金属自动防腐装置可控硅恒电位仪

金属防腐是国民经济中日益引起人们重视的一项课题。本文向大家介绍一种金属自动防腐装置——可控硅恒电位仪。

金属的腐蚀大多数是由于金属接触电解质溶液（海水、土壤、潮气等）引起的。为了说明金属为什么会被腐蚀，先来看一看干电池的工作过程（见图1）。干电池主要由石墨心子、锌皮和电解质氯化铵构成。从内电路看，锌是阳极，石墨是阴极（就外电路而言，锌是负极，石墨是正极）。干电池工作过程中，锌不断地离解为正离子经电解质到达阴极，日子一长，锌皮就越来越薄，甚至会烂穿。金属腐蚀过程与干电池工作过程相似。我们以图2所示的和水接触的钢铁为例说明。大家知道，钢铁冶炼过程中总会多少地渗入杂质。钢铁中所含的这些杂质以及其它较不活泼金属电位较高，犹如电池的阴极；铁电位较低，犹如电池的阳极；而水是电解质。这样，铁表面就形成许多短路的“微电池”。由于微电池的电化学作用，做为阳极的铁不断离解为正离子进入水中，最后到达阴极区，结果是铁被腐蚀了，而阴极却受到了保护（电子是在金属中从阳极流向阴极）。

人类与腐蚀现象进行了长期的斗争。我们熟悉的电镀、涂漆等防腐方法，有成本高、不能完全防腐、不耐高温高压等缺点。在探索金属防腐新途径的过程中，一种新的防腐方法——外加电流阴极保护法被人们发现了。

前面提到，金属腐蚀的主要原因是金属表面电位不同产生的微电池作用。微电池腐蚀电流——正离子流，从阳极区通过电解质向阴极区流动，使阳极遭到腐蚀，阴极受到了保护。因此我们想到，如果把整个金属体做为阴极，外加一定电流不断地流过金属表面，使金属表面上各点电位与所有微电池中负电位最高的阳极电位相等或更高一些，那么它的任何部分就不会因电化学作用而被腐蚀了。这种用外加电流防腐的方法，叫做外加电流阴极保护法。它的实质，是用外加电流破坏金属表面上引起腐蚀的微电池的作用。

采用上述方法防腐，需要一个提供外加电流的电源，一个或多个辅助阳极接电源正极，被保护金属接负极，构成闭合回路。考虑到各种因素的影响，如电网电压不稳定，被保护金属所处环境的变化等，电源应该能够不断地改变输出电流，以保持金属表面电位恒定。

可控硅恒电位仪是利用可控硅整流器作电源实现上述防腐作用的一种仪器。它可以自动改变电解质中被控制对象（即保护金属）的电流密度，使之处于某一最佳控制电位。这种仪器能自动调节，控制精度高，保护效果好，使用方便，已广泛应用于地下（水下）金属管道、通信电缆、金属构件以及水闸、舰船等设备防腐中。

仪器方框图如图3所示，由比较式直流放大器、移相触发器、可控硅整流器主回路及稳压电源几部分组成。给定电位是实验测定的保护金属不被腐蚀的保护电位，通常要测取最大保护电位和最小保护电位。它和由参比电极上取得的参比信号——它反映被保护金属上的变动的电位——一起输入比较式直流放大器，经比较、放大后得到控制电压U\(_{控}\)，用以控制移相触发器，调节触发脉冲移相角α，进而控制可控硅整流器主回路输出电流的大小，达到保持被保护金属电位恒定的目的。

下面对仪器各部分电路作简单介绍：

移相解发器采用引入正反馈的锯齿波移相触发器，见图4。交流正弦同步电压U\(_{1}\)和U2相位相差\(\frac{π}{3}\)（参看图5）。在0—2;3π期间，U\(_{3}\)≈U1；在\(\frac{2}{3}\)π-4;3π期间，U\(_{s}\)≈U2；在\(\frac{4}{3}\)π-2π期间，U\(_{3}\)≈0。另一方面，＋60伏直流电源在0－θ期间将通过W1、R\(_{2}\)对C1充电，当ωt超过θ角后，U\(_{C}\)1>U\(_{3}\)，D2正偏导通，C\(_{1}\)放电，这样就在C1上得到了锯齿波电压。

上述锯齿波电压和从直流放大器来的控制电压U控共同决定晶体管BG\(_{1}\)的工作状态。当ωt＜a时，U控＞U\(_{C}\)1，BG\(_{1}\)导通。ωt≥a时，UC\(_{1}\)＞U控了，BG\(_{1}\)由导通变为截止，集电极电位变负，通过C2给BG\(_{2}\)基极一个负脉冲，使BG2瞬间导通，其集电极电位正跳变，经脉冲变压器输出可控硅的触发脉冲。

改变U\(_{控}\)的大小，例如U控减小时，α角相应地减小，触发脉冲相位就前移。这样便达到了移相目的。脉冲最大移相范围是锯齿波上升边的范围，约为210°—220°。 U\(_{控}\)大于UC\(_{1}\)的最大值时，没有脉冲出现。

由于BG\(_{2}\)发射极接有正反馈绕组，使触发脉冲前沿变陡，脉冲宽度也有所增加。

可控硅整流器主回路 为三相桥式半控整流电路，见图6。变压器用Y／△接法，满足仪器输出低电压、大电流的要求。主回路中接有平滑滤波器（由扼流圈和电容C\(_{9}\)组成），它可以减少输出的脉动系数，使输出波形平滑。二极管D15起续流作用，使可控硅能及时关断。

比较式直流放大器 这是仪器中很关键的一部分，它的作用是将给定电位和参比信号进行比较后加以放大，得到控制电压U\(_{控}\)去控制移相触发器。恒电位仪要求放大器有高的放大倍数和精度，输入阻抗也要大些。根据这个要求，我们设计放大器由两级差动放大，一级射极跟随电路组成，此外还有过流限制回路，如图7所示。

第一级差放，采用两只差分对管（集成电路组件）5G921，它相当于四只晶体管BG\(_{a}\)—BGd，构成复合差动放大电路。用差分对管主要是为了保证管子的对称性，以改善温度特性。接成复合管可以提高输入阻抗和放大倍数。电位器W\(_{2}\)用以调整电路两边的平衡。BG3是恒流源。这一级两边输入信号为给定电位和参比信号。给定电位由+2.5伏电源经两个电位器分压后得到。参比信号由参比电极上取得经电阻R\(_{32}\)送入。D16、D\(_{17}\)为保护二极管，防止由于雷击等原因引入过电压损坏管子。

第二级差放电路，用两只PNP管BG\(_{4}\)、BG5组成。用PNP型硅管可以抵消前级电路I\(_{cbo}\)的影响。BG4、BG\(_{5}\)、BG6组成一高增益的放大器。当有不平衡信号加到BG\(_{4}\)、BG5基极，使BG\(_{5}\)集电极电流增加△I，由于流过R22上的总电流恒定，所以BG\(_{4}\)集电极电流就要相应地减少△I。BG4集电极和BG\(_{6}\)基极相连，所以经BG6放大后，接于BG\(_{5}\)、BG6集电极的负载上的总电流变化就更大了。D\(_{18}\)为BG6的温度补偿二极管。R\(_{24}\)是限流保护电阻。C10为相位校正电容。

两级放大后的信号经DW\(_{2}\)、R27、D\(_{2}\)0组成的限幅电路限幅后送入BG7、BG\(_{8}\)复合组成的射极跟随器。U控由射极跟随器输出电压和电位器W\(_{5}\)上取出的固定电压叠加而成。当由于某种原因使参比信号变化，例如减小时，射极跟随器输出向正方向变化，U控减小，根据前面的分析，触发脉冲移相角α减小，可控硅整流器输出加大，这样就保证了参比信号紧跟给定电位。

下面介绍过流限制回路。从分流器FL\(_{1}\)、FL2（参阅图6）取出的采样信号送至BG\(_{9}\)基极和发射极间。整流器输出电流超过正常值时，采样信号幅度将大到足以使BG9导通，使D\(_{19}\)也正偏导通，射极跟随器输出电位变负，使U控增加，引起触发脉冲后移，输出电流便减小了。

当放大器损坏或工作不正常时，可将开关K\(_{3}\)扳至手控位置，调节电位器W4改变控制电压，不致使被保护金属断电。

整个放大器增益约70分贝，共模抑制能力50分贝。

电源 本仪器所用直流电源（±12伏、＋60伏、－18伏、＋2.5伏等），均由稳压二极管构成简单稳压电源供给。

凡导电材料如各种金属和石墨，均可做辅助阳极。参比电极用铜——硫酸铜，铝——氯化铝等材料。（上海新康玩具厂）