虛擬恒電位儀的研制及其在腐蝕電化學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用

孫鳳娟 王 佳

(中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266100;金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)110015)

虛擬恒電位儀的研制及其在腐蝕電化學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用

孫鳳娟 王 佳*

(中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266100;金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)110015)

恒電位儀是腐蝕電化學(xué)測(cè)量最重要的基本設(shè)備.虛擬恒電位儀用圖形程序軟件取代復(fù)雜硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)恒電位功能.它的結(jié)構(gòu)和參數(shù)靈活,構(gòu)建簡(jiǎn)單,能滿足多方面腐蝕電化學(xué)測(cè)試方法的需求,虛擬恒電位儀的實(shí)現(xiàn)是發(fā)展虛擬腐蝕電化學(xué)儀器的重要步驟.本文采用LabVIEW 2010編程系統(tǒng)和比例-積分-微分(PID)控制技術(shù),研制了虛擬恒電位儀,并組建了VEC11-A腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)能滿足不同阻抗體系的腐蝕電化學(xué)測(cè)試需求.其腐蝕電位、穩(wěn)態(tài)極化曲線、線性極化曲線、循環(huán)伏安、動(dòng)電位掃描、恒電位階躍等常規(guī)腐蝕電化學(xué)測(cè)量結(jié)果與2263電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)相近,能夠滿足常規(guī)腐蝕電化學(xué)測(cè)試要求,具有很大的發(fā)展空間.

虛擬儀器;穩(wěn)態(tài)極化曲線;恒電位儀;PID控制;LabVIEW

1 引言

軟件化、網(wǎng)絡(luò)化和總線標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)測(cè)試儀器技術(shù)發(fā)展的主要方向.虛擬儀器“軟件就是儀器”的思路是在測(cè)試系統(tǒng)和儀器設(shè)計(jì)使用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能,既降低了成本,又提高了儀器的靈活性和擴(kuò)展能力.1LabVIEW圖形編程系統(tǒng)是發(fā)展虛擬儀器的重要方法.它提供了大量的功能模塊,為不具備程序語(yǔ)言基礎(chǔ)的科研工作者提供了構(gòu)建擁有復(fù)雜計(jì)算解析功能的測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)單而高效的程序方法.2隨著近年來(lái)各個(gè)領(lǐng)域中虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展,測(cè)試儀器已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入虛擬儀器時(shí)代.

相比之下,腐蝕電化學(xué)領(lǐng)域中的測(cè)試儀器仍以硬件為主,虛擬儀器技術(shù)發(fā)展較慢.其主要問(wèn)題是虛擬恒電位儀技術(shù)未得到發(fā)展.近年來(lái),部分虛擬電化學(xué)儀器技術(shù)已取得了一些成果.3潘國(guó)運(yùn)等4研制了虛擬頻率響應(yīng)分析儀+恒電位儀,并進(jìn)行了腐蝕電化學(xué)阻抗測(cè)量,在不同阻抗體系中均得到了準(zhǔn)確的結(jié)果.Li等5利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建多通道電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng),使用八個(gè)自制的由9 V電池帶動(dòng)的恒電位儀,可以四個(gè)通道同時(shí)工作,完成循環(huán)伏安、電流分析等功能.Perusse和Leech6在利用LabVIEW編程來(lái)控制實(shí)現(xiàn)線性掃描和循環(huán)伏安測(cè)試系統(tǒng)中使用了硬件雙恒電位儀;Economou等7采用部分虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行陽(yáng)極和陰極方波電位掃描、吸附伏安測(cè)試以及富集方波伏安測(cè)試也是基于兩個(gè)自制的硬件恒電位儀;韓磊等8,9所研制的基于虛擬儀器技術(shù)的便攜式電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)中采用的是商品化的恒電位儀和自制的硬件反相放大式恒電位.目前為止,電化學(xué)領(lǐng)域中的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)仍離不開(kāi)硬件恒電位儀,10只能稱(chēng)之為部分虛擬電化學(xué)儀器.因此,發(fā)展完全虛擬電化學(xué)測(cè)試儀器的關(guān)鍵在于虛擬恒電位儀技術(shù).

為此,本文采用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)研制了以VEC11-A(Virtual Electrochemical Corrosion Test System)虛擬恒電位儀為主體的腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng),并與美國(guó)AMETEK公司的2263恒電位儀進(jìn)行對(duì)比來(lái)實(shí)現(xiàn)該體系的測(cè)試和評(píng)價(jià).

2 虛擬恒電位儀的設(shè)計(jì)

2.1 恒電位儀的恒定極化電位原理

電化學(xué)測(cè)量是一種擾動(dòng)方法,即向待測(cè)體系輸入電化學(xué)擾動(dòng)信號(hào)后測(cè)量體系對(duì)擾動(dòng)的電化學(xué)響應(yīng).為了獲得解析的響應(yīng)結(jié)果,擾動(dòng)信號(hào)應(yīng)嚴(yán)格按指定函數(shù)方式變化,最常用的擾動(dòng)是電位擾動(dòng),實(shí)現(xiàn)這一功能的儀器是恒電位儀.因此,恒電位儀成為電化學(xué)測(cè)量最基本儀器.恒電位儀的工作原理是極化電位信號(hào)通過(guò)輔助電極C施加在工作電極上,同時(shí),由參比電極R測(cè)量工作電極W的電位VW,測(cè)量結(jié)果輸入恒電位儀后,儀器立即比較測(cè)定的VW和設(shè)定電位Vf之間的偏差,并根據(jù)這一偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)極化電流來(lái)減小該偏差.例如,若VW＞Vf,則減小極化回路電流,使兩者偏差減小.反之,若VW＜Vf,則增加電流來(lái)使偏差減小,直至VW和Vf的偏差小于預(yù)設(shè)偏差值(如0.2 mV),恒電位過(guò)程完成.并在整個(gè)測(cè)試中持續(xù)這一調(diào)節(jié)過(guò)程,保持VW≈Vf.其調(diào)節(jié)過(guò)程如圖1所示.

圖1中恒電位儀向C-W提供一初始電流,R測(cè)定W的電位后輸入恒電位儀反相端,恒電位儀比較兩端電位差后調(diào)節(jié)輸出到C的電位,使W電位接近設(shè)定電位Vf,恒電位儀比較兩端電位差后再次調(diào)節(jié)輸出到C的電位,直至W電位與設(shè)定電位Vf差值小于預(yù)設(shè)偏差,達(dá)到恒定W電位的目的.這是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng),其恒定電位的速度和精度取決于恒電位儀內(nèi)的比較調(diào)節(jié)性能.一般的恒電位儀都是采用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能,通常采用電壓跟隨器和反向放大器形式.在電壓跟隨器電路中,基準(zhǔn)電位訊號(hào)加在運(yùn)算放大器的同相輸入端,而參比電極電位作為反饋訊號(hào)加入反向輸入端,根據(jù)運(yùn)算放大器同相輸入時(shí)的跟隨特性,參比電極的電位隨著基準(zhǔn)電位而變化且能自動(dòng)調(diào)節(jié)以達(dá)恒定;在反向放大器形式電路中,基準(zhǔn)電位和參比電位分別通過(guò)輸入電阻與反饋電阻接入反相輸入端,輸入電阻與反饋電阻相等,同樣能達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)電位的目的.11

2.2 虛擬恒電位儀的設(shè)計(jì)思路

圖1 恒電位儀工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operating principle of potentiostatVf:setting potential;W:working electrode;C:counter electrode; R:reference electrode

VEC11-A虛擬恒電位儀由計(jì)算機(jī)、具有模擬輸入與模擬輸出功能的板卡和軟系統(tǒng)件組成.板卡完成W電位采集和C電位加載的功能.軟件完成上述硬件恒電位儀所需完成的一系列比較和調(diào)節(jié)輸出電位的功能.虛擬恒電位儀省略了昂貴的儀器硬件,代之以軟件實(shí)現(xiàn)恒電位功能,其優(yōu)越性顯而易見(jiàn).其性能取決于軟件的采樣-比較-調(diào)節(jié)-采樣-比較…這一閉環(huán)的性能,調(diào)節(jié)次數(shù)越少,恒電位速度越快;預(yù)設(shè)偏差越小,恒電位精度越高,而調(diào)節(jié)的次數(shù)就越多.根據(jù)采樣值輸出合適的極化電位是關(guān)鍵.理想的情況是一次調(diào)節(jié)到位,但由于體系板卡性能和計(jì)算機(jī)性能存在延遲,調(diào)節(jié)方式和參數(shù)通常需要根據(jù)體系硬件系統(tǒng)響應(yīng)特性來(lái)改變和優(yōu)化至最佳狀態(tài).通常的比例調(diào)節(jié)很難達(dá)到較高的性能.

比例-積分-差分(PID)調(diào)節(jié)方法是自動(dòng)控制領(lǐng)域中最常用的高性能反饋調(diào)節(jié)技術(shù).其調(diào)節(jié)原理如下.

電源向被測(cè)系統(tǒng)施加一定的電壓信號(hào),同時(shí)測(cè)量要求恒壓部分的電壓,通過(guò)初始信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的關(guān)系,設(shè)置一定參數(shù)進(jìn)行比例、微分和積分調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)后輸出電壓作為下一次初始電壓.整個(gè)程序的核心就是PID控制,其原理如圖2所示.

其中的關(guān)鍵步驟是PID控制,PID控制是一個(gè)在工業(yè)控制中廣泛使用的反饋控制回路.這個(gè)回路把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較,然后把這個(gè)差別用于計(jì)算新的輸入值,這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值.和其他簡(jiǎn)單的控制運(yùn)算不同,PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來(lái)調(diào)整輸入值,這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確,更加穩(wěn)定.圖2中,r(t)為要求的參考值;u(t)為經(jīng)過(guò)PID計(jì)算產(chǎn)生的新輸入值,也就是加在被測(cè)系統(tǒng)中的值;c(t)為恒定部分的實(shí)際測(cè)量值; e(t)為收集到的數(shù)據(jù)c(t)與參考值r(t)的比較值;PID算法就是根據(jù)e(t)的值計(jì)算u(t),如下式:

式中,kp為比例系數(shù);T為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù),這三個(gè)參數(shù)的整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分,也是最復(fù)雜的部分.12-15圖3為本系統(tǒng)的程序流程圖.

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和分析,獲得了適合于本機(jī)VEC11-A虛擬恒電位儀系統(tǒng)PID參數(shù).

2.3 VEC11-A虛擬恒電位儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

VEC11-A虛擬恒電位儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,由計(jì)算機(jī)、多功能采集卡及控制軟件組成.其中,R為采樣電阻,作用是差分輸入采集電流.數(shù)據(jù)采集卡為NI公司(美國(guó))M系列PCI-6251多功能采集卡.軟件編程采用NI開(kāi)發(fā)的圖形編程平臺(tái)LabVIEW2010.如前所述,虛擬恒電位儀的性能取決于控制軟件,在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上,按照模塊化思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件.主要有初始數(shù)組模塊、讀寫(xiě)存儲(chǔ)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊,16-20時(shí)間設(shè)置模塊以及PID調(diào)控模塊.在初始數(shù)組模塊生成階梯數(shù)組;在讀寫(xiě)存儲(chǔ)設(shè)置模塊對(duì)一個(gè)模擬輸出通道和兩個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行初始設(shè)置;時(shí)間設(shè)置模塊對(duì)程序運(yùn)行時(shí)間及階躍穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行控制;PID調(diào)節(jié)模塊中,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)及PID運(yùn)算法則算出合適的輸出電壓;采集加在采樣電阻上的電壓換算為電流,最后以電位對(duì)時(shí)間關(guān)系圖和電位對(duì)電流關(guān)系圖顯示測(cè)量結(jié)果,并以文本格式保存.

圖2 PID控制原理圖Fig.2 Diagram for PID control

圖3 測(cè)試系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flowchart for the testing system

圖4 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.4 Constitution of the testing system

3 結(jié)果與討論

3.1 VEC11-A虛擬恒電位儀的測(cè)量功能

研制的VEC11-A虛擬腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)具有通用腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的常規(guī)測(cè)試功能.包括測(cè)量腐蝕電位、穩(wěn)態(tài)極化曲線、線性極化曲線、循環(huán)伏安、動(dòng)電位掃描、恒電位階躍等功能,能夠滿足簡(jiǎn)單的腐蝕電化學(xué)測(cè)試要求.21,22

為檢驗(yàn)研制虛擬儀器的性能,分別對(duì)模擬電解池和真實(shí)電化學(xué)體系進(jìn)行測(cè)量,并與美國(guó)AMETEK公司的PARSTAT 2263恒電位儀c(以下簡(jiǎn)稱(chēng)2263)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

3.2 電子元件模擬電路VEC11-A虛擬恒電位儀實(shí)測(cè)結(jié)果

模擬電解池的等效電路如圖5所示.其中R= 0-2 MΩ,R1=990 Ω,R2=990 Ω,R3=10 Ω,C=100 μF.

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)速度及精確度,對(duì)模擬電路施加-700 mV恒電位極化.測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6(A), VEC11-A虛擬恒電位儀測(cè)定的電位為(-700±0.05) mV,與極化電位值完全一致,電位波動(dòng)小于0.05 mV,具有較高的電位跟隨精度.

圖5 模擬全電解池等效電路Fig.5 Equivalent electrical circuits of the simulated electrolytic cell R:variable resistance;R1:sampling resistance;R2:working resistance;R3:resistance of solution;C:capacitance of the electric double layers

圖6 VEC11-A虛擬恒電位儀和2263恒電位儀在-700 mV恒電位(A)和在-100-100 mV之間掃描速率為0.5 mV·s-1時(shí)的動(dòng)電位(B)測(cè)量結(jié)果比較Fig.6 Result comparisons of VEC11-Avitual potentiostat and 2263 potentiostat at the potential of-700 mV(A)and dynamic potential scan from-100 to 100 mV with a scan rate of 0.5 mV·s-1(B)

然后,在模擬電解池中在-100到100 mV范圍施加間隔5 mV掃描階梯電位,每個(gè)階梯穩(wěn)定10 s.測(cè)定結(jié)果如圖6(B)所示,VEC11-A虛擬恒電位儀和2263恒電位儀測(cè)定的結(jié)果完全一致.

3.3 實(shí)際電化學(xué)體系的VEC11-A虛擬恒電位儀測(cè)量結(jié)果

Q235碳鋼工作電極電極表面用金相砂紙逐級(jí)打磨至1000＃,然后丙酮除油和蒸餾水清洗.實(shí)驗(yàn)采用三電極體系,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為不銹鋼網(wǎng)電極.電極工作面積均為1 cm2.

3.3.1 腐蝕電位測(cè)量

腐蝕電位測(cè)量部分是恒電位儀的最基本的功能,為了驗(yàn)證這一功能,對(duì)Q235碳鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下同)為3.5%的NaCl溶液中的三電極體系進(jìn)行測(cè)量,從圖7可以看出,在長(zhǎng)達(dá)6000 s的時(shí)間內(nèi), VEC11-A系統(tǒng)與2263恒電位儀測(cè)量結(jié)果一致,基本符合測(cè)試要求.

3.3.2 恒電位測(cè)量

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)速度及精確度,對(duì)Q235碳鋼在海水中的三電極體系進(jìn)行測(cè)量:對(duì)三電極體系施加-100 mV電位并測(cè)量結(jié)果(-100 mV恒定電位).如圖8所示,VEC11-A虛擬恒電位儀測(cè)定的電位波動(dòng)范圍為±0.5 mV,與圖6(A)類(lèi)似,其平均值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)一致.

3.3.3 穩(wěn)態(tài)極化曲線測(cè)量

穩(wěn)態(tài)極化曲線是實(shí)驗(yàn)室最常使用的腐蝕行為測(cè)量技術(shù).23為此采用VEC11-A虛擬恒電位儀和2263恒電位儀進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量,以檢驗(yàn)研制的虛擬儀器的測(cè)量性能.

圖7 3.5%(w)NaCl溶液中Q235碳鋼自腐蝕測(cè)量結(jié)果比較Fig.7 Result comparisons of free-corrosion potential of Q235 carbon steel in 3.5%(w)NaCl solution

圖8 海水中Q235碳鋼恒電位測(cè)量結(jié)果比較Fig.8 Result comparisons of steady potential of Q235 carbon steel in sea water

圖9(A),(B),(C),(D)分別為碳鋼電極在0.5 mol·L-1的H2SO4溶液、碳鋼電極在3.5%的NaCl溶液、不銹鋼電極在3.5%的NaCl溶液中、不銹鋼在緩蝕劑(3.5%HCl+20 g·L-1六次甲基四胺)中的穩(wěn)態(tài)極化曲線.兩種儀器的測(cè)量結(jié)果基本一致,VEC11-A符合測(cè)試要求.

3.3.4 線性極化曲線測(cè)量

線性極化曲線是腐蝕電化學(xué)中常用的線性極化電阻和腐蝕速率測(cè)量方法.如圖10所示,兩種儀器對(duì)碳鋼/3.5%NaCl體系的線性極化曲線測(cè)量結(jié)果完全一致.這表明可以使用VEC11-A虛擬恒電位儀測(cè)量腐蝕體系的線性極化電阻和腐蝕速率,這在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備腐蝕速率監(jiān)測(cè)中具有很高的價(jià)值.

3.3.5 動(dòng)電位掃描測(cè)量

動(dòng)電位掃描也是腐蝕研究中的常用技術(shù).圖11為兩種儀器對(duì)比測(cè)量的碳鋼在3.5%HCl中的陽(yáng)極溶解曲線.掃描速率為0.5 mV·s-1.由圖可以看出,兩種儀器的測(cè)量曲線基本重合.

3.3.6 循環(huán)伏安測(cè)量

循環(huán)伏安是電化學(xué)測(cè)量常用技術(shù).鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀體系具有良好的可逆性,常用于檢測(cè)儀器性能.24圖12為兩種儀器對(duì)比測(cè)量的石墨電極在0.1 mol·L-1鐵氰化鉀溶液中的循環(huán)伏安曲線,掃描速率為0.5 mV·s-1.兩者的還原峰和氧化峰位置基本相同,表明VEC11-A虛擬恒電位儀的測(cè)量結(jié)果是可靠的.

3.3.7 鈍態(tài)極化曲線測(cè)量

金屬的鈍化行為也是腐蝕電化學(xué)研究的重要內(nèi)容.25本文采用兩種儀器測(cè)量了碳鋼在1 mol·L-1鹽酸溶液中的動(dòng)電位陽(yáng)極鈍化曲線,掃描速率為0.5 mV·s-1.如圖13所示,結(jié)果表明,兩條曲線的主要部分基本一致,致鈍電流和電位完全一致,鈍態(tài)電流和點(diǎn)蝕擊破電位等參數(shù)基本一致(偏差分別為10 μA和10 mV,在可接受范圍).

圖9 不同阻抗條件下不同溶液極化曲線結(jié)果比較Fig.9 Result comparisons of polarization curves of different impedances in different solutionsscan rate:0.5 mV·s-1.(A)Q235 carbon steel in 0.5 mol·L-1H2SO4solution,potential range:-500--400 mV;(B)Q235 carbon steel in 3.5% NaCl solution,potential range:-900--450 mV;(C)304 stainless steel in 3.5%NaCl solution,potential range:-1000--400 mV; (D)304 stainless steel in corrosion inhibitor,potential range:-1000--200 mV

圖10 3.5%NaCl溶液中Q235碳鋼線性極化曲線結(jié)果比較Fig.10 Result comparisons of linear polarization curves of Q235 carbon steel in 3.5%NaCl solutionpotential range:±10 mV relative to open circuit potential; scan rate:0.5 mV·s-1

3.3.8 恒電位階躍響應(yīng)測(cè)量

恒電位階躍也是一種常用的電化學(xué)測(cè)試方法,本文采用兩種儀器測(cè)量了Q235碳鋼在3.5%NaCl中的恒電位響應(yīng)曲線,都在300 mV極化電位下穩(wěn)定10 min,然后電位階躍為0 mV,VEC11-A的數(shù)據(jù)采集速率為0.2 s-1,2263恒電位儀的數(shù)據(jù)采集速率為25 s-1.結(jié)果如圖14所示,兩條曲線的趨勢(shì)走向基本一致,穩(wěn)定電位基本一致.

圖11 3.5%HCl溶液中Q235碳鋼動(dòng)電位掃描曲線結(jié)果比較Fig.11 Result comparisons of potentiodynamic polarization curves of Q235 carbon steel in 3.5%HCl solutionpotential range:-500--400 mV;scan rate:0.5 mV·s-1

3.4 VEC11-A虛擬恒電位儀的參數(shù)與不足

圖12 0.1 mol·L-1的K3Fe(CN)6溶液中石墨電極循環(huán)伏安曲線結(jié)果比較Fig.12 Result comparisons of cyclic voltammetry curves of graphite electrode in 0.1 mol·L-1K3Fe(CN)6solutionpotential range:-200-1000 mV;scan rate:0.5 mV·s-1

圖13 0.1 mol·L-1的HCl溶液中Q235碳鋼動(dòng)電位陽(yáng)極鈍化曲線結(jié)果比較Fig.13 Result comparisons of potentiodynamic anode passivation curves of Q235 carbon steel in 0.1 mol·L-1 HCl solutionpotential range:-650--200 mV;scan rate:0.5 mV·s-1

VEC11-A虛擬恒電位儀的基本性能取決于硬件,即取決于輸入/輸出板卡性能.VEC11-A虛擬恒電位儀采用的板卡為NI公司M系列PCI-6251多功能采集卡,是一種中級(jí)性能的多功能板卡.該卡具有16 bit分辨率的模擬輸入和模擬輸出,最高1.25 MS·s-1的采樣率,最高模擬輸出更新率為2.8 MS· s-1,輸入阻抗大于1010Ω.因此,VEC11-A虛擬恒電位儀的主要性能等于和低于PCI-6251板卡性能,其輸入阻抗大于1010Ω,最大輸入電流約為10 mA,響應(yīng)時(shí)間約為0.5 s.更換高性能板卡可以顯著提高虛擬恒電位儀性能.

VEC11-A虛擬恒電位儀的主要特點(diǎn)是分辨率高,響應(yīng)速度適中,輸入阻抗適中.這一特點(diǎn)在前文的實(shí)際測(cè)量中得到了體現(xiàn),能夠滿足常規(guī)腐蝕電化學(xué)測(cè)量的要求.其主要不足是輸出電流低(小于10 mA),不能滿足大電流輸出的要求.這一不足可以通過(guò)采用大電流輸出的數(shù)據(jù)采集卡解決,其升級(jí)版VEP11-B虛擬恒電位儀正在研制中.

圖14 3.5%NaCl溶液中Q235碳鋼恒電位階躍曲線結(jié)果比較Fig.14 Result comparisons of constant potential stepcurves of Q235 carbon steel in 3.5%NaCl solution

4 結(jié)論

(1)PID控制能夠?qū)崿F(xiàn)恒電位功能,基于PID控制的虛擬恒電位儀能夠快速穩(wěn)定控制腐蝕體系中的工作電極電位達(dá)到設(shè)定值而不發(fā)生自激.

(2)VEC11-A虛擬恒電位儀的腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確可靠地進(jìn)行腐蝕電位、穩(wěn)態(tài)極化曲線、線性極化曲線、循環(huán)伏安、動(dòng)電位掃描、恒電位階躍等常規(guī)腐蝕電化學(xué)測(cè)量.測(cè)定結(jié)果與2263商用恒電位儀一致.

(3)VEC11-A虛擬恒電位儀腐蝕電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)可以借助于采用高性能數(shù)據(jù)采集卡來(lái)滿足各級(jí)應(yīng)用要求.

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October 19,2011;Revised:December 30,2011;Published on Web:January 10,2012.

Development and Application of Virtual Potentiostat on Electrochemical Corrosion Measurement

SUN Feng-Juan WANG Jia*
(College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,Shandong Province,P.R.China; State Key Laboratory for Corrosion and Protection of Metals,Shenyang 110015,P.R.China)

A potentiostat is a fundamental piece of equipment for the study of corrosion electrochemistry and research into the application of virtual technology to potentiostats is becoming increasingly important. The functions of virtual potentiostats can be controlled and implemented using software instead of complex hardware.They would be capable of not only meeting the demands of a variety of electrochemical tests, but would also be more flexible offering a simpler structure and operating parameters.This would represent a significant development in virtual electrochemical corrosion instrumentation.In this paper,a virtual potentiostat measurement system VEC11-A(virtual electrochemical corrosion test system)has been designed based on LabVIEW.The virtual instrument system of the potentiostat,based on the proportionintegration-differentiation(PID)control technology operated under the LabVIEW 2010 programming platform,was used to determine corrosion potential measurement,polarization curves,linear polarization curves,cyclic voltammetry curves,dynamic potential anode passivation curves,and constant potential step curves.In contrast with normal electrochemical instruments,the system worked well for electrolyzers of different impedances.

Virtual instrument;Steady-state polarization curve;Potentiostat;PID control; LabVIEW

10.3866/PKU.WHXB201201101

O646;TG174.3

?Corresponding author.Email:jwang@ouc.edu.cn;Tel:+86-532-66781903.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(50971118,51131005).

國(guó)家自然科學(xué)基金(50971118,51131005)資助項(xiàng)目