采用的技术方案是，一种钢构件电位测量系统，包括钢构件、法拉第笼、直流电位差计、参比电极、温度&ph探头和温度&ph表计；所述钢构件置于法拉第笼的外部，所述参比电极置于法拉第笼的内部，所述钢构件、直流电位差计和参比电极之间通过导线连接，形成一个闭环电路；所述法拉第笼内部还设置有温度&ph探头，所述温度&ph探头通过导线与温度&ph表计连接；所述法拉第笼用于屏蔽笼外的电磁干扰，避免笼内的参比电极和温度&ph探头受到这些电磁干扰。
进一步地，所述法拉第笼包括外金属纱网、笼体和内金属纱网三层结构；所述外金属纱网设置在笼体的外壁上，所述内金属纱网设置在笼体的内壁上；所述笼体为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网和外金属纱网为导电性强的金属材料。
进一步地，所述内金属纱网和外金属纱网通过笼体隔开，二者互不接触；所述内金属纱网和外金属纱网也不与其它导电性材料接触。
进一步地，所述笼体上设置有孔洞,所述内金属纱网和外金属纱网上设置有纱眼，所述孔洞和纱眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼。
进一步地，所述内金属纱网的内侧，外金属纱网的外侧，设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞。
进一步地，所述内金属纱网和外金属纱网设置有两层以上。所述内金属纱网和外金属纱网均事实上接地。
进一步地，该钢构件电位测量系统，基于一种在电解液环境下工作的法拉第笼，和一个直流电位差计、一个参比电极进行构建。
进一步地，参比电极、温度&ph探头布置在法拉第笼的内部空间，这些测量部件均按有关规程要求选取；被测量钢构件处于法拉第笼的外部空间。
进一步地，在钢构件和参比电极之间布置了一个开关k2和直流电位差计。温度&ph探头与温度&ph表计之间也有电路连接。
进一步地，所述的直流电位差计基于可调平衡原理设计，要求其测量精度要求达到1mv以内。
进一步地，根据直流电位差计和温度&ph表计的测量结果，按有关电化学公式，可以计算得到准确的钢材料电位e钢。
进一步地，所述钢构件、法拉第笼、参比电极和温度&ph探头完全浸泡在电解液环境中。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：本实用新型通过设计一种应用于电解液环境中的法拉第笼，并将钢构件置于法拉第笼的外部，参比电极和温度&ph探头置于法拉第笼的内部，并通过直流电位差计测量钢构件和参比电极形成的闭合电路中的电位差数据，同时配合温度&ph探头和温度&ph表计进行测量；在测量时法拉第笼可以发挥屏蔽笼外电磁干扰的问题，再结合温度&ph表的测量数据，可以准确计算出钢构件的电位。
附图说明
图1为本实用新型实施例的结构示意图。
图2为三电极体系电路示意图。
附图标记说明：法拉第笼1，笼体2，孔洞3，内金属纱网4，外金属纱网5，钢构件6，地下水位线7，开关21，直流电位差计22，参比电极23，温度&ph表计32，温度&ph探头33。
具体实施方式
本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，本实施例一种钢构件电位测量系统，其特征在于，包括钢构件6、法拉第笼1、直流电位差计22、参比电极23、温度&ph探头33和温度&ph表计32；所述钢构件5设置在法拉第笼1的外部，所述参比电极23设置在法拉第笼1的内部；所述钢构件6、直流电位差计22和参比电极23之间通过导线连接，形成一个闭环电路；所述法拉第笼1内部还设置有温度&ph探头33，所述温度&ph探头33通过导线与温度&ph表计32连接；所述钢构件6、法拉第笼1、参比电极23和温度&ph探头33完全浸泡在电解液环境中；所述法拉第笼1用于屏蔽笼外的电磁干扰进入笼内，避免笼内的参比电极23和温度&ph探头33受到电磁干扰。
更为具体地，所述法拉第笼1包括外金属纱网5、笼体2和内金属纱网4这三层结构；所述外金属纱网5设置在笼体2的外壁上，所述内金属纱网4设置在笼体2的内壁上；所述笼体2为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网4和外金属纱网5为导电性强的金属材料。
所述内金属纱网4和外金属纱网5通过笼体2隔开，二者互不接触；所述内金属纱网4和外金属纱网5也不与其它导电性材料接触。
所述笼体2上设置有孔洞3,所述内金属纱网4和外金属纱网5上设置有纱眼，所述孔洞3和纱眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼1。
所述内金属纱网4的内侧，外金属纱网5的外侧，设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞3。
所述内金属纱网4和外金属纱网5设置有两层以上。所述内金属纱网4和外金属纱网5均事实上接地。
所述的直流电位差计22基于可调平衡原理设计，要求其测量精度要求达到1mv以内。
将本系统中的开关k2接通后，直流电位差计22即开始工作，获得读数。
由于直流电位差计22的工作原理不同于电压表，使得测量回路无法形成，故测量电流i测不存在；附带着导致由极化电流i极形成的i极×ru、由杂散电流i杂形成的i杂×ru，其数值也都无法进入e直流电位差计的读数中，故(i极+i测+i杂)×ru的影响被消除。
由于直流电位差计22的内阻r直流电位差计趋向无穷大，导致测量回路形成“虚断”。此时阴极的电位所发生的e2钢、e3钢变化，均因为直流电位差计22的阻隔作用，而无法再造成参比电极23的电位出现e2参-阴极、e3参-阴极的变化，即e2参中的e2参-阴极、e3参中的e3参-阴极在本测量系统中已经无法形成。
还是因为直流电位差计22的内阻r直流电位差计趋向无穷大，导致测量回路形成“虚断”，使得参比电极事实上“被”离开三电极体系，变成了单电极，而事实上变为单电极的参比电极23，又被安装在具备电磁屏蔽功能的法拉第笼1中，该笼可以阻隔电解液环境中的极化电流i极和杂散电流i杂通过电解液通道进入到该笼内部空间，故有极化电流i极形成的e2参-阳极、由杂散电流i杂形成的e3参-杂散在本测量系统中也无法形成。
综合上述分析，可知得益于直流电位差计22、法拉利笼1的组合，使得(i极+i测+i杂)×ru、e2参-阴极、e3参-阴极、e2参-阳极、e3参-杂散等七个在使用直流电压表时会出现的七个干扰因素，均无法出现在新型测量系统的直流电位差计22的测量读数中，直流电位差计22的测量值为e1钢+e2钢+e3钢－e1参。
处于法拉第笼内部的温度&ph探头33，也不受环境中各种杂散电流i杂和极化电流i极的干扰，测量准确性得以保证，再结合它们的测量结果，按有关电化学公式对测量结果进行修正计算，即可得到钢构件6上的真实电位值e钢＝e1钢+e2钢+e3钢。因此根据直流电位差计22和温度&ph表计32的测量结果，按有关电化学公式，可以计算得到准确的钢材料电位e钢。
本实用新型通过设计一种应用于电解液环境的法拉第笼，并将钢构件6置于法拉第笼1的外部，参比电极23和温度&ph探头33置于法拉第笼1的内部，并通过直流电位差计22测量钢构件6和参比电极23形成的闭合电路中的电位差数据，同时配合温度&ph探头33和温度&ph表计32进行测量；因而在测量时法拉第笼1可以发挥屏蔽笼外电磁干扰的问题，再结合测量数据，可以准确计算出钢构件6的电位。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定，如该系统也适用于钢材料在电解质环境下的阴极保护，甚至可以扩展到其他金属材料在电解液、或电解质环境中的阴极保护。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。
1.一种钢构件电位测量系统，其特征在于，包括钢构件(6)、法拉第笼(1)、直流电位差计(22)、参比电极(23)、温度&ph探头(33)和温度&ph表计(32)；所述钢构件(6)设置在法拉第笼(1)的外部，所述参比电极(23)设置在法拉第笼(1)的内部；所述钢构件(6)、直流电位差计(22)和参比电极(23)之间通过导线连接，形成一个闭环电路；所述法拉第笼(1)内部还设置有温度&ph探头(33)，所述温度&ph探头(33)通过导线与温度&ph表计(32)连接；所述法拉第笼(1)用于屏蔽笼外的电磁对笼内的参比电极(23)和温度&ph探头(33)产生干扰。
2.根据权利要求1所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述法拉第笼(1)包括外金属纱网(5)、笼体(2)和内金属纱网(4)三层结构；所述外金属纱网(5)设置在笼体(2)的外壁上，所述内金属纱网(4)设置在笼体(2)的内壁上；所述笼体(2)为非导电性的非金属材料，所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)为导电性强的金属材料。
3.根据权利要求2所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)通过笼体(2)隔开，二者互不接触；所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)也不与其它导电性材料接触。
4.根据权利要求3所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述笼体(2)上设置有孔洞(3),所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)上设置有纱眼，所述孔洞(3)和纱眼可保证电解液自由的进入或流出所述法拉第笼(1)。
5.根据权利要求4所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述内金属纱网(4)的内侧，外金属纱网(5)的外侧，设置有保护层；所述保护层为非导电性材料，并设置有孔洞。
6.根据权利要求5所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)设置有两层以上。
7.根据权利要求2至6任一项所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述内金属纱网(4)和外金属纱网(5)均事实上接地。
8.根据权利要求1至6任一项所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述直流电位差计(22)为基于可调平衡式的原理设计，其测量精度在1mv以下。
9.根据权利要求1至6任一项所述的一种钢构件电位测量系统，其特征在于，所述钢构件(6)、法拉第笼(1)、参比电极(23)和温度&ph探头(33)完全浸泡在电解液环境中。
技术总结