CN111788478B - 腐蚀测量装置 - Google Patents

Abstract

用于检测物体(216)的涂层(250)的腐蚀的设备(200)，该设备包括：导电的主体(202)，其限定了用于容纳电解质(206)的腔(204)，该主体(202)布置成在使用中与该物体(216)导电接触，并且布置成在使用中将电解质(206)与物体隔离；以及位于腔(204)内的第一电极(208)，该第一电极(208)用于与恒电位仪(402)或恒电流仪电连接，并且被布置成在使用中与腔(204)中的电解质(206)电接触；其中，该主体(202)包括第一部分(222)和第二部分(224)，该第二部分(224)能够相对于该第一部分(222)在缩回位置和延伸位置滑动地移动。

Description

腐蚀测量装置

技术领域

本发明涉及用于感测物体中电化学变化的设备和系统。在实施例中，其涉及电化学电池装置。在其他实施例中，其涉及包括该装置的系统。

背景技术

通常合乎需要的是能够准确地检测某些物体中的电化学变化。检测物体中的电化学变化可以例如帮助确定物体的维护要求。例如，如果在物体中检测到显著的电化学变化，则可以确定需要在物体上施加或重新施加保护涂层，或者需要更换物体的一部分。如果在物体中未检测到明显的电化学变化，则可以确定不需要维护。各种结构(例如，管道、汽车、飞机和石油钻井平台)的零件都会经历电化学变化测试，以便确定维护要求。

在对物体中电化学变化的检测中的错误可能导致维护过度或维护不足。例如，在错误地检测到明显的电化学变化的情况下，当物体实际上没有经历显著的电化学变化时，可能不必要地将保护涂层施加或重新施加到物体上，或者可能更换该物体的一部分。在未能检测到电化学变化的测量的情况下，尽管实际上物体正在经历这样的变化中，即使需要适当的维护，该适当的维护也可能无法进行。

检测物体中电化学变化的一种方法是通过线性极化电阻(LPR)技术。

检测物体中电化学变化的另一种方法是通过执行电化学阻抗谱(EIS)。在EIS中，将交流电位施加到电化学电池，并测量电池的响应(其电化学阻抗)。可以分析测得的阻抗，尤其是其频率依赖性，以确定物体中是否发生了电化学变化。使用EIS的特定示例将在下面的“具体实施方式”部分中进行描述。

EIS可以在几乎任何可以通过等效电路建模的物体或系统上执行。例如，通常可以在由具有保护涂层的金属基底组成的物体上执行EIS。用于在此类物体上执行EIS的标准装置由电化学电池和恒电位仪或恒电流仪组成。电化学电池由电解质、参考电极、对电极和工作电极组成。物体(由金属基底及其涂层组成)充当工作电极。

参考电极和对电极放置在电解质中，电解质通常是一种非常类似于被测材料的实际应用环境的溶液。将电解质、参考电极和对电极置于涂覆样品(工作电极)上方。所有电极均连接至恒电位仪或恒电流仪，或连接至可充当恒电位仪或恒电流仪的仪器。恒电位仪在参考电极和工作电极之间施加电位，并分析系统的响应以确定系统的电化学状态以及该状态如何随时间变化。恒电流仪控制工作电极和对电极之间的电流，并测量参考电极和工作电极之间的电位差。

存在两大类用于执行EIS的设备：开放式电化学电池和密封式电化学电池。每种都具有上述参考电极，对电极和电解质(以及在使用中的被测物体形式的工作电极)。在开放式电化学电池中，将电解质直接与待测物体进行接触。这种开放式电化学电池的一个例子如图1(a)所示。如从该图可以看出，电池的主体提供了壁来容纳电解质，但是没有基部。取而代之的是，由待测物体提供基部，使得电解质与待测物体接触。相比之下，在密封式电化学电池中，电解质不与待测物体直接接触；取而代之的是，电池主体的壁将电解质与待测物体分开。开放式和密封式电化学电池(已知形式的)两者都有缺点。

由于电解质与物体之间的直接接触，使用开放式电化学电池进行的测量可能会导致损坏被测物体。图1(b)示意性地说明了这种损坏，图1(b)显示了用图1(a)中所示的开放式电化学电池测试后的样品的示意图。此外，开放式电化学电池只能可靠地用于物体的基本水平的表面上。如果开放式电化学电池固定在物体的成一定角度的表面上、或者实际上面向下的表面上，则电解液将从电池中泄漏出来。如果由于电解液泄漏而使电解质的量在测量期间发生变化，则所得的测量结果将不可靠。

使用密封式电化学电池进行测量避免了上述缺点，但也有其自身的缺点。例如，在现有的密封式电化学电池中，难以在电池主体与待测物体之间实现良好的电接触。如果电池主体与待测物体之间存在气隙，要么根本无法进行测量，要么测量将不准确。

为了改善电池主体与物体之间的电接触，可以使用粘合剂将电池主体固定至物体。然而，这会在测试后在物体上留下残留的粘合剂，这会促进物体中不希望的电化学变化。此外，由于粘合剂的材料特性通常与被测试物体的材料特性不匹配，因此这会导致在使用这种电池进行的测量中出现不准确。尽管可以从数学上消除这种不准确，但是这种消除只是近似的。最后，由于包含电解质的电池可能相对较重，因为存在其会掉落的风险，所以无法使用粘合剂将其可靠地固定在非水平表面上。

开放式和密封式电化学电池还存在两种类型电池共有的一些缺点。

首先，要感测已涂有保护性非导电涂层的物体中的电化学变化，必须去除某些涂层以便与物体进行电接触，且从而形成工作电极。这使物体的(通常很小的)区域暴露于环境中，并因此使其暴露于进一步的电化学变化，例如腐蚀。

其次，尽管现有的用于测量物体中的电化学变化的电化学电池可以在实验室应用中使用，但它们可能不实用甚至不适合用于现场测量，特别是在要分析的区域较大的情况下。常规电池由于其覆盖的面积较小，通常只能分析它们放置于其上的物体的几厘米。这意味着这种常规电池在大面积的分析中用途有限。

尽管这样的传感器在传感器周围具有大约0.5m的最大理论感测范围，但随着与传感器的距离增加，感测的精度会降低。这可能意味着需要大量传感器(或大量重复测量)来在大的面积上进行感测。在被感测的区域之间也将存在“死区”，因为被感测的区域大约是圆形的，且因此不会细分。

为了使用较小的传感器增加感测面积，可以将导电凝胶散布到涂层上。这种凝胶尽管相对惰性，但仍能吸引盐或其他腐蚀性颗粒，且即使将凝胶擦去后也可以起作用来将它们粘在表面上。这可以增加物体中的电化学变化。

使用较大的传感器会增加可以测试的面积，但是较大的传感器并不适合所有应用。当需要在难以接近的位置中感测仅一小块区域时，较大的传感器可能不合适，因为它可能不能容纳在可用的空间中。即使在位置可接近的情况下，如果仅关注相对较小的区域，相对于可能已应用于关注区域的较小传感器，使用较大的传感器也会导致测量的处理时间过长。

至少某些实施例的目的是解决这些问题中的一个或多个。

发明内容

[第一方面]

根据本公开的第一方面，提供了一种用于感测物体中的电化学变化的设备，该设备包括：基本上导电的主体，其限定了用于容纳电解质的腔，该主体被布置为在使用中与该物体导电接触，并在物理上布置成在使用中使电解质与物体隔离；以及至少部分地位于该腔内的至少第一电极，该第一电极用于与恒电位仪或恒电流仪电连接，并布置成在使用中与腔中的电解质电接触；其中，该主体包括至少一个磁体，该磁体布置成在使用中向物体施加磁力，从而将主体附接到物体。

[效果]

至少一个磁体布置成在使用中向物体施加磁力，从而将主体附接到物体上，可以很容易地将电池附接到物体上，以及使电池与物体分离。

该至少一个磁体还消除了使用胶水将物体附接到物体上的需要。因此，避免了在检查表面上的胶水残留物。此外，该至少一个磁体还允许改善的在至少第一电极和物体之间的电流流动，这是因为胶水可以为该电流流动提供阻力。

该至少一个磁体允许主体与物体进行良好接触，而在主体和物体之间没有明显的气隙。这允许电流通过电池主体和物体而流入和流出至少第一电极，而不会由于该电路中存在气隙而遇到显著的电阻。

该主体在物理上被布置为在使用中将电解质与物体隔离，从而使得允许该设备用于感测物体的电化学状态，而电解质不会与物体接触。这消除了由于电解质与物体之间的直接接触而损坏被测物体的风险。

[定义]

在用于感测物体中的电化学变化时，该设备可以用于在物体上执行电化学阻抗谱。在用于感测物体中的电化学变化时，该设备可以用于在物体上执行线性极化电阻方法。表述“在使用中”可以表示“当该设备用于感测物体中的电化学变化时”。因此，表述“在使用中”可以表示“当使用该设备在物体上执行电化学阻抗谱时”或“当使用该设备在物体上执行线性极化电阻法时”。在物理上布置成使电解质与物体隔离时，基本上导电的主体被布置成防止电解质与物体接触。在使用中被设置成与物体导电接触时，主体可以被布置成与物体直接物理接触。在使用中被设置成与物体导电接触时，主体可被布置成通过基本导电的中介物(例如，如下详述的基本导电的覆盖物)与物体导电接触。

在基本导电的情况下，基本导电的主体足够导电以在第一电极和物体之间导电。换句话说，基本导电的主体是导电的。基本上所有的主体可以基本上是导电的。这意味着可以以多种取向将主体应用到物体上并且其仍然与物体导电接触。这也意味着主体可以由单一材料制成。这可能比使用一种以上的材料更具成本效益。备选地，主体的仅一部分可以是基本上导电的。这意味着需要与物体进行导电接触以便使用该设备执行感测的主体的一部分可以由导电材料形成，而主体的其余部分可以由另一种材料形成。这可以降低设备的成本，其中导电材料比所使用的其他材料贵得多。

[电极]

第一电极可以是对电极(counter electrode)。换句话说，第一电极可以布置成在使用中将电流输送到电解质。对电极可以是网格的形式。对电极可以是基本上电化学惰性的材料。对电极可以是铂或铝。

该设备可以进一步包括第二电极。第二电极可以是参考电极。换句话说，第二电极可以被布置为用于测量另一电极的电位。参考电极可以是氢电极、饱和甘汞电极、硫酸铜-铜(II)电极，氯化银电极或钯-氢电极。

第一电极可以是工作电极。

[主体]

主体可以是铝。主体可以是铂。当主体是铝时，主体具有相当高的导电率并且具有相当的电化学惰性，同时还由相对便宜的材料形成。当主体由铂形成时，主体具有高导电率并且在电化学上是非反应性的。这意味着主体能够通过该设备到达和/或从待测物体起导通电流而自身不会经历发生电化学变化。主体的电化学变化可影响物体中的电化学变化的测量，因为该测量将获得电池主体的电化学变化。

主体可以具有第一表面，该第一表面被布置为在使用中沿着第一表面的基本上整个长度与物体进行导电接触，并且可以包括至少第一部分和第二部分，第二部分能够相对于第一部分从第一缩回位置滑动地移动到第二延伸位置，使得当第二部分处于第二位置时第一表面的长度大于当第二部分处于第一位置时的第一表面长度。

在如刚刚描述的那样布置主体时，它可以是“可伸缩的”。这将在下面关于第三方面进一步讨论。

[磁体]

布置成在使用中向物体施加磁力且从而将主体附接到物体的至少一个磁体可以是永磁体。该至少一个磁体可以是钐钴。钐钴磁体重量轻、尺寸小、强度大、具有很强的耐腐蚀性，且可在高温和恶劣的工作条件中使用。

该至少一个磁体可以是基本上导电的主体。即，导电主体可以是永磁体。

该设备可以进一步包括由腔容纳的电解质；电连接到第一电极的恒电位仪或恒电流仪；以及被布置为电连接到物体的电连接器。这种布置提供了一种完整的设备，其通过简单地将主体应用到物体上并将电连接器连接到物体上就可以使用，而无需进行进一步的修改或添加来感测物体中的电化学变化。

[第二方面]

根据本公开的第二方面，提供了一种用于感测物体中的电化学变化的系统，该系统包括：根据第一方面的第一设备，其中，至少第一电极包括对电极；根据第一方面的第二设备，其中所述至少第一电极包括工作电极。

[效果]

通过提供根据第一方面的第二设备，可以将要感测其中的电化学变化的物体制成工作电极，而无需将电连接器直接连接到该物体。因此，在物体具有保护涂层的应用中，无需去除该涂层的一块以便测试非导电涂层下的物体。

[第三方面]

根据本公开的第三方面，提供了一种用于感测物体中的电化学变化的设备，该设备包括：基本上导电的主体，其限定了用于容纳电解质的腔，该主体具有第一表面，其被布置为在使用中基本上沿着该第一表面的整个长度与物体进行导电接触，并且物理上布置成在使用中使电解质与物体隔离；以及至少部分地位于腔内的至少第一电极，该第一电极用于连接恒电位仪或恒电流仪，并且布置成在使用中与腔中的电解质电接触；其中该导电主体包括至少第一部分和第二部分，第二部分相对于第一部分能够从第一缩回位置滑动地移动到第二延伸位置，使得所述第一表面的长度在第二部分处于第二位置时比第二部分处于第一位置时更大。

[效果]

由于基本导电的主体包括至少第一部分和第二部分，第二部分相对于第一部分能够从第一缩回位置滑动地移动到第二延伸位置，从而第一表面的长度在第二部分处于第二位置时比第二部分处于第一位置时更大，该主体可以是“可伸缩的”。即，可以通过使第一部分或第二部分或两个部分相对于彼此滑动而使主体延伸，使得第二部分处于第二延伸位置。这(相对于第二部分处于第一位置时)增加了被布置为在使用中与物体进行导电接触的第一表面的长度。继而，这增加了与物体导电接触的主体的表面积。这意味着该设备可以被制造为相对便携式的并且适合于在第二部分处于第一位置时感测相对较小的物体或者难以接近的区域中的物体的电化学变化，同时允许在第二部分处于第二位置时分析较大的表面。这使得该设备比具有一个固定尺寸的设备更具通用性。因此，可能不需要例如使用导电凝胶来增加可以用该设备分析的表面积。相反，它可以简单地被延伸。

[密封]

主体可以布置成在主体的基本上任何取向上保持电解质。第一和第二部分(firstand second part)可以是基本上管状的，并且可以被布置为使得当第二部分处于第一位置时，这些部分中的一个的至少第一部(first portion)在径向上在另一部分内。可以布置第一部分和第二部分，使得当第二部分处于第一位置时，与第二部分处于第二位置时相比，这些部分中的一个的较大部在径向上位于另一部分内。第一部分和第二部分中的每一个可包括远离另一部分且封闭的端部。例如，可以将远端布置成不允许液体通过它们。

在布置成在基本上任何取向上保持电解质时，该构造允许主体以基本上任何取向附接到表面，而没有电解质从主体逸出。如上所述，如果电解质在测量过程中逸出，则会对测量结果造成不利影响。这种密封设计可能与在设备中使用磁体协同作用，因为这些特征共同允许设备可以以任何取向(甚至是上下颠倒)附接，从而可以将其附接到例如天花板和具有挑战性的几何构造的结构上。

[导电覆盖物]

该设备可以进一步包括在第一表面的至少一部分上的基本导电的覆盖物，该基本导电的覆盖物布置成在使用中在第一表面和物体之间传导电。当第二部分具有在径向上位于第一部分(在第二部分处于第一位置时)中的至少第一部时，该覆盖物可以布置在该第二部分的第二部上，在该第二部分处于第一位置时该第二部并非在径向上处于第一部分之内。该覆盖物可以被布置为从第二部分处于第一位置时的第一状态移动到第二部分处于第二位置时的第二状态，其中第二状态相对于第一状态延伸。

以这种方式，覆盖物随着第二部分的相应运动而延伸和缩回，且从而允许第二部分与待测物体之间的导电接触得以维持，而与第一部分的位置无关。如果没有覆盖物，则当第一部分和第二部分基本为管状时，且第二部分具有在该第二部分位于第一位置时径向地位于第一部分内的第一部，以及该第二部分的当该第二部分处于第一位置时并非在径向上处于第一部分内的第二部时，如果将主体应用到平坦表面上，则第二部将不会与该表面导电接触。这可以允许整个主体与待测物体导电接触，或者相对于其中不存在覆盖物的布置至少增加接触面积。

覆盖物可以是被布置为延伸和/或压缩的网格。覆盖物可以是被布置成延伸和/或压缩的折叠材料。覆盖物可以是被布置成延伸和/或压缩的线圈。这些布置中的每一个都允许覆盖物从第二部分处于第一位置时的第一状态移动到第二部分处于第二位置时的第二状态，其中第二状态相对于第一状态延伸。

基本导电的覆盖物可以具有至少与基本导电的主体的导电率相等的导电率。

基本上导电的覆盖物可以围绕第二部分径向地延伸。这允许该设备在任何径向取向上使用，同时保持第二部分与主体应用于其上的物体之间的电接触。

[管]

主体可包括与腔流体连通的第一管和第二管。第一管可以布置成用于将电解质引入腔中。第二管可以布置成允许空气从腔逸出。第一管可以比第二管延伸到腔中更远。这允许主体完全充满电解质，且从而防止腔内的气穴，气穴会不利地影响使用该设备进行的测量。

[磁体]

主体可以包括至少一个磁体，该磁体布置成在使用中将磁力施加到物体上，从而将主体附接到物体上。如以上关于第一方面所讨论的，这允许主体在不使用胶水的情况下被附接到物体。当第二部分具有在第二部分处于第一位置时在径向上位于第一部分中的至少第一部时，该至少一个磁体可以布置在第二部分的径向内表面上。

每个方面的可选特征也是每个其他方面的可选特征，在推断术语的改变有意义的情况下，本领域技术人员在必要时可以推断出术语的改变。

附图说明

下面将仅以示例的方式并参考附图来描述特定实施例，其中：

图1(a)显示了开放式电化学电池的示意图；

图1(b)显示了使用开放式电化学电池在物体上进行EIS后的该物体的一部分；

图2示出了用于感测物体中的电化学变化的设备的第一示例，该设备为双电极电化学电池装置的形式并且以其延伸状态示出；

图3示出了处于其缩回状态的双电极电化学电池装置；

图4示出了在其延伸状态下使用的，与恒电流仪连接的双电极电化学电池装置；

图5示出了电化学电池装置的工作电极；

图6示出了用于感测物体中的电化学变化的系统，该系统为两电化学电池装置设置的形式；且

图7示出了具有组合的对电极和参考电极的单电极电化学电池装置。

具体实施方式

参考图2，现在将描述用于感测物体中的电化学变化的设备的示例。在该示例中，该设备是双电极电化学电池装置200。电化学电池装置200具有呈电池装置壳体202形式的基本上导电的主体。电池装置壳体202限定了腔204，该腔在使用中填充有电解质206。电化学电池装置200还具有对电极208形式的第一电极。在该示例中，电化学电池装置200还具有参考电极210形式的第二电极。该电极位于腔204内，并连接至电缆212和214，以便在电化学电池装置200用于感测物体216中的电化学变化时电连接至恒电位仪或恒电流仪。在该示例中，电池装置壳体202包含两个磁体218和220，其允许将电化学电池装置200附接到物体216。在该示例中，电池装置壳体202由外管222和内管224的形式的第一部分和第二部分组成。内管224能够相对于外管222可滑动地移动，以使电池装置壳体202延伸或缩回，从而增加或减小壳体202的长度。图2示出了处于延伸状态的双电极电化学电池装置200，其中内管224延伸。图3示出了处于缩回状态的双电极电化学电池装置200，其中内管224缩回了。

现在将参考图2更详细地描述双电极电化学电池装置200。图2示出了用于测量涂覆的基底226的腐蚀速率的电化学电池装置200的示意性截面。电池装置壳体202由以伸缩方式定位在外管222内部的内管224组成。电池200可以由具有高导电率的任何导电材料制成，但是，如果不使用校准，则电池材料和目标材料的导电率应尽可能接近。在该示例中，内管224和外管222由铝制成。在另一个示例中，它们由铂制成。两个管都在底部228，顶部230和中间232处被密封。电化学电池装置200的长度可以通过按钮234来调节，按钮234在释放时将其自身配合并锁定在其在内管224上遇到的任何凹槽236上。电化学电池装置200的可伸缩的延伸允许在该电化学电池装置200延伸时比在其处于其缩回状态时在基底226的更大区域上执行测量。电化学电池装置壳体202限定了腔204。当使用电化学电池装置200时，该腔204包含电解质206。

腔204在其中还具有对电极208和参考电极210，相应的对电极电池装置电缆214a和参考电极电池装置电缆212延伸出腔204。在此示例中，对电极208呈金属网格238的形式。在此示例中，对电极208由铂制成。在该示例中，网格238具有大约40平方厘米的表面。在该示例中的参考电极210是非常稳定的饱和甘汞电极。它具有玻璃体240。参考电极210放置在腔204的中心。

在其他示例中，对电极208可以由另一种电化学惰性金属制成，例如铝。参考电极210可以是例如标准氢电极、饱和甘汞电极、铜-硫酸铜(I I)电极、氯化银电极或钯氢电极。在某些测量情况下，例如为了遵从更高的频率(例如105Hz或更高的频率)，参考电极210会通过电容器耦合到惰性金属线(例如铂线)，该金属线可以例如安装在参考电极210旁边。惰性金属线则遵从较高的频率，并获得“双参考电极”。当参考电极210是饱和甘汞电极时，这是特别合适的。

通过使用分开的对电极208和参考电极210，图2的双电极电化学电池装置200被布置为使得在使用中参考电极210不输送电流。因此，所测量的阻抗不包含参考电极210可能的极化效应的贡献。此外，通过使用非常稳定的参考电极210(例如在本示例中使用的饱和甘汞电极)，可以非常准确地设置设定点电压和电流。这对于电位相对不稳定的强烈降解的涂层特别有利。

内管224上覆盖有延伸线圈242，该延伸线圈在该示例中由铝制成。在其他示例中，延伸线圈242可以由另一种电化学惰性材料制成，例如铂。延伸线圈242在内管224和基底226之间提供电接触244。在内管224的一端上的线圈止挡248通过防止延伸线圈242从内管2上滑落而将延伸线圈242保持在内管224上的适当位置。当电化学电池装置200缩回时，延伸线圈242被压缩，而当电化学电池装置200延伸时，延伸线圈242被延伸。当将电化学电池装置200附接到基底226时，包括线圈242的电化学电池装置200的整个主体用作对电极并且与基底226发生接触。在其他示例中，可以将线圈242更换为可以随着内管224的移动而延伸和压缩的其他覆盖物。例如，可以使用折叠的线，板或管，因为这些布置中的每一个都可以延伸或压缩。类似地，出于相同的原因，可以使用网格(规则的或不规则的，包括例如一束线，例如丝绒)。在上面的示例中，延伸线圈242围绕内管224延伸。但是，本领域技术人员将理解，在其他示例中，覆盖物仅需要应用到管的需要与基底226导电接触的任何部分。

电化学电池装置200的壳体202具有入口管252和出口管254。如从图2可以看出，入口管252比出口管254延伸到由壳体202限定的腔204中更远。这允许壳体202限定的腔204将通过入口管252被填充电解质206，同时空气通过出口管254逸出。入口252和出口254的相对位置允许壳体202完全充满电解质206。

电化学电池装置200还包括在内管224上的用于将电化学电池装置200附接到基底226的磁体218、220。

磁体218、220的磁通密度取决于电池装置200延伸到的长度以及应用的类型。装置200延伸得越远，将需要越多的电解质206来填充装置200。因此，被填充的装置200将更重。通常，选择磁通密度以使得拉出电化学电池装置200所需的力为至少10N。通过选择具有这样的相对高的磁通密度的磁体，电池装置壳体202与物体216之间的间隙可以避免。这消除了来自这些间隙的额外阻力，相对于具有这种间隙的情况下进行的测量，增加了测量的可靠性。另一方面，磁通密度还选择为使得所需的拉出力不超过25N，从而在需要时可以相对容易地将电化学电池装置200从基底226上移除。在该示例中，磁体218、220是永久钐钴磁体(铁磁体)。这些磁体重量轻，尺寸小，强度大，具有强的耐腐蚀性，且可广泛用于高温和恶劣的工作条件。在其他示例中，可以使用满足这些条件的其他永磁体。

将电化学电池装置200的管222、224的厚度选择为足够薄，以使得电化学电池装置200相对重量较轻并且易于附接到基底226。在该示例中，管222、224的厚度是0.5毫米。在其他示例中，管222、224的厚度在0.1mm和1mm之间。在该示例中，内管224为35mm宽，而外管222为40mm宽。内管224和外管222的长度使得在该示例中，电化学电池装置200的长度可以延伸到高达一米。

内伸缩管224具有导电覆盖物。在该示例中，覆盖物为围绕内管224缠绕的延伸线圈242的形式。在该示例中，延伸线圈242由铝制成。延伸线圈242的径向外边缘距电化学电池装置200的轴线相同的径向距离。因此，当将电化学电池装置200放置在表面上(电化学电池装置200的轴线基本平行于该表面)时，外管222和延伸线圈242两者都基本上沿它们的整个组合长度与表面接触。

延伸线圈242在电化学电池装置200缩回时挤压(如图3所示)，并在延伸时打开(如图2所示)。在内管224的延伸和缩回两个状态下，延伸线圈242沿着线圈242的长度与内管242电接触。线圈242允许电化学电池装置200的整个主体在电化学电池装置200附接到基底226时与基底226导电接触。延伸线圈242在其离外管222最远的端部处通过径向突出部界定，该径向突出部防止线圈242从内管224滑出。延伸线圈242在另一端处由外管222界定。

电化学电池装置200在其两个端部230、234的每一个处，即在内管224的一端和离内管224最远的外管222的端部处，具有密封件。在该示例中，密封件为橡胶止挡248的形式，该止挡塞住管的端部。在其他示例中，可以以其他方式来实现密封件，例如通过分别与内管和外管224、222整体形地成。在外管222和内管224之间布置另外的密封件以在电化学电池装置200的延伸和缩回期间防止电解质206的泄漏。在该示例中，内管224和外管222之间的密封件是橡胶O形环的形式。

现在参考图7，现在将描述用于感测物体中的电化学变化的替代设备的示例。在该示例中，该设备是单电极电化学电池装置700。代替图中2所示的双电极电化学电池装置200中具有分开的参考电极和对电极，图7的单电极电化学电池装置700仅具有一个电极702。该电极702可以用作组合的对电极和参考电极。当该组合的对电极和参考电极浸入电解质206中时，电极702既可以用于输送电流，又可以用作参考电极。

上述电化学电池装置700包括磁体218、220，并且还被布置成可伸缩的(即，包括可相对彼此移动的内部部分和外部部分224、222)。然而，本领域技术人员将理解，其中仅存在这些特征之一的装置也落入本公开的范围内。换句话说，伸缩装置不必具有磁体，而是可以通过其他方式(例如，用胶水)固定到物体上，且具有磁体的装置不必是可伸缩的，而是可改为形成为单个部件。

现在参考图4，现在将描述用于感测物体中的电化学变化的装置。在该示例中，该设置用于测量涂覆的金属基底226的状况。该装置由以上参考图2描述的电化学电池装置200以及另外的电解质206，恒电位仪402和工作电极电缆404形式的电连接器组成。在其他示例中，可以使用上面参考图7描述的单电极电化学电池装置700来代替图2的双电极电化学电池装置200。

单电化学电池设置可用于执行EIS。EI S特别用于分析已应用在导电基底(如导电金属)上的涂层的状况。例如，EIS可用于分析非导电聚合物涂层，该非导电聚合物涂层用于保护导电基底免受例如腐蚀。

单电化学电池设置被设置为用于测量基底226的腐蚀速率。在该示例中，基底226具有应用于其上的涂层250。为了将单电化学电池装置组装在一起，电化学电池装置腔室204通过入口管252充填了电解质206。空气通过出口管254逸出。任何合适的电解质均可用于填充电化学电池装置腔室204。使用接近于环境的电解质是有用的，基底226通常暴露于该环境。液体水溶液，例如NaC l水溶液，KC l水溶液和Na₂ SO₄水溶液都可以使用。在不同的示例系统中的电解质的盐浓度可以有很大的不同。0.001至1M范围内的浓度是特别合适的。在此示例中，NaC l浓度约为0.17M。

在电化学电池装置200充填电解质之前或之后，参考电极和对电极210、208通过参考电极电缆和对电极电缆212、214连接到恒电位仪402上的相应端子。工作电极电缆404连接到恒电位仪402上的工作电极端子，其准备连接到要测试的基底226上，以将物体216转换成工作电极。

电化学电池装置200内的磁体使其能够附接到待分析的基底226上。如图2中所示，在使用中，电解质206不与基底226发生直接物理或电接触。相反，电流沿着从对电极208通过电解质206、通过电池主体而到达基底226的路径。

在非破坏性测量期间，电化学电池装置200与基底226直接电接触，使得电流从对电极208流向电解质206，并经由电化学电池装置200的电池主体进入基底226。如上所述，相比之下，在常规的开放式电化学电池中，电解质与基底发生直接接触。这会导致与基底发生化学反应，损坏或—最坏的情况下最终破坏基底。

单电化学电池设置400也可以通过线性极化电阻(LPR)方法用于金属涂层、裸金属和合金的非破坏性腐蚀测量。

双电化学电池装置200可以用于对涂层进行非破坏性测试，而无需去除一小块涂层来到达基底以附接工作电极电缆。现在将参照图6描述这种系统，图6示出了双电化学装置设置600。在该双电化学电池装置设置中，一个电池装置602用作对电极，而另一个604用作工作电极。

该示例中的对电极电池装置是图2中所示的双电化学电池装置。工作电极电池装置500如图5中所示。双电池装置内的磁体218、220使它们能够被附接到涂层250，如图6所示。

工作电极电池装置包含连接到WE电池电缆504(图5)的工作电极，并且还包含在腔室内的金属网格506。当电化学电池装置602、604两者都放置在涂层250上时，在两个电池装置的主体602和604之间形成了电化学电池装置。通过将恒电位仪电池电缆工作电极引线606连接到工作电极电池装置500的电极，并将恒电位仪对电极电缆引线608和参考电极电缆引线610连接到对电极电池装置200的对电极208和参考电极210，如图6所示形成了一个3电极构造。使用双电化学电池装置会产生电流路径612，该电流路径612从对电极208流出，穿过对电极电池装置200电解质206，穿过对电极电池装置200主体602，穿过涂层250而到达基底226，且然后穿过工作电极电池装置500主体604，穿过工作电极电池装置500电解质206而到达工作电极502。

双电池装置设置可以用来进行EIS，以测量双电池装置500、200已经附接到其上的涂层250的状况。在涂覆的金属通过电化学电池装置与电解质206接触的情况下，涂层电容为：

其中ε_o是真空电容率(大约8.854·10^-12F·m^-1)，ε_r是涂层的相对电容率(介电常数)，A是涂层的表面积，单位为平方米，d是涂层的的厚度，单位为米。

厚的高质量涂层由于其相对介电常数非常低(4至8)，因此具有非常低的电容C_c。相比之下，退化的涂层由于其较高的介电常数(50-80)而具有高的电容C_c。水具有80的介电常数。因此，如果退化的涂层吸收水，则其介电常数可以在50–80的范围内。

双电化学电池装置200、500可用于测量在其下方的涂层的状况。电池装置下方的涂层250的检测区域用作电容器，并提供用于电流在被夹持的电池装置与基底226之间流动的路径。可以通过延长电池装置200、500中的两个或一个的长度来增大检测区域，如上面参照图2和图3所述。利用该延伸，更大的涂层250区域与电池装置发生接触。

通过在对电极208与工作电极502之间施加小的正弦信号来测量涂覆基底226的阻抗，该正弦信号的频率在0.001-1000000Hz的范围内。阻抗为：

其中，ω称为“频率”，α为指数，对于电容器等于1。一个测量批次通常由多个频率扫描组成，同时监视系统的响应。

使用电化学电池装置200的研究可以通过恒电位模式或恒电流模式进行。在恒电位模式下，恒电位仪/恒电流仪控制对电极相对于工作电极的电位，从而很好地定义工作电极与参考电极之间的电位差，并与用户指定的值相对应。在恒电流模式下，工作电极和对电极之间的电流被控制。连续监测参考电极和工作电极之间的电位差以及在对电极和工作电极之间流动的电流。在大多数情况下，优选恒电位模式。对于大多数产品，在研究中，开路电位是稳定的。因此，在测量过程中保持相同的电位不会严重偏离基底的工作状态。因此，对于这些基底而言，恒电位模式实现最佳结果。

系统在电位扫描期间的阻抗响应通常是线性的。该响应取决于电位范围。极小的值可产生较差的信噪比，从而产生噪声数据。极大的值会导致阻抗响应非线性。对于大多数电化学系统而言，正常范围为1-30mV。在此示例中，使用20mV。用户可以通过在不同的电位范围内进行相同的实验来验证线性响应。

测量时间是频率范围的函数。极小的频率会导致更长的测量时间。对于随时间段变化的系统—例如腐蚀膜的形成，保持较小的频率范围确保了在数据收集期间系统的最小变化。电化学阻抗测量可以例如以大约1kHz的频率开始，并且可以持续到1MHz，这可能需要长达2分钟。对于不需要高频的退化的涂层，测量可以从0.001Hz或甚至更低的频率开始。为了获得高质量的测量结果，每个实验都可以在很大的频率范围内进行，范围例如从0.001Hz至1MHz。

测量阻抗的数据可以匹配于等效电路。电路的每个组件代表系统中的物理行为。例如，电阻器表示电解质206提供的电阻，而电容器表示涂层250的电容。随着涂层250的退化，由于新工艺的启动，等效电路扩大。等效电路的匹配有助于了解涂层250退化的物理过程。

电化学电池装置200可以延伸的特征使得可以在图层的大表面积(在本示例中高达16800平方毫米)上进行检测。相比之下，常规的电化学电池装置通常仅在若干平方毫米上进行检测(对于某些装置，高达约5000平方毫米)。因此，本公开的设备和系统可以用于分析大型结构，例如汽车、桥梁、管线、船体、压力罐、压载舱和防洪闸门。

因此，以上描述公开了用于感测物体中的电化学变化的设备和系统，以及使这些设备和系统生效的方式。

Claims (15)

1.一种用于感测物体中的电化学变化的设备，所述设备包括：

导电的主体，其限定了用于容纳电解质的腔，所述主体具有第一表面，所述第一表面被布置成在使用中沿所述第一表面的整个长度与所述物体导电接触，并且物理上布置为在使用中使所述电解质与所述物体隔离；和

至少部分地位于所述腔内的至少第一电极，所述第一电极用于连接恒电位仪或恒电流仪，并且布置成在使用中与所述腔中的电解质电接触；

其中所述导电主体包括至少第一部分和第二部分，所述第二部分能够相对于所述第一部分从第一缩回位置滑动地移动到第二延伸位置，使得与所述第二部分在第一缩回位置时相比，在所述第二部分处于所述第二延伸位置时，所述第一表面的长度更大。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一部分和第二部分是管状的，并且布置成使得当所述第二部分处于所述第一缩回位置时，所述第一部分和第二部分中的一个部分的至少第一部在径向上在另一部分内。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述主体被布置为在所述主体的任何取向上保持电解质。

4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一部分和第二部分中的每一个均包括远离另一部分的并且封闭的端部。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备还包括由所述腔容纳的电解质；电连接到所述第一电极的恒电位仪或恒电流仪；以及被布置为电连接到所述物体的电连接器。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述主体包括至少一个磁体，所述至少一个磁体布置成在使用中将磁力施加到所述物体，从而将所述主体附接到所述物体。

7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述导电主体是永磁体。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述设备还包括在所述第一表面的至少一部分上的导电的覆盖物，所述导电的覆盖物布置成在使用中在所述第一表面与物体之间传导电。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，当第二部分处于所述第一缩回位置时，所述覆盖物布置在所述第二部分的并未在径向上处于所述第一部分内的第二部上。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，当所述第二部分处于所述第一缩回位置时，所述覆盖物被布置为处于第一状态，而当所述第二部分处于所述第二延伸位置时，所述覆盖物被布置为处于第二状态，其中所述第二状态相对于所述第一状态延伸。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述覆盖物是被布置成延伸或压缩或两者的网格、折叠材料或线圈。

12.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述主体的全部都是导电的。

13.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述主体包括与所述腔流体连通的第一管和第二管，所述第一管布置成用于将电解质引入所述腔中，所述第二管布置成允许空气从所述腔逸出。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一管比所述第二管延伸到所述腔中更远。

15.一种用于感测物体中的电化学变化的系统，所述系统包括：

根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，所述第一电极是对电极；和

根据权利要求1-7中任一项所述的设备，其中，所述第一电极是工作电极。