CN103255423A

CN103255423A - 双重防止金属内胆锈蚀的系统及其方法

Info

Publication number: CN103255423A
Application number: CN2013101369748A
Authority: CN
Inventors: 卢曦; 卢峥
Original assignee: WUHAN OUZHONG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: WUHAN OUZHONG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-08-21

Abstract

本发明提供双重防止金属内胆锈蚀的系统及其方法，系统包括电流流向侦测电路、受控PWM电源、设置在金属内胆电解质中的活泼金属棒和惰性金属棒，使得活泼金属棒在外加电流时起类似于参比电极的作用，停电时作为牺牲阳极，即活泼金属棒具有类似参比电极与牺牲阳极的双重功能，从而使系统具有双重防止金属内胆锈蚀的功能。当受控PWM电源工作一段时间后，金属内胆将与活泼金属棒电位相等，则活泼金属棒不再因为保护阴极而被消耗，只是起到了类似参比电极的作用，为受控PWM电源输出电流提供参照，这时外加电流保护回路取代牺牲阳极回路防止金属内胆锈蚀。本发明能够在通电或停电的情况下，都能防止金属内胆锈蚀，且结构简单，易于操作和推广。

Description

双重防止金属内胆锈蚀的系统及其方法

技术领域

本发明涉及金属防锈蚀领域，具体应用于金属内胆（例如热水器内胆）的防锈蚀。

背景技术

对金属的电化学防锈蚀方法主要有二种。

一种是牺牲阳极法阴极保护：选择一种其自然电位比被保护金属更负的活泼金属或合金，把它与共同置于电解质环境中的被保护物从外部实现电连接，这种活泼金属或合金在所构成的电化学电池中为阳极而优先腐蚀，释放出电子使被保护金属阴极极化到所需电位范围，从而抑阻腐蚀实现保护。其缺点在于被腐蚀的活泼金属或合金需要定期更换，并且腐蚀产生的金属离子可能会对内胆中的液体产生污染。

另一种是外加电流法阴极保护：利用外部电源对被保护金属施加一定的负电流，使被保护金属的电极电位通过阴极极化达到规定的保护电位范围，从而抑阻腐蚀获得保护。目前这二种方法均已在金属内胆（如热水器内胆）的防锈蚀系统应用，只是对外加电流保护阴极方法有所改进，因为外加电流保护阴极方法涉及到三电极系统，而其中的参比电极因种种原因不便放在金属内胆中，从而有了二电极系统，如德国专利《保证阴极防腐保护的技术与仪器》（公开号：DE2916934B1），由担任辅助阳极的惰性电极钛电极在断电间隙时刻充当参比电极，从而才能实现三电极系统的功能。这种二电极系统代替三电极系统在实际应用中是可行的，但电路稍显复杂，若所设断电间隙稍有不当，就会在断电间隙中不能防腐或所测的阴极电位不准确，从而导致防腐不完备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种外加电流与牺牲阳极双重防止金属内胆锈蚀的系统及其方法，其中活泼金属棒在外加电流法中起到类似于参比电极的作用，即用活泼金属棒代替了三电极系统中的参比电极，而在电源停电时活泼金属棒作为牺牲阳极，即活泼金属棒具有类似于参比电极与牺牲阳极的双重功能，从而使系统具有外加电流法与牺牲阳极法双重防止金属内胆锈蚀的功能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种双重防止金属内胆锈蚀的系统，其特征在于：它包括电流流向侦测电路、受控PWM电源、设置在金属内胆的电解质中的活泼金属棒和惰性金属棒，其中活泼金属棒为自然电位比金属内胆更负的活泼金属或合金，惰性金属棒为自然电位比金属内胆更正的惰性金属或合金；

受控PWM电源的正极输出端与惰性金属棒连接，受控PWM电源的负极输出端与金属内胆连接，受控PWM电源的负极输出端还通过采样电阻与活泼金属棒连接；

电流流向侦测电路包括电压比较器和所述的采样电阻，电压比较器的正相输入端和反相输入端分别连接在采样电阻的两端，电压比较器的输出端与受控PWM电源的控制端连接。

按上述方案，所述的活泼金属棒选用镁铝合金棒。

按上述方案，所述的活泼金属棒的自然电位在-1.0V_CSE至-1.20V_CSE之间。

一种基于上述双重防止金属内胆锈蚀的系统而实现的双重防止金属内胆锈蚀的方法，其特征在于：它包括以下2种模式：

牺牲阳极模式：受控PWM电源不工作，由活泼金属棒、采样电阻、金属内胆及电解质形成牺牲阳极回路，活泼金属棒与金属内胆形成原电池，以活泼金属棒为牺牲阳极对阴极即金属内胆实施保护；

外加电流模式：受控PWM电源工作，由惰性金属棒、受控PWM电源、金属内胆及电解质组成第一回路，由受控PWM电源、惰性金属棒、活泼金属棒、采样电阻及电解质组成第二回路；电流流向侦测电路实时检测采样电阻两端的电压，并将输出结果传送给受控PWM电源，受控PWM电源根据采样电阻两端电压的高或低电平值输出递增电流或递减电流，当采样电阻两端电压为0时，受控PWM电源输出稳定的所需保护电流；

所述的活泼金属棒在牺牲阳极模式中为牺牲阳极，在外加电流模式中类似于参比电极。

按上述方法，电流流向侦测电路是在由牺牲阳极回路与第二回路的公共电路即采样电阻的两端采样电压，并将这2个电压值同时分别送电压比较器的同相输入端和反相输入端，以电压比较器输出的高或低电平为判断总电流流向的依据。

按上述方法，所述的活泼金属棒选用镁铝合金棒。

按上述方法，所述的活泼金属棒的自然电位在-1.0V_CSE至-1.20V_CSE之间。

本发明的有益效果为：

1、通过采用本发明装置及其方法，通过牺牲阳极法和外加电流法的结合，来防止金属内胆锈蚀，起到双重保护的作用：当受控PWM电源不工作时，以活泼金属棒为牺牲阳极对阴极即金属内胆实施保护；当受控PWM电源工作一段时间后，金属内胆将与活泼金属棒电位相等，则活泼金属棒不再因为保护阴极而被消耗，只是起到了类似参比电极的作用，为受控PWM电源输出电流提供参照，这时外加电流保护阴极回路完全取代牺牲阳极回路，并起到了防止金属内胆锈蚀的作用。

2、本发明装置及其方法还通过对活泼金属棒的材料选取，从而达到更优的保护效果。

3、本发明装置及其方法能够在通电或停电的情况下，都能防止金属内胆锈蚀，且结构简单，易于操作和推广。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图中：1-镁铝合金棒，2-金属内胆，3-具有铱钌涂层的钛金属棒，4-电解质，5-采样电阻，6-电压比较器，7-受控PWM电源，8-受控PWM电源的受控端，9-电流流向侦测电路单元。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的结构示意图，它包括电流流向侦测电路9、受控PWM电源7、设置在金属内胆（此处及以下所述的金属内胆均为被保护的金属内胆）的电解质4（本实施例中为水）中的活泼金属棒和惰性金属棒，其中活泼金属棒为自然电位比金属内胆更负的活泼金属或合金，本实施例中选用镁铝合金棒1；惰性金属棒为自然电位比金属内胆更正的惰性金属或合金，本实施例中选用具有铱钌涂层的钛金属棒3；受控PWM电源7的正极输出端与惰性金属棒连接，受控PWM电源7的负极输出端与金属内胆2连接，受控PWM电源7的负极输出端还通过采样电阻5与活泼金属棒连接；电流流向侦测电路9包括电压比较器6和所述的采样电阻5，电压比较器6的正相输入端和反相输入端分别连接在采样电阻5的两端，电压比较器6的输出端与受控PWM电源7的控制端连接。为便于后续描述，在此说明本实施例中电压比较器6的正相输入端与采样电阻5连接的一端为采样电阻5与活泼金属棒连接的一端，电压比较器6的反相输入端与采样电阻5连接的一端为采样电阻5与受控PWM电源7的负极输出端连接的一端，这种连接并非是唯一的，只要能够完成对采样电阻两端电压的采集并比较输出“+”或“-”的信号即可。

基于上述双重防止金属内胆锈蚀的系统而实现的双重防止金属内胆锈蚀的方法，包括以下2种模式。牺牲阳极模式：受控PWM电源不工作，由活泼金属棒、采样电阻、金属内胆及电解质形成牺牲阳极回路，镁铝合金棒与金属内胆形成原电池，以活泼金属棒为牺牲阳极对阴极即金属内胆实施保护。外加电流模式：受控PWM电源工作，由惰性金属棒、受控PWM电源、金属内胆及电解质组成第一回路，由受控PWM电源、惰性金属棒、活泼金属棒、采样电阻及电解质组成第二回路；电流流向侦测电路实时检测采样电阻两端的电压，并将输出结果传送给受控PWM电源，受控PWM电源根据采样电阻两端电压的高或低电平值输出递增电流或递减电流，当采样电阻两端电压为0时，受控PWM电源输出稳定的所需保护电流。

在实施外加电流模式时，牺牲阳极模式是不工作的。这时在采样电阻上有二股电流流过：一股是镁铝合金棒与金属内胆形成原电池提供的电流，其方向是图中从右至左（电子方向是从左至右），另一股是受控PWM电源提供的电流，其方向是图中从左至右（电子方向是从右至左）。这二股电流流向相反，根据电学原理可知，当受控PWM电源提供的电流逐渐增大，使在镁铝合金棒与金属内胆原电池两端的电压降与该原电池提供的电压相等时，金属内胆将与镁铝合金棒电位相同，并且通过采样电阻的总电流为零。则镁铝合金棒不再因为保护阴极而被消耗。这时外加电流保护阴极回路完全取代牺牲阳极回路，并起到了防止金属内胆锈蚀的作用。

从以上叙述可以看出，当经过一段时间后，受控PWM电源稳定工作，实施外加电流保护金属内胆时，镁铝合金棒不消耗，只是起到了类似参比电极的作用，为受控PWM电源输出电流提供参照作用。当停电时，镁铝合金棒才开始工作，实施牺牲阳极保护。

本实施例中受控PWM电源输出电流的大小控制方案如下：

在采样电阻的两端采样电压的大小，并将二个电压值同时分别输入到电压比较器的同相端与反相端。根据电压比较器输出的高或低电平来判断经过采样电阻的电流流向，并根据电压比较器输出的高或低电平控制受控PWM电源输出电流的增减。受控PWM电源主要特征是其输出电流受控于其控制端的电平，控制端每输入一次，受控PWM电源调整一次输出电流的幅度；本实施例如图1连接时，当控制端输入低电平时，受控PWM电源按设定的幅度增加输出电流，反之，当控制端输入高电平时，受控PWM电源也按同样的幅度减小输出电流。受控PWM电源输出电流的增量是有级变化的，可分为粗调、细调与精调三级，每级调整幅度可以设定。具体过程：当受控PWM电源刚开始工作时，其输出电流增量较大，即为粗调，随着通过采样电阻的电流大小逐渐减小时，进入细调阶段（每次调整幅度较小），当调整幅度达到最小设定值，同时通过采样电阻的电流方向随每次控制端的输入而改变，即进入精调。如图1，镁铝合金棒端连接电压比较器同相端，金属内胆端连接电压比较器的反相端，当电压比较器输出低电平（即控制端输入低电平）时，PWM电源增大电流输出，当电压比较器输出高电平时，PWM电源减小电流输出。如此往复，不断调整输出电流的步进幅度，经过粗调、细调达到精调，直到电压比较器不能分辨同相端与反相端的电压大小，即认为通过采样电阻的电流为零。

在实际应用当中，金属内胆例如热水器内胆通常为钢铁材质，为达到更好的效果，所述的活泼金属棒选用镁铝合金棒，自然电位在-1.0V_CSE至-1.20V_CSE之间。因为金属钢铁内胆的自然腐蚀电位为-0.5V_CSE至-0.8V_CSE，为了使镁铝合金棒对钢铁保持最少0.20V的驱动电压，同时为了满足钢铁内胆被阴极极化后的电位等于或小于-0.85V_CSE的最小保护电位的条件，所以选用的镁铝合金棒的最高电位为-1.0V_CSE。又因为当钢铁内胆的极化电位达到-1.2V_CSE时，将产生大量析氢，为了防止内胆发生氢脆，镁铝合金棒的最低电位为-1.20V_CSE。

需要强调的是，本发明虽然通过牺牲阳极法和外加电流法的结合，来达到防止金属内胆锈蚀的效果，但是并非由现有技术中的牺牲阳极法和外加电流法的简单叠加。尤其是外加电流保护时，在外加电流从一开始的递增或递减到最后稳定的情况下，巧妙的利用了所述的第一回路与第二回路之间的动态平衡，使得原本应作为牺牲阳极的活泼金属棒起到了类似参比电极的作用。

Claims

1.一种双重防止金属内胆锈蚀的系统，其特征在于：它包括电流流向侦测电路、受控PWM电源、设置在金属内胆的电解质中的活泼金属棒和惰性金属棒，其中活泼金属棒为自然电位比金属内胆更负的活泼金属或合金，惰性金属棒为自然电位比金属内胆更正的惰性金属或合金；

2.根据权利要求1所述的双重防止金属内胆锈蚀的系统，其特征在于：所述的活泼金属棒选用镁铝合金棒。

3.根据权利要求1或2所述的双重防止金属内胆锈蚀的系统，其特征在于：所述的活泼金属棒的自然电位在-1.0V_CSE至-1.20V_CSE之间。

4.一种基于权利要求1所述的双重防止金属内胆锈蚀的系统而实现的双重防止金属内胆锈蚀的方法，其特征在于：它包括以下2种模式：

牺牲阳极模式：受控PWM电源不工作，由活泼金属棒、采样电阻、金属内胆及电解质形成牺牲阳极回路，镁铝合金棒与金属内胆形成原电池，以活泼金属棒为牺牲阳极对阴极即金属内胆实施保护；

外加电流模式：受控PWM电源工作，由惰性金属棒、受控PWM电源、金属内胆及电解质组成第一回路，由受控PWM电源、惰性金属棒、活泼金属棒、采样电阻及电解质组成第二回路；电流流向侦测电路实时检测采样电阻两端的电压，并将输出结果传送给受控PWM电源，受控PWM电源根据采样电阻两端电压的高或低电平值输出递增电流或递减电流，当采样电阻两端电压为0时，受控PWM电源输出稳定的所需保护电流。

5.根据权利要求4所述的双重防止金属内胆锈蚀的方法，其特征在于：电流流向侦测电路是在由牺牲阳极回路与第二回路的公共电路即采样电阻的两端采样电压，并将这2个电压值同时分别送电压比较器的同相输入端和反相输入端，以电压比较器输出的高或低电平为判断总电流流向的依据。

6.根据权利要求4所述的双重防止金属内胆锈蚀的方法，其特征在于：所述的活泼金属棒选用镁铝合金棒。

7.根据权利要求4所述的双重防止金属内胆锈蚀的方法，其特征在于：所述的活泼金属棒的自然电位在-1.0V_CSE至-1.20V_CSE之间。