（控制科学与工程专业论文）混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统的设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：e l 期：垫! ! ：垒：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：叠将 一名乍荫嗍州歹 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 混凝土耐久性成为影响工程结构服役寿命的重要因素。氯盐侵蚀作用导致 钢筋腐蚀造成混凝土耐久性不良造成结构过早失效引起的后果极其严重，为提 高混凝土耐久性，保证混凝土结构不受氯离子侵害，必须对目前存在的混凝土 耐久性试验系统提出更高要求。 本文结合湖北省基金项目“混凝土结构耐久性使役环境智能模拟”，以氯离 子浓度控制系统为研究对象，对混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统进 行设计。主要包括以下研究工作： ( 1 ) 对氯离子浓度控制的必要性做了研究，结合国内外研究现状，确立临 界氯离子目标浓度实现方案，设计基于库仑法的氯离子浓度检测模型，为控制 系统的研究提供必要的参考依据； ( 2 ) 针对当前混凝土耐久性试验系统在氯离子浓度控制方面存在的不足， 结合前期项目成果继承和改造特点，分析比较适用于本系统的两种控制方案， 选定单片机为本文的控制方案： ( 3 ) 根据系统技术要求和功能特点进行硬件设计，主要包括电量测量、终 点指示、控制输出、控制器及其外围电路以及上位机通信与显示电路等，针对 实际情况确定芯片选型、电气参数和电路图设计，完成硬件电路的设计。以 a t 8 9 s 5 1 单片机为控制器，把电解电极和测量电极采集的微信号经过电量测量 和终点指示电路转换为数字量送入单片机进行处理得到实际氯离子浓度并以数 据形式存入存储器并实时显示从而完成非电量到电量的转换，通过控制输出电 路驱动执行机构动作，还可通过r s 2 3 2 实现串口通信； ( 4 ) 在硬件设计完成的基础上进行系统的应用软件设计，包括各功能子模 块程序的设计和实现方法流程图，利用k e i l 5 1 作为软件开发平台，实现氯离子 浓度控制系统的数据采集、分析处理、实时显示和存储等功能。 最后对论文的研究内容和工作进行了总结并提出了不足，对发展前景以及 研究方向提出了展望，为我国混凝土耐久性研究平台提供了技术支持。 关键词：混凝土结构，耐久性，氯离子浓度，试验环境，控制系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c r e t ed u r a b i l i t y q u e s t i o ni sp r o m i n e n ta tp r e s e n t , i th a sb e c o m e st h e i m p o r t a n ta t t r i b u t ew h i c hi n f l u e n c e se n g i n e e r i n gs t r u c t u r es e r v i c el i f e c h l o r i d el e a d t ot h ep h e n o m e n o no fr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o n , w h i c hc a u s e st h ed e s t r u c t i o no f c o n c r e t ed u r a b i l i t y c h l o r i d ec o r r o s i o ni s c u r r e n t l yc a u s i n gs e r i o u se f f e c t h i 曲 d e m a n d so nt h es y s t e mo fp r e s e n tc o n c r e t es t m c t u r ee n d u r a n c et e s ts y s t e ma r ep u t f o r w a r di no r d e rt o i m p r o v et h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t et og u a r a n t e ea g a i n s tt h e d a m a g eo fc h l o r i d ec o r r o s i o n c o m b i n i n g 、析t l lt h eh u b e ip r o v i n c ef u n d i n gp r o j e c t t h ec o n c r e t es t r u c t u r e d u r a b i l i t yt oc a u s et h ec a u s a t i v ee n v i r o n m e n ti n t e l l i g e n c es i m u l a t i o n ，t h er e s e a r c ho f c h l o r i d ei o n c o r r o s i o ni s s u eo nc o n c r e t es t r u c t u r eh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i s d i s s e r t a t i o n i nt h er e s e a r c ht h ec h l o r i d ei o nc o n c e n t r a t i o nc o n t r o ls y s t e ma st h e r e s e a r c ho b j e c t ，as e r i e so fr e l e v a n ti s s u e so nc o n t r o lo fc h l o r i d ei o nc o n c e n t r a t i o n h a v eb e e ns t u d i e d r e s e a r c hc o n t e n ti n c l u d i n ga sf o l l o w s ： t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e dt h et h er e s e a r c hn e c e s s i t yo fc o n t r o lt h ec h l o r i d ei o n c o n c e n t r a t i o ni nt h ec a u s a t i v ee n v i r o n m e n t ，t h e nd e t e r m i n e dt h ec r i t i c a lc h l o r i d ei o n c o n c e n t r a t i o nr e s e a r c hp l a na n dt h er e f e r e n c er a n g e ，a n dd e t a i l e d l yd e s c r i b e dt h et h e c h l o r i d ei o nc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t m o d e lo fc o u l o m e t r i cm e t h o da c c o r d i n gt o t h ec u r r e n tr e s e a r c hw o r k sa th o m ea n da b r o a d ，i tp r o v i d e st h ee s s e n t i a lr e f e r e n c ef o r c o n t r o ls y s t e m sr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h er e a d j u s t m e n to ft h ep r e v i o u sp r o j e c ti n h e r i t e da n dm o d i f i e d t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h r o u g h a n a l y z i n g a n dc o m p a r i n gt w oc o n t r o lm e t h o d s w h i c ha r es u i t a b l ef o rt h i ss y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ng e t st h ed e s i g ns c h e m ew h i c hu s e d m c ua sc o n t r o ls c h e m ea i m i n ga t s o l v i n gt h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lc o n c r e t e d u r a b i l i t yt e s ts y s t e m a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u ei n d e xa n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，w ed e c i d et h e h a r d w a r er e a l i z a t i o ns c h e m eo ft h ew h o l es y s t e m 耵1 ef u n c t i o np r i n c i p l eo fs o m e m a i l l l yc i r c u i tm o d u l e si n c l u d ee l e c t r i cq u a n t i t y , e n d p o i n ti n d i c a t o r , o u t p u tc o n t r o l ， d i s p l a yi n t e r f a c e ，c o n t r o l l e ra n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t sa sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o n h 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c ec i r c u i t b a s e do i lm c ua t 8 9 s 51 ，t h e s y s t e mc o n v e r t sn o n e l e c t r i cs i g n a lt o e l e c t r i cs i g n a lb yt h ee l e c t r o l y s i sa n dt h ep o t e n t i a le l e c 咖d e ，i tc a nc o n v e r tt h ew e a k s i g n a li n t od i g 眦s i g n a l st h r o u g he l e c t r i cq u a n t i t ya n de n d p o i n ti n d i c a t o rc i r c u i t ，t h e n t h i ss i g n a li sd i s p l a y e da n ds t o r e di nt h ee e p r o mi nt h ef o r mo fd i g i t a lb yu s i n g m i c r o p r o c e s s o r st op r o c e s s i nt h i ss y s t e mt h ee x e c u t i o nm a c h i n er e c e i v et h ea c t i o n i n s t r u c t i o nb yt h eo u t p u tc o n t r o lc i r c u i t , c o n t r o l st h ec o r r e s p o n d i n gv a l v et oa c ta n d t h es e r i a lc o m m u n i c a t i o ni sa c c o m p l i s h e db yr s 2 3 2i n _ t e f f a c e o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ea p p l i c a t i o ns o r w a r ei sd e s i g n e d i td e t a i l e d l y d e s c i b e st h ed e s i g n e da n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fe a c hf u n c t i o ns u b - m o d u l ep r o g r a m , r e a l i z e st h es y s t e mf u n c t i o n ss u c ha sr e a l - t i m es i g n a la c q u i s i t i o n , d a t aa n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g ，d i s p l a ya n ds t o r a g ea n d s oo n k e i l51i su s e da ss o f e w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m i nt h ee n dt h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h em a i nt a s kh a v eb e e ns u m m a r i z e d ，t h e d i s a d v a n t a g e sa n di m p r o v e m e n th a v eb e e np r o p o s e d ，f u r t h e r m o r et h ed i r e c t i o no f t h e f u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th a v e b e e nf o r e c a s t e d ，t h er e s e a r c hp r o v i d e s t e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c hp l a t f o r mo fc o n c r e t ed u r a b i l i t y k e y w o r d s ：c o n c r e t es t r u c t u r e ，d u r a b i l i t y , c h l o r i d ec o n c e n t r a t i o n , t e x te n v i r o n m e n t ， c o n t r o ls y s t e m i l l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 混凝土耐久性的研究现状2 1 2 2 氯离子临界浓度研究现状3 1 2 3 氯离子浓度检测方法研究现状3 1 3 本文的主要内容4 第2 章试验环境氯离子浓度控制系统总体方案设计6 2 1 试验环境氯离子浓度控制系统设计准则与功能要求6 2 1 1 系统设计准则6 2 1 2 系统功能要求8 2 2 试验环境氯离子浓度控制系统工作原理及结构9 2 2 1 系统工作原理9 2 2 2 系统总体结构1 0 2 3 试验环境氯离子浓度控制系统方案设计1 1 2 3 1 试验环境的构成1 l 2 3 2 目标浓度的确定与检测模型的建立1 2 2 3 3 控制器选择1 3 2 4 本章小结15 第3 章试验环境氯离子浓度控制系统硬件设计1 6 3 1 试验环境氯离子浓度控制系统硬件组成1 6 3 2 单片机控制器电路17 3 2 1 时钟电路与复位电路17 3 2 2 外接存储器电路1 9 3 2 3 地址译码电路2 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 恒电位电路2 0 3 4 电量测量电路2 2 3 4 1 电量测量电路结构2 2 3 4 2i 转换电路2 3 3 4 3 信号调理电路2 5 3 4 4 、垤转换电路2 6 3 5 终点指示电路2 8 3 5 1 终点指示电路结构2 8 3 5 2 终点指示放大电路2 9 3 5 3 终点指示控制电路3 0 3 6 控制输出电路3 1 3 7 显示与报警电路3 3 3 7 1 显示接口电路3 3 3 7 2 越限报警电路3 4 3 8 电源电路。3 5 3 9 通信电路3 6 3 1 0 硬件抗干扰设计3 7 3 1 1 本章小结3 8 第4 章氯离子浓度控制系统软件设计3 9 4 1 软件设计原则3 9 4 2 主程序与初始化设计3 9 4 2 1 系统初始化4 0 4 2 2 主程序功能4 0 4 2 3 主程序流程图4 l 4 3 测量电极信号采样软件设计厶4 2 4 4 终点指示软件设计4 5 4 5 控制算法软件设计4 6 4 5 1 控制程序设计4 6 4 5 2p i d 控制算法4 8 4 5 3p i d 控制流程4 9 4 6 越限报警软件设计5 0 武汉理工大学硕士学位论文 4 7 液晶显示软件设计5 l 4 8 串口通信软件设计5 3 4 9 软件抗干扰设计。5 4 4 1 0 本章小结5 5 第5 章全文总结与展望5 6 参考文献。5 7 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 0 致谢6 1 i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 混凝土由于具有经济适用、节能、用途广泛等众所周知的特点而被广泛用 于桥梁、大坝、工业建筑以及道路等典型现代化标志建筑结构中。随着混凝土 材料结构技术上的不断发展，使得混凝土的用量迅速增多，无疑对国民经济和 人民的生活带来巨大的影响。 一般混凝土是用波特兰水泥的水化物结合一定比例的骨料，与水搅拌，经 处理而成的人造材料i l j 。为克服自身脆性，提高抗拉和抗弯能力，一般都将混凝 土配以钢筋制成钢筋混凝土复合建筑材料，本文所指即为钢筋混凝土。所谓耐 久性是指在设计规定时间范围内，混凝土结构在使役环境、材料因素等内部因 素作用下，不需要投入大量资金进行加固处理，混凝土仍能保持其自身安全， 及其工作性能的能力1 2 1 。资料表明，混凝土因材质劣化以及其他各式原因而导致 混凝土耐久性丧失，引发工程问题屡屡发生，因混凝土耐久性被破坏而带来的 经济损失也难以估量，该问题之严重性足以引起我们的高度重视【3 7 1 。在这些破 坏原因以氯离子侵蚀引发的耐久性破坏问题最为严重。氯离子因为存在的广泛 性和破坏的严重性使得其成为导致混凝土耐久性破坏失效的最首要因素 8 - 9 ，且 由此而引发的破坏过程顽固且不可逆，因此必须重视氯离子侵蚀对混凝土耐久 性的影响并对相关问题进行研究。 混凝土孔隙液中的钢筋表面由于电化学的不均匀性，自身存在高低电位差 以及其他能够发生电化学腐蚀的反应条件，当钢筋脱钝处于活化状态，使得钢 筋锈蚀成为可能，然而由于氯离子具有局部去钝化的作用，能使钢筋钝化膜表 面p h 值迅速下掣卅1 1 】，使钢筋表面酸化，破坏孔隙液中钢筋表面受保护的强碱 性环境，使得钝化膜更易被破坏，其次氯离子半径很小也使得氯离子穿透能力 很强，当氯离子含量达到临界情况时，即使在强碱性环境下，氯离子也能从混 凝土表面钝化膜缺陷中通过渗透作用将局部钝化膜击穿而到达钢筋表面【1 2 1 3 】， 由此形成锈蚀回路，造成局部坑蚀，氯离子的侵入一方面不仅加强了离子通路， 使混凝土孔隙液中电解质导电能力增加，加快了电化学反应速度，另一方面氯 离子在电化学破坏反应过程中并不被消耗，仅起到催化和搬运作用，由此使得 武汉理工大学硕士学位论文 电化学腐蚀不断循环发生，这也是氯离子侵蚀作为耐久性破坏首要因素的重要 原因。为防止混凝土免于遭受氯离子侵蚀而引发耐久性破坏，必须严格控制混 凝土孔隙液中的氯离子浓度，因此必须根据实际环境中氯离子浓度分布情况对 氯离子的浓度进行准确检测与控制。然而传统的混凝土耐久性试验系统中在氯 离子浓度控制方面仍存在不足，还没有成型的实现对氯离子浓度进行控制的装 置和设备，因此本文研究的目的在于结合自动控制与计算机控制学科以及电化 学分析学科等多学科知识，对混凝土耐久性试验环境氯离子浓度进行检测与控 制，并验证其控制效果，使混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统的研究 更具有实际应用价值，为完善混凝土结构耐久性试验研究平台做出努力。 1 2 国内外研究现状 本文针对氯离子侵蚀对混凝土耐久性造成影响展开研究，对混凝土试件所 处使役环境氯离子浓度进行检测并对其浓度加以控制，以防止氯离子侵蚀对混 凝土耐久性造成不良影响，结合如上所述，作者对国内外相关研究现状进行总 结，主要涉及到三个方面：混凝土耐久性研究动态，氯离子临界浓度研究现状 以及氯离子浓度检测研究现状，以下对这三个方面作简要概括。 1 2 1 混凝土耐久性的研究现状 目前混凝土结构耐久性的研究从材料、构件以及结构三个层次研究的较多， 前两个层次的研究比较普遍。材料层次研究为混凝土耐久性机理性研究；构件 层次研究为混凝土结构性能的研究；结构层次研究为整体研究。 作为混凝土结构耐久性研究的基础，材料层次研究主要从影响混凝土结构 耐久性的因素入手。从文献资料看，主要集中在混凝土碳化、氯盐侵蚀f 1 4 1 、钢 筋锈蚀 1 5 - 1 6 1 、冻融破坏、碱集中反应等方面，钢筋锈蚀为主方向，研究最多的 为混凝土碳化、冻融破坏以及碱集中反应。钢筋锈蚀也是混凝土结构耐久性破 坏的最主要因素，因此成为混凝土耐久性研究热点，其中对氯离子引起锈蚀的 机理【1 7 1 蜘、极限含量的研究和氯离子扩散机理以及其影响因素的研究【1 9 2 0 】已经 得到重视，并被广泛研究。 混凝土碳化方面主要集中在碳化模型以及碳化影响深度研究【2 m 2 1 ；冻融破 坏方面重点皆在研究抗冻盐与抗冻性关系方面的研究；碱集中反应目前研究较 2 武汉理工大学硕士学位论文 少，还没有有效措施与预防方法；构件层次的研究主要集中在混凝土结构破坏 后其开裂模型和相关性能以及其构件承载能力变化方面的研究；结构层次方面 主要集中在耐久性的评估与设计以及混凝土耐久性寿命预测方面的研究圆。 1 2 2 氯离子临界浓度研究现状 氯离子临界浓度最先开始于1 9 6 7 年由h a u s m a n n 2 4 1 最先报道，之后众多学 者都对混凝土孔隙液中临界氯离子浓度进行了研究，g l a s s l 2 5 】等学者通过总结和 自身试验研究对前人所得到的结论进行总结也得到了钢筋脱钝的临界氯离子浓 度值，从现有参考文献来看，不同学者采取韵测量方法均不相同，大致有恒电 位方法、恒电流方法以及动电位方法等测试方法，采用不同方法不同学者得到 的临界氯离子浓度分布值均不相同，且混凝土孔隙液中临界氯离子浓度受到混 凝土所处环境、混凝土的质量、钢筋表面含氧量、环境因素以及混凝土孔隙液 中p h 值等诸多因素影响，都使得氯离子浓度的临界值仍无统一定论。氯离子临 界浓度的表示方法也不相同，大致有三种： c l - 】【叫- 】浓度比、总氯化物含量 和自由氯离子浓度。以上国内外大量研究结果表明：在混凝土孔隙液中，氯离 子浓度临界值在0 0 0 1 m o l l 到6 m o l l 之间；【c l 一 o h - 】临界值在0 0 2 到2 0 0 之间，另有文献一致表明1 2 6 d 7 1 ，当【c l 一 o h 一】= 0 6 时，钢筋开始锈蚀；以总氯 化物含量来表示氯离子临界浓度一般在o 1 7 - 4 之间。 1 2 3 氯离子浓度检测方法研究现状 从参考文献来看，氯离子检测方法目前有三种方法：硫氰酸汞比色法、氯 化银比浊法【2 引、电化学方法【2 9 1 。 硫氰酸汞比色法将氯离子与硫氰酸汞反应产生的反应产物与三价铁离子反 应生成橙红色化合物硫氰酸铁通过颜色比对得到氯离子含量，该方法灵敏度不 高且受到测定条件限制，一般不常使用，常用于水中氯离子的检测。氯化银比 浊法将氯离子与银离子反应生成氯化银白色沉淀，通过测量沉淀悬浊液的吸光 度来得到氯离子含量，该方法具有较好的线性度和灵敏度，在医学、冶金、环 境监测等检测领域较为广泛应用。 电化学检测方法是指通过电化学传感器将化学量按照一定规律将其转换为 电信号输出以此捕捉物质含量、离子强度或p h 值等化学量，通过对该电信号的 测量来完成检测过程。其最早研究开始于2 0 世纪5 0 年代，最先开始于氧气的 3 武汉理工大学硕士学位论文 监测，之后被广泛使用于微量元素以及有害物质的检测中，并组合成完整的自 动监测系统，取得了相当良好的进展，涉及的专题报道有多篇【3 0 1 。 电化学方法常常采用库仑法【3 1 - 3 2 1 来完成检测。库仑法是在氯化银比浊法的 基础上演变而来，其实质为原电池式库仑计，即采集原电池中电解反应消耗的 电量根据法拉第电解定律来计算结果。采用电化学检测方法能避免传统微量元 素测量方法中的繁琐，减少人工操作步骤，且方便与计算机控制结合，实现自 动检测和控制，因此成为微化学元素检测中的首选方法，随着高科技的发展， 尤其是过程分析、微电子学、自动监测技术以及电子线路的发展使得电化学检 测也跻身于高科技技术领域得到较多应用和迅速发展。 本文采用电化学库伦方法进行检测，通过化学电极与后续电路相连接来测 量混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统中生成氯化银沉淀过程中电解反 应消耗的电量来捕捉氯化物侵蚀溶液中氯离子含量，由此得到试验环境中氯离 子浓度的实时检测值，采用该种检测方式不仅具有响应时间快、线性度和灵敏 度高特点，而且可以方便与计算机控制相连接实现混凝土耐久性试验环境氯离 子浓度的自动控制。 1 3 本文的主要内容 在混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制过程中，实现对试验环境中氯离 子浓度的实时检测与监控是整个控制系统中重要的环节。本文对混凝土试验环 境中的氯离子浓度进行控制，弥补传统混凝土耐久性试验系统在氯离子浓度控 制方面存在的不足，主要任务是对现有耐久性试验系统进行继承和改造，针对 混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统特点，设计混凝土耐久性试验环境 氯离子浓度控制系统( 简称“试验环境氯离子浓度控制系统 ) 。全文共分5 章， 各章主要内容如下： 第1 章绪论。介绍氯离子侵蚀对混凝土耐久性的影响，对本文涉及的混凝 土耐久性，氯离子临界浓度以及测量方法研究现状进行总结，明确本文研究目 的与意义并对本文主要研究内容进行说明。 第2 章试验环境氯离子浓度控制系统总体方案设计。对混凝土耐久性试验 环境氯离子浓度控制系统总体结构进行分析，提出系统的设计目标，并确定其 主要功能，分析系统工作原理以及结构特点，设计系统的总体方案，包括试验 环境的构建、目标浓度的确定、检测模型的构建以及主控制器的选择等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章试验环境氯离子浓度控制系统硬件设计。根据总体设计方案，完成 氯离子浓度控制系统的硬件电路设计，包括各元器件选型，氯离子浓度测量与 控制相关电路，电源电路，显示与报警电路、抗干扰设计等。 第4 章试验环境氯离子浓度控制系统软件设计。在分析控制系统需要实现 的功能基础上，设计完成混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统软件设计。 第5 章总结与展望。对全文进行总结，在已研究的基础上提出存在的不足 问题，提出有待进一步研究和完善的方面。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验环境氯离子浓度控制系统总体方案设计 本章在分析混凝土耐久性试验环境下氯离子浓度控制系统的设计准则与功 能要求以及氯离子浓度控制系统工作原理与整体结构特点的基础上，完成氯离 子浓度控制系统的总体方案设计，主要包括氯离子浓度控制系统中氯离子浓度 子环境的构成、氯离子目标浓度确定方案、检测模型的建立以及信号检测与控 制器方案的选择等。 2 1 试验环境氯离子浓度控制系统设计准则与功能要求 2 1 1 系统设计准则 混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统是集混凝土材料、结构工程、 控制科学与计算机等多学科的技术于一体的综合系统。为使该系统能长期用于 混凝土结构耐久性试验研究，满足其功能和管理需要，同时又具一定经济效益， 在总体结构的设计原则上，应兼顾如下原则： ( 1 ) 简单实用性 应加强系统的实用性，将系统设计同已有的混凝土结构耐久性试验装置密 切结合，减少对操作人员操作水平的依赖性，使整体结构简化，易安装维护、 操作使用方便，提升混凝土结构耐久性试验系统的适用性与丰富性。 ( 2 ) 准确可靠性 在具有一定实用性前提下，系统的整体设计过程应符合各技术参数指标和 生产工艺等相关规定，包括从硬件设计到软件的设计、元器件到整机，都要将 可靠性贯穿于始终，最大努力提升系统运行的可靠性。 ( 3 ) 先进合理性 尽可能使用成熟先进和有确切理论支撑的技术以保证系统在技术应用和整 体设计上都合理可行，努力提高系统的整体质量水平。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 标准通用性 系统在整体设计上应符合相关标准规定。在整体设计达到最优原则完成系 统自身设备配套基础上，还应充分发挥设计的灵活性，配置相关其他接口和设 备，便于升级扩充，使产品具有通用性。 ( 5 ) 经济适用性 系统的设计从整体出发，方案实际可行，在突出系统整体优越性的同时兼 顾经济适用性，在方案实施上尽可能以软代硬，尽可能降低成本，提高经济性。 系统的硬件电路设计上应注意如下问题： ( 1 ) 高性价比 选择合适的单片机，满足可靠、通用、经济等要求； ( 2 ) 模块化 选择典型电路，提高标准模块化程度，提升系统灵活性； ( 3 ) 易扩展 系统配置除应充分满足系统所需外还应留有余地便于扩展； ( 4 ) 易操作 硬件和软件方案结合考虑，可以用软件实现的功能，就不需要增加硬件电 路，简化硬件结构，使操作更方便； ( 5 ) 匹配性 相关器件选择应根据相关手册和技术指标综合考虑，尽可能做到性能匹配； ( 6 ) 抗干扰 抗干扰设计是提升系统可靠性必不可少的关键之处。 系统的软件设计一般根据系统功能所需来设计，同时兼顾硬件方案，从而 可靠的实现系统的各种功能。一般来讲良好的系统软件包含如下特点：软件结 构清楚、流程合理；采用模块化结构，便手交流借鉴；可实现标志化管理；具 有软件抗干扰设计；设有自诊断程序，提高应用系统运行的可靠性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 系统功能要求 混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统是对当前混凝土结构耐久性试 验系统的改进，其目的在于弥补当前混凝土结构耐久性试验系统在侵蚀溶液注 入和氯离子浓度控制方面的不足，从而完善混凝土结构耐久性试验系统研究平 台。因此，混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统的设计应充分借鉴以往 工业环境控制系统的有效经验和实例，结合自身特点，对前期项目的成果进行 借鉴和继承，应用先进的技术实现试验环境侵蚀溶液氯离子浓度的实时控制。 作为一套完整的混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统，至少应具备 如下要求： ( 1 ) 实时检测：主要完成氯离子浓度信号采集、转换以及转换后电信号处 理等功能； ( 2 ) 信号处理：主要完成信号传输以及信号调理等功能； ( 3 ) 计算机控制：主要完成信号的采集以及数据处理显示等功能。 对氯离子浓度的检测在技术指标如下： ( 1 ) 应用环境：混凝土结构耐久性模拟试验环境； ( 2 ) 测控对象：侵蚀溶液的氯离子浓度； ( 3 ) 测量精度：读数的0 7 ( 4 ) 响应时间：小于等于3 0 s ； ( 5 ) 环境工作温度范围：- 2 0 8 0 0 c ； ( 6 ) 环境工作湿度范围：3 0 - - , 1 0 0 r h 。 试验环境氯离子浓度控制系统主要功能在于对氯离子浓度的实时检测和自 动控制，为了兼顾方便原则还应具备数据存储、声光报警与上位机通讯等功能。 基于这些要求，系统应有氯离子检测、数模转换、控制模块、以及通信模块等。 系统的主要控制功能在于对数据采集及控制系统发送不同的指令来实现开始和 停止，离子原液阀控制( 打开、关闭) 、调水阀控制( 打开、关闭) 、搅拌电机 控制( 启动、停止) 、采样泵和循环泵控制( 打开、关闭) 以及排液阀控制( 打 开、关闭) 等机械动作的操作控制。系统的主要数据处理功能在于对模拟输入 信号进行数模转换，并对采样数据进行处理，运用软件进行数字滤波处理抑制 干扰等，系统的实现能够提高整个氯离子浓度控制系统的自动化水平。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 试验环境氯离子浓度控制系统工作原理及结构 2 2 1 系统工作原理 本文混凝土耐久性试验环境氯离子浓度控制系统主要实现对混凝土耐久性 试验环境氯离子浓度子环境中的氯离子浓度的实时检测与控制。整个实时系统 由物料缓冲槽、环境箱、采样泵、循环泵、测量槽、单片机控制器、回收槽、 离子补充阀、补水阀等组成。整个工作过程如下图2 1 所示。 图2 1 试验环境氯离子浓度控制系统工作过程 氯离子主要来源于环境箱中的侵蚀溶液，侵蚀溶液在主循环泵作用下定时 不断循环于物料缓冲槽和环境箱之间，物料缓冲槽设有电磁搅拌器以保证溶液 浓度的均匀；在控制单元作用下滴定泵定时从环境箱中取液，按照工艺要求得 到定量的侵蚀溶液；取出的样品溶液被送到测量槽中，测量槽中放有去离子水 稀释的硝酸溶液和两对电极，通过这两对电极来测量电解池中消耗的电量以确 定实时氯离子浓度；通过控制单元对实时检测结果与设定值进行比较，控制离 子补充阀和补水阀的通断，以调节缓冲槽内溶液浓度，通过循环通道调节环境 箱内离子溶液浓度，形成氯离子浓度闭环控制系统，从而达到控制目的。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 系统总体结构 针对该系统的原理，本文设计了整个混凝土结构耐久性试验环境氯离子浓 度控制系统总体结构框图，如图2 2 所示。下面对各模块单元的功能和作用分别 进行简要介绍。 图2 2 系统总体结构框图 ( 1 ) 控制器 用来接收数据、处理数据以及控制输出信息的核心设备。选择范围较广， 可以选择单片机、p l c 以及其他各种工业控制机等都可以作为控制处理设备。 在此，控制器选择应该具备处理数据灵活、精确并能够进行存储，能够实现串 口或并口通信，能够方便实现连接显示、键盘等外围设备的特点。 ( 2 ) 显示设备 用于显示混凝土耐久性试验环境氯离子浓度子环境中氯离子的实时浓度、 所需的氯离子目标浓度、实时控制曲线以及当前系统时间信息等，它是实现人 机交互的重要控制设备之一。 ( 3 ) 串行接口 用于接收控制过程中的相关数据信息，以方便后续的数据分析与对比以及 功能扩展等，可以是p c 机的c o m 口，也可以是微处理器的u a r t 串口等。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 供电电源 用于向控制处理器以及其他各功能部件提供各种所需电源，要求应根据系 统的工作环境具备一定的稳定性和安全性 ( 5 ) 信号检测设备 用于实现试验环境氯离子浓度子环境中氯离子浓度的实时检测，应根据系 统自身特点以及系统功能要求合理选取传感器设备以实现信号的采集，信号检 测方案的设计应符合系统整体设计准则。 ( 6 ) 执行部件 接收来自控制处理器的控制信号( 该信号是控制器根据当前子环境中实时 检测出来的氯离子浓度计算出来的控制信号) ，执行部件在此控制信号作用下， 释放出所需的氯离子原液或纯水以调节当前子环境中氯离子浓度，使当前氯离 子浓度能够跟踪变化保持在给定范围内变化。 ( 7 ) 存储设备 用于完成控制器内存以及数据、代码存储区的扩展等，为了存储大量实时 的氯离子浓度数据方便后续分析与扩展，本文采取e e p r o m 扩展来实现实时数 据的存储。 2 3 试验环境氯离子浓度控制系统方案设计 本课题的研究目标，是设计一种氯离子浓度控制系统，对试验环境中的氯 离子浓度进行有效跟踪，对当前状况进行实时控制，使氯离子浓度能适应试验 环境中情况变化，在指定水平方向上变化，为此，应根据本文中混凝土试件所 处的氯离子浓度子环境特点及控制系统的功能要求进行系统设计。 2 3 1 试验环境的构成 本文研究是在前期项目“混凝土结构使役环境的智能模拟 基础上展开的， 通过对前期项目已有技术的研究成果进行改造与继承，选用项目中的环境箱来 作为主控制环境，从而能够定量分析和评价各自然环境对混凝土结构试件的影 武汉理工大学硕士学位论文 响，在此基础上添加氯离子浓度控制功能，构成混凝土耐久性氯离子浓度试验 环境，以此拓宽混凝土结构耐久性试验系统的使用功能以及试验内容。 本文的混凝土耐久性试验环境主要来源于模拟使役环境，混凝土耐久性的 使役环境指混凝土结构试件所处的自然环境和使用环境的统称。通过绪论章节 可知混凝土试验环境相当复杂，受到诸多因素影响，因此采用自然环境模拟技 术【3 3 】，通过计算机控制以及其他先进技术手段的运用来模拟其使役环境，搭建 侵蚀溶液氯离子控制子环境构成试验环境。 2 3 2 目标浓度的确定与检测模型的建立 ( 1 ) 目标浓度的确定 要对氯离子浓度进行控制，首先应知道标准氯离子浓度参数范围，根据钢 筋钝化原理观察阴阳极曲线蚓变化规律，钢筋脱钝是通过钢筋的腐蚀电位e 一 和点蚀电位e p 来起作用，钢筋钝化膜被破坏实质为 b ，因此临界氯离子 浓度可以定义为当点蚀电位大于腐蚀电位的上限值。研究方案如图2 3 所示。 氯离子浓度与e p 关系试验h 点蚀电位e p ( 影响因素：氯离子浓度、温度、p h 等) 环境分类与e 分布试验h 腐蚀电位e c o r r ( 影响因素：含氧量、湿度、p h 等) 活态l i 钝态 l 临界氯离子浓度i 图2 3 临界氯离子浓度研究方案 根据相关资料分析对比，采取恒电位测试方法来测量混凝土孔隙液中的氯 离子临界浓度，使e 湖保持恒定，设定p h = 1 2 ，调节溶液的氯离子浓度和e p ， 当钢筋电极的回路电流突跃时，记录e p 与氯离子浓度和p h 值的关系，通过统 计处理得到对应电位的临界氯离子浓度。得到的临界氯离子浓度在 0 0 01 - - 4 ) 4 3 2 m o l l 之间。 ( 2 ) 库仑检测模型的建立 卡尔费休将该方法用于测量水分提出了卡式库伦法，本文将该理论运用于 本系统的氯离子浓度检测模块，设计了基于次级库伦分析法的氯离子浓度检测 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 模型，说明如下： 在库伦电解池中含有2 对