深井型直流接地极混凝土结构中馈电棒腐蚀检测模拟方法与流程

本发明属于直流输电工程接地极腐蚀检测领域，尤其涉及一种深井型直流接地极混凝土结构中馈电棒腐蚀检测模拟方法。
背景技术：
：深井型直流接地极深埋于地下，容易遭受土壤和地下水的腐蚀，为改善接地极的耐腐蚀性和抗压性能，因此接地极工程选用具有抗压强度高、耐腐蚀性能优于金属的混凝土结构对接地极进行加固。但随着服役时间的增长，混凝土结构中的馈电棒(本发明所指馈电棒均为钢材料)仍会慢慢腐蚀。当馈电棒发生腐蚀后，馈电棒的有效截面积减小,而且腐蚀所产生的物质(主要为铁的氧化物)会造成体积膨胀，从而使混凝土内部结构的应力大大增加，造成混凝土开裂，严重时会引起脱落，将对直流接地极泄流特性、安全性及耐久性造成威胁。在混凝土结构中，很难保持和加固馈电棒的结构，成本费用也很昂贵。因此，对混凝土结构内部馈电棒锈蚀过程做到及时有效的检测，是直流接地极安全评估的重要内容之一。公告号为CN104215569A的中国专利，提出了一种混凝土内钢筋锈蚀与应力状态原位监测方法，该方法中，在混凝土内钢筋相同材质的钢筋薄片施加初始预应力，但在实际情况中达不到一一对应的应力状态，对应力状态的原始状态及钢筋发生腐蚀后的区域应力状态检测也会产生较大误差，同时对混凝土结构中不同深度处钢筋锈蚀程度和锈蚀风险的评估精度不高。公告号为CN101008620的中国专利，提出了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法,属于结构工程领域。该方法在检测实施过程中，对传感器的灵敏度要求较高，同时随着时间迁移，传感器的使用性能会下降，对后期的钢筋腐蚀监测工作造成误差。公告号为CN1438478的中国专利，提出了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法，该方法直接对腐蚀发生的载体(钢筋)进行实时测量。该方法中传感器组成单元复杂，实施过程较为艰难，施工时将传感器埋入混凝土中。由于混凝土结构的环境特殊性会对传感器的使用造成一定的困难，同时也不适用于深井接地混凝土结构中馈电棒的腐蚀检测。公告号为CN103293092A的中国专利，提出了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的碳纳米管检测装置，属于结构工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性检测和评估。该装置中碳纳米管薄膜敏感栅造价昂贵，且连接线较为复杂，同时碳纳米管薄膜敏感栅需要固定在钢筋棒上，当钢筋棒上有电流通过时会对碳纳米管薄膜敏感栅的检测装置造成干扰，影响测量准确性，因此不适用于接地混凝土结构中馈电棒的腐蚀检测。综上所述，现有的各种混凝土内钢筋腐蚀检测方法，不能同时保证经济、简便及精度的要求。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种简便易行、成本低廉且精度高的深井型直流接地极混凝土结构中馈电棒腐蚀检测模拟方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：深井型直流接地极混凝土结构中馈电棒腐蚀检测模拟方法，包括：(1)利用水、水泥、沙子及馈电棒，按预设的缩比比例对实际混凝土结构进行等效缩比，构建缩比结构模型；(2)通过控制通入馈电棒的直流电大小和/或通入直流电的时间，使馈电棒发生不同程度的腐蚀；采用失重法测量腐蚀前后馈电棒的失重，获得各腐蚀程度对应的失重值，采用失重值定量表示馈电棒的腐蚀程度；(3)采用电阻抗成像系统对馈电棒腐蚀前和腐蚀后的缩比结构模型进行电阻抗成像，分别获得各腐蚀程度对应的电阻抗成像图；所述的电阻抗成像系统包括直流电源、虚拟仪器机箱、虚拟仪器控制器、数据总线、电压采集模块和矩阵开关，直流电源和电压采集模块均连接矩阵开关，电压采集模块和矩阵开关通过数据总线连接虚拟仪器控制器，虚拟仪器控制器连接虚拟仪器机箱；本步骤进一步包括：3.1缩比结构模型外壁均匀布设P个电极，P在23～25范围内取值，所有电极均通过导线连接矩阵开关，所有电极顺次记为电极1、电极2、电极3、…电极P；3.2构建P个电极系统，电极系统包括：①以电极1和电极2作为激励电极，顺次以电极3和电极4、电极4和电极5、……电极(P-2)和电极(P-1)、电极(P-1)和电极P作为边界电压采集电极对；②以电极2和电极3作为激励电极，顺次以电极(p+2)和电极(p+3)、电极(p+3)和电极(p+4)、……电极(P-1)和电极P、电极P和电极1作为边界电压采集电极对；③以电极p和电极(p+1)作为激励电极，顺次以电极(p+2)和电极(p+3)、电极(p+3)和电极(p+4)、……电极(P-1)和电极P、电极P和电极1、电极1和电极2、……电极(p-2)和电极(p-1)作为边界电压采集电极对，p为3、4、……(P-1)；④以电极P和电极1作为激励电极，依次以电极2和电极3、电极3和电极4、……电极(P-3)和电极(P-2)、电极(P-2)和电极(P-1)作为边界电压采集电极对；3.3各电极系统下分别采集边界电压数据，具体为：直流电源通过矩阵开关给激励电极提供激励电流，电压采集模块通过矩阵开关采集各边界电压采集电极对的边界电压数据；3.4采集的边界电压数据通过虚拟仪器控制器传输给虚拟仪器机箱，虚拟仪器机箱内根据边界电压数据进行电阻抗成像；(4)将馈电棒失重值和电阻抗成像图建立映射关系，获得馈电棒腐蚀程度和电阻抗成像图的映射关系数据库；(5)将子步骤3.1～3.4中的缩比结构模型换成实际混凝土结构，采用子步骤3.1～3.4的方法对实际混凝土结构进行电阻抗成像；根据实际混凝土结构电阻抗成像图的阻抗分布及其颜色深浅，人工从映射关系数据库中找出对应的电阻抗成像图，该电阻抗成像图对应的腐蚀程度即实际混凝土结构中馈电棒的腐蚀程度。进一步的，虚拟仪器机箱采用PXIe-1062Q型号的虚拟仪器机箱。进一步的，虚拟仪器控制器采用PXIe-8133型号的虚拟仪器控制器。进一步的，电压采集模块采用PXI6251型号的电压采集板卡。进一步的，矩阵开关采用PXI2532型号的矩阵开关。子步骤3.4中，电阻抗成像具体为：根据馈电棒腐蚀前采集的边界电压数据构建各电极系统下的边界电压分布矩阵，根据边界电压分布矩阵以及所对应的激励电极、激励电流值，计算缩比结构模型的阻抗分布矩阵σ，从而获得σ和ν的非线性函数v＝F(σ)；对场域进行剖分，获得m个有限单元，根据非线性函数v＝F(σ)获得各有限单元的边界电压分布矩阵的变化值Δv＝JΔσ，其中，Δv＝v腐蚀前-v腐蚀后，v腐蚀前表示馈电棒腐蚀前有限单元的边界电压分布矩阵，v腐蚀后表示馈电棒腐蚀后有限单元的边界电压分布矩阵；Δσ＝σ腐蚀前-σ腐蚀后，Δσ为有限单元的阻抗分布矩阵的变化值，σ腐蚀前表示馈电棒腐蚀前有限单元的阻抗分布矩阵，v腐蚀后表示馈电棒腐蚀后有限单元的阻抗分布矩阵；对所有有限单元的Δv＝JΔσ进行归一化，获得z＝Sg，其中g表示缩比结构模型的灰度值矩阵，阶数为m×1，gj为g中第j个元素，gj表示第j个有限单元的灰度值，1≤j≤m；z表示缩比结构模型的阻抗变化矢量矩阵，阶数为n×1，zi为z中第i个元素，zi表示第i个电极系统下的阻抗变化值，1≤i≤n；z为归一化后的Δv；S表示缩比结构模型的灵敏度系数矩阵，阶数为n×m，Sij表示第i个电极系统下第j个有限单元电导率的灵敏度系数；S为归一化后的J；利用方程g＝STz获得电阻抗成像图。本发明的有益效果为：由于深井型接地极混凝土结构馈电棒埋设于混凝土中，所以在实际检测系统中采集信号比较困难，难以做到随时随地检测馈电棒腐蚀情况。本发明利用电阻抗成像检测混凝土结构馈电棒的腐蚀状况，根据馈电棒腐蚀前后的电阻抗成像图的对比，以及不同腐蚀程度的电阻抗成像图的不同，进而判断馈电棒腐蚀程度。混凝土结构中含有馈电棒腐蚀产物等阻抗不同的物质，当混凝土结构阻抗在电流电压达到20kHz以上的条件下，根据含水量的不同，阻抗分布为几十到几千Ω·m，馈电棒腐蚀产物阻抗较大，而馈电棒阻抗趋近于零。因此，只要得到混凝土结构阻抗分布，即电阻抗成像图，就可以间接评估馈电棒腐蚀程度。附图说明图1是混凝土结构的缩比结构模型示意图；图2是电阻抗成像系统的结构框图；图3是本发明方法的具体流程图。图中，1-导线，2-缩比结构模型，3-馈电棒，4-电极，5-直流电源，6-虚拟仪器机箱，7-虚拟仪器控制器，8-数据总线，9-电压采集模块，10-矩阵开关，具体实施方式下面将结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细地说明，但本具体实施方式并不用于限制本发明，凡是采用本发明相同的特征参量及评判方法，均应列入本发明的保护范围。(1)电阻抗成像根据实际混凝土结构的实际尺寸和布局，对实际混凝土结构进行等效缩比，利用水、水泥、沙子及馈电棒构建实际混凝土结构的缩比结构模型2，见图1。本具体实施方式中，缩比比例设为10。考虑模拟深井型接地极实际服役的工作环境，对馈电棒3通入不同大小的电流，使缩比结构模型中馈电棒3发生不同程度的电化学腐蚀，根据质量损失评估馈电棒的腐蚀程度。对腐蚀后的缩比结构模型进行电阻抗成像，获得不同腐蚀程度的电阻抗成像图。电阻抗成像系统的结构框图见图2，包括直流电源5、虚拟仪器机箱6、虚拟仪器控制器7、数据总线8、电压采集模块9和矩阵开关10，直流电源5和电压采集模块9均连接矩阵开关10，电压采集模块9和矩阵开关10通过数据总线8连接虚拟仪器控制器7，虚拟仪器控制器7连接虚拟仪器机箱6。直流电源5用来向激励电极通入直流电流，电压采集模块9用来采集边界电压数据，并将采集到的边界电压数据发送到虚拟仪器控制器7，虚拟仪器控制器7将边界电压数据导入虚拟仪器机箱6，虚拟仪器机箱6内存储的应用软件根据边界电压数据进行电阻抗成像。本实施例中，虚拟仪器机箱为PXIe-1062Q型号的虚拟仪器机箱，虚拟仪器控制器为PXIe-8133型号的虚拟仪器控制器，电压采集模块为PXI6251型号的电压采集板卡，矩阵开关为PXI2532型号的矩阵开关。直流电源的电流大小可直接调节，本具体方式中采用幅值为1A的直流电流。缩比结构模型外壁均匀布设若干电极4，电极数量为23～25；任选两个相邻的电极作为激励电极，其余电极为边界电压采集电极，所有电极均通过导线1连接矩阵开关。在矩阵开关的控制下对激励电极施加直流激励电流，同时，在矩阵开关的控制下，从边界电压采集电极采集边界电压，获得缩比结构模型的边界电压分布矩阵。根据采集的边界电压数据进行电阻抗成像，获得电阻抗成像图。本具体实施方式中，缩比结构模型外壁均匀布设16个电极，顺次记为电极1、电极2、电极3、…电极16。首先，以电极1和电极2作为激励电极，依次以电极3和电极4、电极4和电极5、电极5和电极6、……电极15和电极16作为边界电压采集电极对，共计13组边界电压采集电极对，共采集13个边界电压值。然后，顺次以电极2和电极3、电极3和电极4、电极4和电极5、电极5和电极6、……电极15和电极16、电极16和电极1作为激励电极，采集边界电压。本具体实施方式中，共构建16个电极系统，总共可采集13*16个边界电压值。电阻抗成像的原理如下：电阻抗成像中，被测场域中阻抗分布矩阵σ和边界电压分布矩阵ν的函数呈非线性关系，如下：v＝F(σ)(1)式(1)中，边界电压分布矩阵ν由采集的边界电压数据构建。式(1)所示函数采用如下方法获得：馈电棒未腐蚀前，采用电阻抗成像系统获取各电极系统下的边界电压分布矩阵，根据边界电压分布矩阵以及其所对应的激励电流矩阵，计算阻抗分布矩阵σ，从而获得式(1)函数。由扰动理论可知，当馈电棒发生腐蚀后，有：当阻抗分布矩阵σ的变化值Δσ较小时，式(2)中的0((Δσ)2)为Δσ的高阶无穷小，可以忽略不计，则边界电压矩阵ν的变化值Δv近似如下：把场域初始化剖分,分成大量有限单元，则离散化后表示：Δv＝JΔσ(4)式(4)中，J表示离散化后的雅克比矩阵。对有限单元而言，Δv＝F(Δσ)，其中，Δv＝v腐蚀前-v腐蚀后，v腐蚀前表示馈电棒腐蚀前的边界电压分布矩阵，v腐蚀后表示馈电棒腐蚀后的边界电压分布矩阵，由此，可获得各有限单元的Δv。重建图像过程中利用矩阵方程，Δv＝JΔσ归一化后得到：z＝Sg(5)式(5)中：z表示缩比结构模型的阻抗变化矢量矩阵，阶数为n×1，zi为z中第i个元素，表示馈电棒腐蚀前后第i个电极系统下的阻抗变化值，1≤i≤n；z为归一化后的Δv；g表示缩比结构模型的灰度值矩阵，阶数为m×1，gj为g中第j个元素，表示第j个有限单元的灰度值，1≤j≤m；S表示缩比结构模型的灵敏度系数矩阵，相当于式(4)中J，阶数为n×m，n表示缩比结构模型的电极系统数，m表示缩比结构模型的场域剖分有限单元数，Sij表示第i个电极系统下第j个有限单元电导率的灵敏度系数，即第j个有限单元的电流值；S为归一化后的J。根据缩比结构模型的边界电压数据所构建的阻抗变化矢量矩阵z，来重建缩比结构模型的电阻抗成像，需要求解方程z＝Sg，便要对灵敏度系数矩阵S求逆。实际求解中，假设S为正交矩阵，用ST来代替S-1，则方程z＝Sg表示为g＝S-1z，即：g＝STz(6)利用方程g＝STz获得电阻抗成像图。(2)构建馈电棒腐蚀程度和电阻抗成像图的映射关系数据库。采用失重法测量腐蚀前后馈电棒的失重，获得各腐蚀程度对应的失重值，采用失重值定量表示馈电棒的腐蚀程度。将缩比结构模型的电阻抗成像图和馈电棒失重值建立映射关系，从而获得馈电棒腐蚀程度和电阻抗成像图的映射关系数据库。表1为映射关系数据库部分数据。表1映射关系数据库部分数据通入馈电棒电流I1I2I3..In馈电棒实际失重m1m2m3..mn被测灰度值矩阵g1g2g3..gn对应电阻抗成像图Fig1Fig2Fig2..Fign(3)实际混凝土结构馈电棒腐蚀程度检测。采用电阻抗成像系统对实际混凝土结构进行电阻抗成像，获得实际混凝土结构的电阻抗成像图。电阻抗成像图可反映混凝土结构的阻抗分布，不同腐蚀程度对应不同阻抗值，不同阻抗值又对应不同颜色，阻抗越大，电阻抗成像图颜色越深，反之，成像图颜色越浅。根据实际混凝土结构电阻抗成像图的阻抗分布及其颜色深浅，人工从映射关系数据库中找出对应的电阻抗成像图，该电阻抗成像图对应的腐蚀程度即实际混凝土结构中馈电棒的腐蚀程度。当前第1页1 2 3