氯離子擴散系數(shù)測定儀標準與計量技術

高 輝，曹玉芬，韓鴻勝

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

水運工程水工建筑物經(jīng)常受到氯離子的侵蝕破壞，從而導致混凝土耐久性提前失效，這不僅減少了水工建筑的實際使用年限，而且為水工建筑物的安全使用帶來隱患。氯離子擴散系數(shù)測定儀作為檢測混凝土氯離子侵蝕強度的關鍵儀器，其工作性能和計量性能直接關系著測量結果的準確性，目前，交通運輸行業(yè)乃至全國范圍內關于氯離子擴散系數(shù)測定儀計量技術研究尚屬于空白狀態(tài)。僅我國住房和城鄉(xiāng)建設部編制并發(fā)布了產品標準JG/T262-2009《混凝土氯離子擴散系數(shù)測定儀》和由福建省計量科學研究院編制的地方校準規(guī)范JJF(閩)1053-2012《混凝土氯離子電通量和擴散系數(shù)測定儀校準規(guī)范》。因此，對水運工程領域氯離子擴散系數(shù)測定儀的工作性能和計量性能開展研究迫在眉睫。

本文對水運工程氯離子擴散系數(shù)測定儀的產品規(guī)格、性能要求和檢定方法開展了計量技術研究工作，并依據(jù)研究成果編制水運工程氯離子擴散系數(shù)測定儀行業(yè)標準和計量檢定規(guī)程，其對完善氯離子擴散系數(shù)測定儀量值溯源體系具有重要意義。

1 氯離子擴散系數(shù)測定儀的規(guī)格要求

氯離子擴散系數(shù)測定儀是一種便捷的自動化設備，主要由主機、陰極試驗槽、陰陽極板、不銹鋼喉箍、白色硅橡膠套筒、有機玻璃支架及連接線組成，采用GB/T50082 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中快速氯離子遷移系數(shù)法可實現(xiàn)全自動化的試驗過程。根據(jù)水運工程領域混凝土耐久性檢測試驗要求和氯離子擴散系數(shù)測定儀的工作原理，氯離子擴散系數(shù)測定儀所有組成部分的規(guī)格都對氯離子擴散系數(shù)的測量結果產生一定的影響，這就對設備的所有組成部分的規(guī)格提出了嚴格的尺寸要求。通過調研市面上的主流氯離子擴散系數(shù)測量設備，結合水工建筑物的實際需求，提出設備各部件的規(guī)格要求，具體規(guī)格要求見表1。

表1 氯離子擴散系數(shù)測定儀規(guī)格要求Tab.1 Specifications of Chloride ions migration coefficient gauge

氯離子擴散系數(shù)測定儀的電壓調節(jié)能力以及時間誤差對測量結果影響很大，在初始運行時，對氯離子擴散系數(shù)測定儀施加30 V直流電壓，被測混凝土試件產生初始電流，氯離子擴散系數(shù)測定儀采集到初始電流后，根據(jù)設備自身工作原理即可判斷出當前被測混凝土試件所需施加的二次電壓值(調整后電壓)以及整個試驗的運行時間。根據(jù)試驗要求，我們規(guī)定氯離子擴散系數(shù)測定儀主機測量1 h的時間誤差不應大于2 s，初始電流與試驗時間的關系滿足GB/T50082 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中電遷移試驗步驟的要求，具體要求見表2。

2 氯離子擴散系數(shù)測定儀的計量性能要求

表2 氯離子擴散系數(shù)測定儀初始電流與試驗時間的關系Tab.2 The relationship between the initial current and the test time of Chloride ions migration coefficient gauge

根據(jù)JJF1001-2011《通用計量術語及定義》中的定義，計量是指“實現(xiàn)單位統(tǒng)一、量值準確可靠的活動”[2]。根據(jù)計量的一致性與溯源性特點，參考氯離子擴散系數(shù)測定儀在水運工程的實際使用情況，確定了氯離子擴散系數(shù)測定儀的主機作為被檢定對象。設備主機包含了電壓輸出系統(tǒng)、電流采樣系統(tǒng)和溫度測量系統(tǒng)。在實際測量過程中，設備對被檢混凝土試件多個物理量進行檢測，其檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過公式計算，得出氯離子擴散系數(shù)。氯離子擴散系數(shù)測定儀是一種結構復雜的多參數(shù)測量設備，獲取的氯離子擴散系數(shù)無法直接進行復現(xiàn)和溯源，通過對設備的測量原理進行分析，采用拆分法對氯離子擴散系數(shù)中所涉及的各個物理量進行分別溯源。采取電學測量法和比對法對氯離子擴散系數(shù)測定儀的電壓、電流和溫度進行試驗論證，并根據(jù)實驗結果進行計量標準建設。

2.1 計量性能要求

水運工程氯離子擴散系數(shù)測定儀部門計量檢定規(guī)程的制定，首先應確定氯離子擴散系數(shù)測定儀計量技術指標。根據(jù)GB/T50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，同時參考了北歐試驗方法標準NT BUILD 492中的相關內容[3]，結合水運工程建筑物處于水氣交界的特殊環(huán)境，確定氯離子擴散系數(shù)測定儀的電壓、電流和溫度三個計量性能指標。并對三個計量性能指標提出計量性能要求[4]。計量性能要求見表3。

表3 氯離子擴散系數(shù)測定儀計量性能要求Tab.3 Metrology index of Chloride ions migration coefficient gauge

2.2 計量檢定方法

2.2.1 電壓的檢定方法

氯離子擴散系數(shù)測定儀的氯離子擴散系數(shù)是導出量，無法從計量的角度直接復現(xiàn)這個量值。通過分析氯離子擴散系數(shù)測定儀測量原理可知，電壓是氯離子擴散系數(shù)測定儀中較為重要的參數(shù)之一。電壓參量的檢定方法主要采取精密電阻并聯(lián)于氯離子擴散系數(shù)測定儀主機的方式，這代替了被檢混凝土試件和試驗中其他配套設備(如試驗槽、橡膠套筒、陰陽極板、不銹鋼喉箍等)[5]。

在標準器的選擇上，選取電壓測量范圍為10 V～60 V，電壓測量不確定度Urel=0.05%，k=2的數(shù)字多用表。選取(120、200、300、400、600、800、1 200、1 800、2 500、5 000、10 000)Ω的精密電阻，每單個精密電阻阻值最大允許誤差為0.1%。

選取RCM-NTB型號氯離子擴散系數(shù)測定儀作為試驗樣機，在實驗室進行電壓的檢定方法論證試驗。實驗室室溫為22℃，相對濕度為54%，試驗開始前將設備主機開機預熱10 min，隨機選取3個通道進行試驗，將不同阻值的精密電阻依次接入待檢通道，然后點擊開始試驗按鈕，5 s后，氯離子擴散系數(shù)測定儀完成電壓自動調節(jié)功能后，使用數(shù)字多用表測量標準電阻兩端的電壓值，再根據(jù)設備顯示值計算電壓示值誤差。試驗數(shù)據(jù)如表4所示，結果滿足表3中電壓計量性能要求。

表4 電壓試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Voltage test data

2.2.2 電流的檢定方法

電流亦是氯離子擴散系數(shù)測定儀中較為重要的參數(shù)之一。數(shù)字多用表選取電流測量范圍為500 μA～5 A，電壓測量不確定度Urel=0.05%，k=2。選取(1 200、1 800、2 500、5 000、10 000)Ω的精密電阻，每單個精密電阻值最大允許誤差為0.1%。

選取RCM-NTB型號氯離子擴散系數(shù)測定儀作為試驗樣機，在實驗室進行電流的檢定方法試驗。實驗室室溫22℃，相對濕度54%，將數(shù)字多用表和不同阻值的精密電阻串聯(lián)在氯離子擴散系數(shù)測定儀主機上，在點擊開始試驗按鈕后，讀取數(shù)字多用表的電流測量值和設備主機電流顯示值并計算電流示值誤差[6]。為驗證電流的檢定方法，使用相同樣機在相同的試驗環(huán)境條件下進行電流檢定試驗。

表5 電流試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Current test data

表6 溫度試驗數(shù)據(jù)Tab.6 Temperature test data ℃

電流參量的檢定方法同樣采用上文提及的數(shù)字多用表和精密電阻，區(qū)別在于電路連接方式。將精密電阻(1 200 Ω、1 800 Ω、2 500 Ω、5 000 Ω、10 000 Ω)與數(shù)字多用表同時串聯(lián)在氯離子擴散系數(shù)測定儀主機上，在點擊開始試驗按鈕后，讀取數(shù)字多用表的電流測量值和設備主機電流顯示值，計算電流示值誤差[6]。試驗數(shù)據(jù)如表5所示，結果滿足表3中電流計量性能要求。

2.2.3 溫度的檢定方法

溫度參量的檢定方法與標準鉑電阻在恒溫水槽中進行檢定相似，采用溫度比對法進行檢定。在標準器的選擇上，選取溫度范圍5℃～50℃，溫場均勻度為±0.02℃的恒溫水槽，為溫度檢定試驗提供均勻溫場檢定環(huán)境。選取測量范圍為0℃～50℃，準確度等級為二等的標準鉑電阻。

選取RCM-NTB型號氯離子擴散系數(shù)測定儀作為試驗樣機，在實驗室進行電流的檢定方法試驗。實驗室室溫22℃，相對濕度54%，將氯離子擴散系數(shù)測定儀的測溫裝置與標準鉑電阻同時放入恒溫水槽中，對氯離子擴散系數(shù)測定儀試驗溫度段進行均勻劃分從而選取5℃、15℃、20℃和25℃4個水溫作為檢定溫度值。當氯離子擴散系數(shù)測定儀主機的溫度顯示值和標準鉑電阻示值均穩(wěn)定以后，讀取記錄并計算出示值誤差。試驗數(shù)據(jù)如表6所示，結果滿足表3中電流計量性能要求。

3 結論

氯離子擴散系數(shù)測定儀的產品規(guī)格要求以及計量性能要求，經(jīng)實驗驗證是可行的，具體技術指標寫入氯離子擴散系數(shù)測定儀行業(yè)標準中。氯離子擴散系數(shù)測定儀中電壓和電流參數(shù)采用電學測量法，可以滿足當前計量檢定規(guī)程的需要，和生產廠家使用的方法具有一致性。但是這種方法無法復現(xiàn)氯離子擴散系數(shù)的量值，與氯離子擴散系數(shù)測定儀的實際使用條件有區(qū)別。因此，在今后的科研工作中，應對直接測量擴散系數(shù)的方法繼續(xù)開展研究。