混凝土氯离子电通量测定仪校准技术研究

张杰梁 黄 洪 吕光明 方 杰

(福建省计量科学研究院， 福州 350003)

0 引言

混凝土氯离子电通量测定仪(以下简称电通量仪)是一种用于测量混凝土结构耐久性指标的专用设备。它是在一定的温度下，在混凝土试件两端施加一定的直流电压(通常为60V)，然后采集流过混凝土试件的电流，通过积分计算出固定时间内通过混凝土的电通量,得出混凝土的氯离子渗透性参数，从而间接判断混凝土结构的耐久性。如何确保混凝土耐久性测试仪器在这些设施建设中发挥积极作用，保证混凝土耐久性测试仪器为氯离子侵蚀环境中的混凝土结构耐久性设计提供正确参数并为建筑物的安全提供保证，这是计量技术机构必须考虑并予以解决的问题[1]。

鉴于此，本文将对电通量仪的基本原理进行阐述，对该类仪器的校准技术展开讨论和研究，并提出该类仪器的量值溯源方法，从而确保该类仪器提供准确、可靠的测量结果。

1 电通量仪的基本原理

电通量仪可定量评价混凝土抵抗氯离子渗透的能力，为氯离子侵蚀环境中的混凝土结构耐久性设计与施工以及使用寿命的评估与预测提供基本参数。其基本工作原理是：整机主要由电压输出系统、电流采样系统、温度测量系统以及控制系统等组成。电压输出系统为一个60V的直流电压输出装置，且在58～62V之间可微调，输出电压的最大允许误差为±0.1V。电流采样系统用于采样通过混凝土试样的电流，显示值精确至0.5mA，相对误差一般优于±0.25%。温度测量系统主要用于测量试样槽溶液的温度，测温范围一般为0～100℃，且最大允许误差为±0.3℃。

电通量仪工作时，在直流电压的驱动下，溶液中的氯离子通过混凝土试样形成电流。随着时间的推移，仪器可自动测量、记录通过混凝土试样的电流，并通过RS232或其它通讯接口将数据传输给上位机，上位机通过积分计算出固定时间(一般为6h)内通过混凝土试样的电通量,并作出相应的曲线图，从而根据曲线图判断混凝土结构的耐久性指标[2-3]。电通量仪的基本结构框图如图1所示，上位机软件部分构成示意图如图2所示。

图1 基本结构框图

图2 上位机软件部分构成示意图

2 校准电通量仪校准设备的选择

由电通量仪的工作原理可知，其整个工作回路是：电压输出系统的正极、NaCl溶液、混凝土试样、NaOH、电压输出系统的负极。显然，要实现对电通量仪的校准，首先应选择合适的电阻负载对整个回路进行模拟。根据建筑工业行业标准JG/T 261—2009《混凝土电通量测定仪》，应采用准确度等级为0.01级300Ω标准电阻和准确度等级为0.1级的600Ω和1500Ω的标准电阻连接与电压输出端口之间来验证电通量仪采样电流的准确度。但实际上一般的高等级标准电阻都无法承受如此大的电流，解决办法是采用锰铜线专门绕制电阻负载，以保证功耗的达标和阻值的稳定性。此外，随着电子负载技术的成熟和发展，亦可使用高精密直流电子负载来完成对整个回路的模拟，从而实现对电通量仪的校准。解决回路的负载之后，即可使用高准确度直流电压电流表实现电通量仪输出电压和采样电流两个参数的校准。

建筑工业行业标准JG/T 261—2009《混凝土电通量测定仪》中规定，电通量仪输出电压60V点的最大允许误差为±0.1V，采样电流最大允许误差为±0.25%。故选择标准器时，直流数字电压表相应点的误差限值应不超过±0.02V，采样电流在实际测量范围内的误差限值应不超过±0.05%。关于温度校准设备，可采用标准水银温度计并以恒温油槽作为辅助设备来完成对电通量仪温度的校准，标准水银温度计的误差限值应不超过±0.1℃[4]。

3 电通量仪的校准方法

3.1 输出电压的校准

由电通量仪的基本原理可知，该仪器的直流输出电压为60V，一般的电通量仪都具备6个这样的测试通道。所以校准时，应采用标准直流电压表对各个通道逐一进行校准。考虑到电通量仪的电压输出系统是给NaCl溶液、混凝土试样、NaOH等形成的回路供电，所以，其准确度或最大允许误差应在带载状态下通过校准获得，若采用直流数字电压表直接进行校准，由于其输入阻抗远大于电通量仪输出电压系统的输出阻抗，校准结果往往无法反映电通量仪工作状态下的计量性能。实际上，从表1的测量数据亦可看出，当忽略导线压降、接触电阻等带来的影响时，电通量仪在300Ω～10MΩ负载下，其最大差值为0.49V，大于电通量仪“±0.1V”的技术要求。故电通量仪应在带载状态下进行校准，其主要是考虑到某些不符合要求的电通量仪空载电压与带负载电压差异较大，影响电通量仪对混凝土试验耐久性的有效评定。

表1不同负载时电通量仪的

此外，电通量仪的试验时间一般为6h，要获得准确可靠地测量结果，应确保直流输出电压具备一定的稳定性。所以，在输出电压校准时，应对输出电压的短期稳定性进行考核。输出电压的短期稳定性可同输出电压的校准同步进行，电通量仪的直流电压校准原理线路如图3所示。

图3 电通量仪输出电压校准接线图

3.2 采样电流的校准

考虑到目前大部分的电通量仪的采样电流都是采用侵入式测量方式，所以，当采用电阻负载来对整个回路进行模拟时，应考虑电阻负载具有较低的电阻温度系数和较好的电阻稳定性能。随着DSP技术的不断发展，各类基于该技术的高精密直流电子负载得到了广泛应用。采用高精密直流电阻负载的“定电阻”功能，可轻松完成电通量仪采样电阻的校准。校准时，将标准直流数字电流表串联在由电通量仪电压输出端和电阻负载形成的回路中，调节输出电压或负载电阻，即可完成对采样电流的校准。电通量仪的采样电流校准原理线路如图4所示。

3.3 温度的校准

温度的校准可以参照JJF 1171—2007温度巡回检测仪校准规范进行，将电通量仪温度传感器与标准水银温度计置入恒温槽中，待读数稳定后读取相应的温度值。电通量仪的校准点应至少包括5℃、25℃、50℃、95℃等4个温度点。

4 电通量准确度分析及仪器计量性能的确定

由电通量仪的工作原理可知，电通量的计算公式为：

(1)

式中，S=pr2为混凝土试样的截面积。显然，输出电压、采样电流以及温度准确度的保证最终是为了获得准确的电通量Q。因此，电通量测定值的准确度是仪器准确度的核心，也是检测仪器时标准器方面必须考虑的问题。鉴于目前国内的电通量仪行业标准和说明书均未给出电通量的最大允许误差，故有必要对电通量仪的最大允许误差进行估算，从而确保所选择的校准设备符合电通量仪的校准需要。考虑到电通量仪采样电流的最大允许误差为±0.25%，而时基信号最大允许误差很容易达到±0.05%，故可推算出电通量的最大允许误差为±0.26%。由于没有现成的电通量仪校准装置，这时可采用电子秒表和具有平均值计算功能的标准直流电流表对该参数进行校准，校准时启动电子秒表和标准直流电流表的电流测量功能，以电流平均值与时间(一般为6h)的乘积作为标准值。假设启动或止动秒表的标准不确定度为0.2s，则由秒表启、止动误差、电子秒表最大允许误差引起的相对标准不确定度仅为0.0014%，相对其他不确定度分量而言，可忽略不计。所以，校准电通量仪的不确定度来源主要由标准直流电流表测量误差和测量结果的重复性引起。实际上，由式1可知，电通量的准确度主要取决于仪器输出电压的稳定性和负载回路阻抗示值的稳定性。而后者功耗指标、绕制材料为决定因素。因此，只要保证输出电压稳定、负载电阻温度系数足够小，可不对电通量进行另外校准即可保证电通量“±0.26%”的计量要求。所以，在保证电通量测量仪输出电压及稳定性、采样电流、温度、试验持续(保持)时间符合一定准确度要求的前提下，可不对“电通量”参数进行校准。

5 结束语

当前我国正大力发展经济，加强基础项目建设，混凝土结构广泛应用于建筑、交通、水利等工程的建设中，特别是高速铁路的铁路大桥建设，是工程结构的重要组成部分，其耐久性直接影响到整个工程的质量。为了防止这些混凝土工程成为“短命工程”，一方面要严把原料关加强混凝土的耐久性设计，另一方面需要通过一定的试验检测混凝土的耐久性指标，防止一些“豆腐渣”工程蒙混过关，而氯离子渗透性是判断混凝土耐久性的一项重要指标。高准确度的电通量测量仪器是保证混凝土质量的一个重要手段，而该类仪器计量性能的保证是前提和基础。

[1] 李传伟．混凝土氯离子渗透性自动检测系统的研制[D]．北京交通大学硕士学位论文，2006

[2] 张杰梁．基于RCM法的砼氯离子扩散系数测定仪的检测[J]．中国计量，2009(10)

[3] 陈海燕，李孟平．S3C44B0X 在混凝土氯离子渗透性检测中的应用[J]．仪器仪表与检测技术，2008，27(9)

[4] JG/T 261—2009，混凝土电通量测定仪[S]