CN114450435B - 海洋盐度测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量水中盐度的装置，该装置是具有电路的外加电流阴极保护系统的一部分，所述电路包括：电力源(310)；至少一个第一电极(315)，所述至少一个第一电极(315)连接到所述电力源(310)的正极；至少一个第二电极(317)，所述至少一个第二电极(317)连接到所述电力源(310)的负极；电压传感器(341)；电流传感器(342)；以及控制单元(313)。所述控制单元被布置用以以预定间隔启动测量序列，其中所述控制单元被布置用以：将至少一个第一电极(315)连接到所述电力源(310)的负极以充当阴极；将至少一个钝化电极(326)连接到所述电力源(310)的正极以充当活化阳极；记录输出电压；记录电流；使用所述输出电压和所述电流确定电路电阻；以及基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值来计算所述电解质的电阻率，所述电阻率与盐度成反比。本发明还涉及一种设置有这种测量装置的船舶以及一种操作该船舶的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于船舶的盐度测量装置，其中该装置利用船载外加电流阴极保护系统。本发明还涉及一种具有这种装置的船舶，并且还涉及一种用于操作这种装置的方法。
背景技术
海水是一种腐蚀性环境，并且用于舰船推进单元的部分以及其它浸入式金属部分要求某种形式的阴极保护，以便消除或减少那些部分的腐蚀。提供防腐蚀的一种有效方法是使用称为外加电流阴极保护(ICCP)的方法。ICCP系统通常用于载货船、油轮和大型游艇。KR101066104B1公开了ICCP系统的一般原理，其中金属元件和阳极附接到船舶并且浸入水中。金属元件连接到负端子，而阳极附接到源DC电力的正端子以通过包括该阳极、该金属元件和电解质的电路提供电去钝化电流。这样，阳极为金属部分提供了防腐蚀。通过在电路中维持预定的电位，ICCP系统可以为要保护的金属部分提供期望的保护水平。
在河口三角湾等水道中移动的船舶将暴露于海水、淡水以及包括海水和淡水的混合物的微咸水。随着盐度的降低，船舶所浸入的水的电阻率增加。在某些时候，防腐蚀系统电路中的电阻可能会增加到ICCP无法将受保护结构的电位维持在可接受的区间内的水平。传统的ICCP系统会将还原电位和对应的低保护级别解释为内部错误或由外部因素引起的故障。发生这种情况时，ICCP系统将关闭并且切换到钝化备用牺牲阳极进行保护。在淡水或微咸水中，牺牲阳极将提供很少的防腐蚀或不提供防腐蚀。
本发明提供一种改进的外加电流防腐蚀系统，旨在解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于测量水中盐度的方法和装置，该方法和装置在应用于外加电流防腐蚀系统时解决了上述问题。
该目的通过根据所附权利要求所述的盐度测量装置和用于操作该装置的方法来实现。
在随后的文本中，本发明使用的阴极保护系统被描述为应用于呈安装在船舶的横梁上的船尾驱动器形式的舰船推进系统。然而，本发明的装置也可应用于例如方位角或吊舱驱动器和舷外驱动器。根据本发明的阴极保护系统涉及外加电流阴极保护(ICCP)系统，该系统使用直流电(DC)操作，其中要保护的元件连接到负端子，并且阳极连接到源DC电力的正端子。在随后的文本中，用于向系统供应DC电力的电力源不一定是电池，而电力源可以是任何合适的电力源，诸如燃料电池或配备有AC/DC整流器的交流电(AC)源。
本发明可应用于具有舰船推进系统的船舶，该舰船推进系统设置有呈ICCP系统形式的阴极保护系统。舰船推进系统包括至少部分浸没在水中的至少一个传动系壳体、从每个传动系壳体延伸出来的扭矩传递驱动轴以及安装在驱动轴上的至少一个推进器。如果使用推进器作为阳极，则该至少一个推进器与其驱动轴电绝缘，并且每个电绝缘推进器都连接到直流电力源的正端子。船舶可以包括一个或多个传动系壳体，该一个或多个传动系壳体包括具有单个推进器的单个驱动轴或具有同轴驱动轴的反向旋转推进器。该系统提供阴极保护，其中要受保护抵抗腐蚀的每个金属部件都连接到直流电力源的负端子。控制单元被布置用以调节从直流电力源输出的电压和/或电流。
阴极保护系统是一种外加电流阴极保护(ICCP)系统，包括至少一个安装在船体上的阳极或其中至少一个推进器可以用作阳极。至少一个要保护的金属部件形成阴极并且可以是该至少一个传动系壳体、至少一个装饰片、海水入口、游泳平台和/或船舶船体的至少一部分。请注意，这是适用于防腐蚀的金属部件的非排他性列表。同时，ICCP装置为至少一个阳极提供海洋生物保护。
在至少一个推进器用作阳极的示例中，该至少一个推进器通过安装在该至少一个推进器与其相应驱动轴之间的扭矩传递电绝缘部件与其驱动轴电绝缘。电绝缘部件安装在由驱动轴的外表面和推进器毂的内表面形成的间隙中。扭矩传递电绝缘部件可以由弹性材料制成，诸如天然橡胶或合成橡胶。该至少一个推进器由惰性阳极材料制成，所述惰性阳极材料诸如钛、铌或类似的合适金属或金属合金。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量水中盐度的装置，所述装置是外加电流阴极保护系统的一部分。所述外加电流阴极保护系统具有电路，所述电路包括：
-来自直流电力源的电力源；
-至少一个第一电极，所述至少一个第一电极连接到所述电力源的正极以充当活化阳极；
-至少一个第二电极，所述至少一个第二电极连接到所述电力源的负极以充当阴极；
-至少一个钝化电极，所述至少一个钝化电极通常与所述电路断开连接并且被布置用以充当后备保护；
-电压传感器，所述电压传感器检测外加在所述电路上的输出电压；
-电流传感器，所述电流传感器检测供应给所述电路的电流；以及
-控制单元，所述控制单元用于控制所述外加电流阴极保护系统。
在正常的ICCP操作期间，控制单元被布置用以控制如上文所述的ICCP系统，其中阳极，诸如安装在船体上阳极或电绝缘推进器阳极连接到直流电力源的正端子，并且要保护的阴极连接到直流电力源的负端子。
为了测量盐度，控制单元被布置用以中断外加阴极保护操作并且用以以预定间隔启动测量序列。合适的时间间隔可以选自几分钟至15分钟或更长，但是对于本发明的目的而言每5分钟或10分钟就足够了。可以根据船舶的用途和船舶遇到淡水条件的可能性来选择间隔。例如，在海水中运行期间，时间间隔可以设定为默认值10分钟。如果计算出的电阻率在测量序列后显示出与预期值或值范围的偏差，则可以将时间间隔设定为较短的值，诸如5分钟，直至电阻率值恢复到海水的正常值。
在测量序列期间，所述控制单元被布置用以：
-将至少一个第一电极连接到所述电力源的负极以充当阴极；
-将至少一个钝化电极连接到所述电力源的正极以充当活化阳极；
-记录从所述电压传感器传输的输出电压；
-记录从所述电流传感器传输的电流；
-使用所述输出电压和所述电流确定所述电路的电阻；以及
-基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值来计算所述电解质的电阻率，所述电阻率与水的盐度成反比。
这样，在ICCP操作期间通常充当活化阳极的所述至少一个第一电极被布置用以在测量序列期间充当阴极。同时，在ICCP操作期间通常与电路断开连接的所述至少一个钝化或牺牲电极被布置用以在测量序列期间充当活化阳极。为了提高测量装置的精度，在ICCP操作期间通常充当阴极的每个第二电极可以在测量序列期间与电力源的负极断开连接。
根据第一示例，用于计算电解质的电阻率ρ的所述至少一个存储的电极属性值是钝化电极的表面积Aa，即牺牲阳极的面积。控制单元被布置用以使用以下公式计算电阻率ρ：
其中：Rc是电路电阻(Ω)；
k是相关因子(-)；
ρ是电解质的电阻率(Ωcm)；
Aa是钝化电极的表面积(cm2)。
根据第二示例，使用钝化电极的表面积Aa和包括连接到负极的第一电极的表面积Ac的另一电极属性值来计算电解质的电阻率ρ。在这个示例中，控制单元被布置用以使用以下公式计算电阻率ρ：
其中：Rc是电路电阻(Ω)；
k是相关因子(-)；
ρ是电解质的电阻率(Ωcm)；
Aa是钝化电极的表面积(cm2)；
Ac是充当阴极的电极的表面积(cm2)。
如上所述，可以通过在测量序列期间将通常在ICCP操作期间充当阴极的每个第二电极与电力源的负极断开连接来提高测量装置的精度。
如上所述，所确定的电阻率与水的盐度成反比。响应于电阻率的确定，如果在测量序列终止时所确定的电阻率高于设定的阈值，则控制单元被布置用以维持外加电流阴极保护系统运行。阈值设定在指示船舶已经进入淡水区域的水平。
控制单元还可以被布置用以基于所确定的电阻率来确定当前盐度值并且生成向用户指示盐度值的输出信号。这可以用来提醒用户盐度的变化，这些变化会导致ICCP系统生成错误消息。然后，用户可以选择忽略此类错误消息，因为知道原因是盐度变化，或者监测并可能地干预ICCP系统的操作以确保完成防腐蚀。
控制单元可以同时被布置用以监测所确定的电阻率的变化；被布置用以将所确定的电阻率的增加与存储的电阻率值进行比较；以及被布置用以确定所述增加是否指示电路故障。取决于所记录的电阻率随时间的变化，控制单元可以决定所述增加指示盐度增加或所述增加指示电路故障。在前一种情况下，维持ICCP操作，而后一种情况将导致控制单元终止ICCP操作以进行钝化防腐蚀。
根据本发明的第二方面，船舶由被上述装置控制的外加电流阴极保护系统保护。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于测量水中盐度的方法，所述方法使用在船舶上的外加电流阴极保护系统。所述外加电流阴极保护系统具有电路，所述电路包括：
-来自直流电力源的电力源
-至少一个第一电极，所述至少一个第一电极连接到所述电力源的正极以充当活化阳极；
-至少一个第二电极，所述至少一个第二电极连接到所述电力源的负极以充当阴极；
-至少一个钝化电极，所述至少一个钝化电极通常与所述电路断开连接并且被布置用以充当后备保护；
-电压传感器，所述电压传感器检测施加在所述电路上的输出电压；
-电流传感器，所述电流传感器检测供应给所述电路的电流；以及
-控制单元，所述控制单元用于控制所述外加电流阴极保护系统；
该方法涉及执行以下步骤：
-以预定间隔启动测量序列
-记录所述输出电压；
-记录所述电流；
-使用所述输出电压和电流确定所述电路的电阻，以及
-基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值来计算所述电解质的电阻率，所述电阻率与所述盐度成反比。
为了测量盐度，控制单元被布置用以中断外加阴极保护操作并且用以以预定间隔启动测量序列。合适的时间间隔可以选自几分钟至15分钟或更长，但是对于本发明的目的而言每5分钟或10分钟就足够了。可以根据船舶的用途和船舶遇到淡水条件的可能性来选择间隔。例如，在海水中运行期间，时间间隔可以设定为10分钟的默认值。如果计算出的电阻率在测量序列后显示出与预期值或值范围的偏差，则可以将时间间隔设定为较短的值，诸如5分钟，直至电阻率值恢复到海水的正常值。
根据第一示例，电解质的电阻率ρ的计算基于所确定的电路电阻Rc和钝化电极的表面积Aa。
根据第二示例，电解质的电阻率ρ的计算基于所确定的电路电阻Rc、钝化电极的表面积Aa和连接到负极的第一电极的另一表面积Ac。
该方法还包括如果所确定的电阻率高于设定的阈值，则维持外加电流阴极保护系统运行。阈值设定在指示船舶已经进入淡水区域的水平。
根据本发明的装置至少部分地解决了当船舶在盐度可能变化的水域(诸如，河口三角湾)中操作时维持防腐蚀系统(诸如，ICCP系统)的功能的问题。随着盐度的降低，水的电阻率会增加，并且在某些时候电阻会过高，以至于ICCP系统无法将受保护结构的电位维持在可接受的区间内。目前的ICCP不了解低保护的原因是内部错误还是由于外部因素。结果，它将关闭ICCP系统并且切换到备用牺牲阳极进行保护，从而导致保护状态降低。本发明的系统能够测量盐度并且可以确定ICCP系统的受限能力是由于增加的水电阻率造成的。ICCP系统不会自动将其自身关闭，而是可以在船舶进入含盐量较低的水域时继续提供尽可能好的保护。另一个优点是本发明可以使用已经存在的机载设备来确定水的盐度，而无需单独的盐度计。此外，本发明的装置可以向用户发送指示未达到目标电位的信号，而且还通知用户原因是盐度变化而不是内部故障。因此，可以防止用户出于保护的目的而手动切换到备用牺牲阳极。
在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其它优点和有利特征。
附图说明
参考附图，以下是作为示例引用的本发明的实施例的更详细描述。在这些附图中：
图1示出了包括根据本发明的舰船防污装置/防腐蚀系统的示意性图示的船舶；
图2示出了船舶的后部的示意性截面；
图3A示出了图2中船舶的防腐蚀系统的电路的示意第一表示；
图3B示出了图3A中的电路的示意第二表示；以及
图4示出了说明在根据本发明的外加阴极防腐蚀系统中操作盐度测量装置的方法的示意图。
具体实施方式
图1示出了包括防污装置的示意性图示的船舶100。根据本发明，该装置适于提供一种用于测量水中盐度的装置。该船舶包括具有横梁104的船体，舰船推进系统附接到该横梁104。该示例中的推进系统包括至少部分浸没在水中的单个传动系壳体101、从传动系壳体101延伸出的扭矩传递驱动轴106(未示出)以及安装在驱动轴106上的一对反向旋转推进器102、103。在当前示例中，两个推进器102、103都与其驱动轴106电绝缘。驱动轴装置在图2中示出并且将在下面进一步详细描述。为了形成阳极，要受保护抵抗污垢的每个电绝缘推进器102、103连接到直流(DC)电力源110(诸如，电池)的正端子111。此外，要受保护抵抗腐蚀的每个金属部件101、104、105都连接到直流电力源110的负端子112，以便形成阴极。控制单元113连接到直流电力源110并且将电流分配到形成电路的所有部件部分。控制单元113被布置用以调节从直流电力源110输出的电压和电流。为了帮助调节电压和电流输出，基准电极124安装在船体上且远离阳极并且经由电线123连接到控制单元113。基准电极124测量其自身与金属部件之间的电压差，该电压差与阳极接收的保护量直接相关。控制单元113将基准电极124产生的电压差与预设定的内部电压进行比较。然后自动调整输出以维持电极电压等于预设定电压。
对从直流电力源输出的电压和电流的调节被控制以在电压输出变化时使电流输出自动化，或者在电流输出变化时使电压输出自动化。这允许在变化的条件(例如水电阻率或水流速度的变化)下维持防腐蚀水平。在牺牲阳极系统中，海水电阻率的增加会导致阳极输出减少并且提供的保护量减少，而从停滞条件的变化会导致电流需求增加以维持所需的保护水平。使用ICCP系统，既不会减少标准海水范围内的保护，也不会因电流需求的适度变化而改变。ICCP系统的优点是它们可以对水/船体界面处的电位进行持续监测，并且可以据此调整到阳极的输出。包含基准电极的ICCP系统比保护水平未知且无法控制的牺牲阳极系统更有效且可靠。
防腐蚀装置是使用推进器102、103作为阳极115的外加电流阴极保护(ICCP)装置。在图1中，要受保护抵抗腐蚀的金属部件是传动系壳体101、装饰片105(示出一个)以及船体的金属部分，该金属部分在这种情况下为横梁104。请注意，这是适用于防腐蚀的金属部件的非排他性列表。为了实现这一点，电池110的正端子111和负端子112连接到控制单元113。控制单元113被布置成经由第一电线114将正端子111连接到推进器102、103。控制单元113进一步布置成经由第二电线116将负端子112连接到传动系壳体101上的电连接器117。负端子112还经由第三电线118连接到装饰片105上的电连接器119，并且经由第四电线120连接到横梁104上的电连接器121。防腐蚀装置还设置有钝化牺牲阳极126，如果在活化防腐蚀装置中发生故障，则钝化牺牲阳极126可以提供保护。牺牲阳极126可以位于船舶上的任意合适位置并且能够经由第五电线125连接到控制单元113。根据本发明，控制单元113还适于作为用于测量水中盐度的装置来操作。下面将结合图3A至图3B详细描述用于测量盐度的装置。
图2示出了图1的船舶100的后部的穿过横梁204和传动系壳体201的截面。单个传动系壳体201部分浸没在水中，并且包括从传动系壳体201延伸出的扭矩传递驱动轴232、233。一对反向旋转的推进器202、203安装在它们各自的驱动轴233、232上。在该示例中，驱动轴232、233由内燃机ICE经由变速器231驱动。用于驱动反向旋转推进器的变速器在本领域中是众所周知的，并且在此处不再详细描述。用于驱动推进器的替代驱动单元在本发明的范围内是可能的。例如，在本发明的范围内可以使用包括一个或多个推动或拉动推进器的驱动单元。尽管所描述的示例涉及安装在横梁上的驱动单元，但是本发明可以应用于大多数驱动装置，诸如外侧/内侧装置、Z驱动器和方位吊舱装置。本发明不依赖于所提供的电力源的类型，而是可以应用于使用ICE、混合或电力源进行推进或发电的船舶。
在图1和图2所示的示例中，至少一个推进器被用作阳极，其中所述至少一个推进器与其相应的驱动轴电绝缘。对于不将推进器用作阳极的示例来说，这不是必需的。在当前的示例中，两个推进器202、203与其相应的驱动轴232、233电绝缘。推进器通过安装在推进器和其相应的驱动轴之间的扭矩传递电绝缘部件来与其相应的驱动轴电绝缘。电绝缘部件安装在由驱动轴的外表面和推进器毂的内表面形成的间隙中。扭矩传递电绝缘部件可以由弹性材料制成，诸如天然橡胶或合成橡胶。推进器由惰性阳极材料制成，诸如钛、铌或类似的合适金属或金属合金。可以在每个推进器毂和安装有推进器的驱动轴之间的驱动轴上提供电介质屏蔽罩。用于这种电介质屏蔽罩的合适材料的非排他性列表包括具有合适介电性质的聚合物或聚合物陶瓷材料。
如图2中示意性所示，每个电绝缘的推进器202、203都在示意性指示的点215处经由电线214连接到直流电力源210的正端子211。下面将更详细地描述推进器的电连接。此外，每个要受保护抵抗污染的金属部件201、204、205连接到直流电力源210的负端子212。控制单元213被布置用以调节从直流电力源210输出的电压和电流。如上所述，电池210的正端子211和负端子212连接到控制单元213。控制单元213被布置用以经由第一电线214将正端子211连接到推进器202、203。控制单元213进一步布置成经由第二电线216将负端子212连接到传动系壳体201上的电连接器217。负端子212还经由第三电线218连接到装饰片205(示出一个)上的电连接器219，并且经由第四电线220连接到横梁204上的电连接器221。基准电极224安装在船体上远离形成阳极的推进器202、203，并且经由电线223连接到控制单元213。上面已经描述了使用控制单元213调节从直流电力源输出的电压和电流。ICCP装置还设置有钝化牺牲阳极226，如果活化ICCP装置中发生故障，则该钝化牺牲阳极226可以提供保护。牺牲阳极226可以位于船舶上的任何合适位置处，并且能够经由第五电线225连接到控制单元213。如下面将描述的，图1和图2中描述的防腐蚀系统是可以适于盐度测量的这种装置的示例。
图3A示出了图2中船舶的防腐蚀系统在其正常、活化操作模式下的电路的示意第一表示。电池310连接到并且适于向活化阳极315(A)和至少一个要保护的阴极317(C)提供电力。该连接经由控制单元313提供，该控制单元313适于改变和控制到活化阳极315和阴极317的电力，如电池310附近的箭头所指示的。
控制单元313适于以基准电极324(R)作为接地基准来测量阴极317的电位。使用电压传感器330测量阴极317的电位。电位指示阴极317和电解质W之间的界面处的表面极化；电解质W在这种情况下是水。控制单元313还适于至少部分地基于以基准电极324(R)作为接地基准的阴极317的测得的电位来控制到活化阳极315(A)和阴极317(C)的电力。通过控制电力，通过包括活化阳极315、阴极317和电解质W的电路的第一电流(在图3A中用箭头I1指示)受到控制。
更具体地，用于控制阴极317的防腐蚀的关注参数是阴极317的电位，其中基准电极作为接地基准，对应于阴极317和水W之间的界面处的表面极化，并且对于到活化阳极315和阴极317的电力进行闭环控制，以使所述表面极化呈现期望值。
因此，阴极317的防腐蚀系统包括具有活化阳极315、基准电极324、电池310和控制单元313的ICCP系统。在图3A中，防腐蚀系统的示意性电路仅显示为包括单个阴极，在这种情况下为驱动器317。但是，要保护的附加部件，诸如装饰片、横梁和其它金属部件(参见图2)可以以与驱动器317相同的方式作为阴极连接到的控制单元313。
控制单元313还包括用于控制防腐蚀系统的不同功能的多个可控开关。第一开关331布置在电池310的正端子和阳极315之间，该第一开关331常闭以在活化防腐蚀模式期间为阳极供应电力。当断开第一开关331时，第一开关331将活化阳极315与电池310的正端子断开。第二开关332布置在电池310的负端子和阴极317之间，该第二开关332通常切换到闭合位置以在活化防腐蚀模式期间维持包括活化阳极315、阴极317和电池310的闭合电路，其中电流I1从电池310流向活化阳极315。当断开第二开关332时，第二开关332可以将阴极317与电池310负端子断开连接。第三开关333布置在电池310的负端子和阳极315之间，该第三开关333在活化防腐蚀模式期间常开。当闭合第三开关333时，第三开关333可以将活化正极317连接到电池310的负端子。第四开关334被布置用以将牺牲或钝化阳极326(P)连接到防腐蚀系统或从防腐蚀系统断开连接。第四开关334是三位置开关，其在活化防腐蚀模式期间通常处于第一位置(图3A中的下接触器)，其中钝化阳极326与系统完全断开连接。在第二位置(图3A中的上接触器)，在下文将描述的盐度测量模式期间，钝化阳极326能够连接到电池310的正端子。在第三位置(图3A中的中央接触器)，钝化阳极326能够连接到阴极317以提供钝化防腐蚀。
阴极317的防腐蚀系统包括具有钝化阳极326的钝化防腐蚀系统和控制单元313。如果活化防腐蚀系统发生故障，则第四开关334从其断开位置切换到第一闭合位置(图3A中的中央接触器)以将钝化阳极326连接到阴极317。在此动作之前，或至少同时，将第一开关331控制到其断开位置以将活化阳极315和电池310与阴极317断开连接。该电路为船舶提供钝化后备防腐蚀系统。如上所述，控制单元313适于测量阴极317的电位，其中基准电极324作为接地基准。电位指示阴极317和水W之间的界面处的表面极化。控制单元313还适于至少部分地基于阴极317的测得的第二电位来控制钝化阳极326和阴极317之间的电连接中的可调电阻335，其中基准电极324作为接地基准。通过对可调电阻335的控制，钝化阳极326和阴极317之间的电流，本文也称为第二电流(在图3A中用箭头I2指示)得到控制。因此，第二电流I2在钝化防腐蚀模式期间流过包括钝化阳极326、阴极317和电解质W的电路。
图3B示出了图2中船舶的防腐蚀系统在盐度测量模式下的示意第二表示。已在上面结合图3A描述了图3B中指示的电路。在其正常、活化操作模式下，防腐蚀系统包括阴极317(C)、活化阳极315(A)、基准电极324(R)、电池310和控制单元313。
然而，在盐度测量模式下，电路中的开关由控制单元313控制，使得活化阳极315暂时形成阴极(C)，而常断钝化阳极326暂时形成活化阳极(A)。当防腐蚀系统处于盐度测量模式时，通常受防腐蚀系统保护的阴极317与电路暂时断开连接。控制单元313被布置用以中断防腐蚀模式并且以规律的间隔切换到盐度测量模式以监测船舶在其中运行的水的盐度。可以为此目的选择任何合适的时间间隔，但是5-10分钟的间隔足以达到预期目的。
在操作中，当切换到盐度测量模式时，控制单元313将如下启动可控开关。最初，断开布置在电池310的正端子和阳极315之间的第一开关331，以将活化阳极315与电池断开连接。随后，切换布置在电池310的负端子和阴极317之间的第二开关332，以将阴极317与电池310断开连接。然后闭合布置在电池310的负端子和活化阳极315之间的第三开关333，以将活化阳极315连接到电池310的负端子。活化阳极315现在在测量模式的持续期间形成阴极。最后，将被布置用以将钝化阳极326与防腐蚀系统连接或断开连接的第四开关334切换到第二位置(图3A中的上接触器)，其中将钝化阳极326连接到电池310的正端子。钝化阳极326现在在测量模式的持续期间形成活化阳极。
应当注意，上述电路只是允许电路在防腐蚀模式、盐度测量模式和钝化保护模式之间切换的众多可能解决方案中的一种。因此，本发明构思并不限于图3A和图3B所示的电路。
在盐度测量模式期间，控制单元313执行测量序列。如上所述，至少一个第一活化电极或阳极315与正极断开连接并且连接到电池310的负极以充当阴极，至少一个钝化电极326连接到电池的正极310以充当活化阳极，并且每个第二电极317都与电力源的负极断开连接。然后由充当阴极的活化阳极315、充当活化阳极的钝化阳极326和电池310形成临时测量电路，其中电流I2从电池310流到充当活化阳极的钝化阳极326。
在测量序列期间，控制单元313被布置用以使用电压传感器341来记录到测量电路的输出电压。控制单元313进一步被布置用以使用电流传感器342记录电流。随后，可以使用输出电压和电流通过应用欧姆定律来确定电路电阻。基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值，可以计算电解质的电阻率。在该示例中，使用所存储的电极属性值，其中该电极属性值是充当活化阳极的钝化阳极326的表面积Aa。可替代地，可以使用钝化阳极326的表面积Aa和充当阴极的活化阳极315的表面积Ac。
根据一个示例，控制单元被布置用以使用以下公式计算电阻率(ρ)：
其中：Rc是电路电阻(Ω)；
k是相关因子(-)；
ρ是电解质的电阻率(Ωcm)；
Aa是充当阳极的钝化电极的表面积(cm2)。
在该示例中，仅使用充当活化阳极的钝化阳极326的表面积Aa。如果充当阴极的活化阳极315的表面积Ac相对较大，则可以使用该公式，由此该表面积的贡献可以忽略不计。
根据一个示例，控制单元被布置用以使用以下公式计算电阻率(ρ)：
其中：Rc是电路电阻(Ω)；
k是相关因子(-)；
ρ是电解质的电阻率(Ωcm)；
Aa是钝化电极的表面积(cm2)；
Ac是充当阴极的电极的表面积(cm2)。
在该示例中，使用了充当活化阳极的钝化阳极326的表面积Aa和充当阴极的活化阳极315的表面积Ac两者。
由于电阻率与盐度成反比，因此可以使用存储的换算表获得电解质盐度的电流值并将其存储在存储器中。随后可以检索存储的盐度值以与更新的盐度值进行比较。
相关因子k的标准值可以从McCoy公式中获取：
其中，相关因子k＝0,315是可应用于平齐安装在船体或类似表面上的阳极的标准。活化阳极和钝化阳极可以具有不同的形状和尺寸，具体取决于阳极设计，这将影响表面积，从而影响相关因子。相关因子还可以取决于在防腐蚀模式中用作活化阳极的部件部分，例如推进器。因此，相关因子的值可以变化。相关因子的合适值可以通过每个系统或安装类型的测试和校准来确定。
在盐度测量模式期间使用活化阳极和钝化阳极进行盐度测量的原因是这些阳极的表面积是已知的，并且随着时间的推移只会略微减少。防腐蚀系统的阴极不太适合此目的，因为要保护的至少一个受保护金属部件的有用表面积会随着连接到系统的部件的安装类型和数量而变化。表面积也可以取决于表面氧化的量或在安装系统后一个或多个部件是否已全部或部分涂有防腐蚀涂层而变化。
只要检测到的盐度值在代表海水正常变化的范围内(盐度约为3.5％)，则防腐蚀系统在退出盐度测量模式后恢复正常运行。记录检测到的盐度值，以便与随后检测到的值进行比较。当检测到盐度下降时，控制单元将自动尝试通过调节电压来补偿这一点，以维持期望的电位。如果检测到的盐度值下降到零或接近零的值，则控制单元将不再能够对此进行补偿以维持期望的电位。然而，通过将当前检测到的盐度值与先前记录的值进行比较，控制单元313可以确定盐度值的降低是由于船舶移动到淡水或微咸水体中引起的。通过做出该确定，控制单元可以确定无法补偿电位下降是由盐度值的变化引起的，而不是由防腐蚀系统中的故障引起的。因此，防腐蚀系统将继续运行，但是效率水平有所降低。
图4示出了说明在根据本发明的外加阴极防腐蚀系统中操作盐度测量装置的方法的示意图。在运行中，ICCP系统正在运行以保护具有舰船推进系统的船舶抵抗水下金属部件的腐蚀。ICCP系统可以使用船载DC电力源运行，如结合图1和图2所述，或使用从岸上设施供应的DC电力，以节省船载电力源。
参考上述图3A，ICCP系统包括：电路，该电路包括来自直流电力源310的电力源；至少一个第一电极315，所述至少一个第一电极315连接到电力源310的正极以充当活化阳极A；至少一个第二电极317，所述至少一个第二电极317连接到所述电力源310的负极以充当阴极C；电压传感器341，该电压传感器341检测外加在电路上的输出电压；电流传感器342，该电流传感器342检测供应给电路的电流；以及控制单元313，该控制单元313用于控制外加电流阴极保护系统。
参考上述图3B，根据本发明的用于操作盐度测量装置的方法包括以下方法步骤。该方法包括初始步骤400，此时控制单元313被布置用以中断外加阴极保护操作并且用以启动测量序列。ICCP的中断可能涉及在测量序列之前及测量序列期间将通常在ICCP操作期间用作阴极的每个第二电极与电力源的负极断开连接。测量序列可以按预定间隔启动，诸如每5分钟或10分钟一次。
在第一步骤401中，该方法包括将第一电极315连接到电力源的负极以充当阴极C。在第二步骤402中，该方法包括将钝化电极326连接到电力源的正极以充当活化阳极A。在第三步骤403中，该方法包括记录从电压传感器341传输的输出电压，该电压代表电路的电位。在第四步骤404中，该方法涉及记录从电流传感器342传输的电流。在第五步骤405中，该方法涉及使用所述输出电压和电流来确定电路电阻。在第六步骤406中，该方法包括基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值来计算电解质的电阻率ρ，该电阻率与盐度成反比。如上所述，电极属性值优选为电极的表面积。在测量序列的预定周期已经完成并且可以终止之后。随后，在最后的步骤407中，第一和第二电极315、326被重新连接到它们在电力源310上的原始端子。然后，可以恢复外加阴极防腐蚀的正常运行。
应当理解，本发明并不限于上述和附图中示出的实施例；相反，技术人员将认识到，可以在所附权利要求的范围内进行许多改变和修改。
Claims (15)
1.一种用于测量水中盐度的装置，所述装置包括具有电路的外加电流阴极保护系统，所述电路包括：
-来自直流电力源(310)的电力源；
-至少一个第一电极(315)，所述至少一个第一电极(315)连接到所述电力源(310)的正极，从而所述至少一个第一电极(315)是活化阳极；
-至少一个第二电极(317)，所述至少一个第二电极(317)连接到所述电力源(310)的负极，从而所述至少一个第二电极(317)是阴极；
-至少一个牺牲电极，所述至少一个牺牲电极与所述电路断开连接；
-电压传感器(341)，所述电压传感器(341)检测外加在所述电路上的输出电压；
-电流传感器(342)，所述电流传感器(342)检测供应给所述电路的电流；以及
-控制单元(313)，所述控制单元(313)用于控制所述外加电流阴极保护系统；
其特征在于，所述控制单元(313)可操作以以预定间隔启动测量序列，在所述测量序列期间所述控制单元可操作以：
-将至少一个第一电极(315)连接到所述电力源(310)的负极，从而所述至少一个第一电极(315)是阴极；
-将至少一个牺牲电极(326)连接到所述电力源(310)的正极，从而所述至少一个牺牲电极(326)是活化阳极；
其中，所述控制单元可操作以记录所述输出电压和所述电流以确定所述电路的电阻；以及进一步可操作以执行基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值的所述电解质的电阻率的计算，所述电阻率与所述盐度成反比。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一个存储的电极属性值是所述牺牲电极的表面积Aa。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制单元(313)可操作以使用以下公式计算所述电阻率ρ：
其中：Rc是所述电路电阻；
k是相关因子；
Aa是所述牺牲电极的表面积。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，另一电极属性值是连接到所述负极的所述第一电极(315)的表面积Ac。
5.根据权利要求4所述的布置，其特征在于，所述控制单元(313)可操作以使用以下公式计算所述电阻率ρ：
其中：Rc是所述电路电阻；
k是相关因子；
Aa是所述牺牲电极的表面积；
Ac是充当阴极的所述电极的表面积。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于，如果所确定的电阻率高于设定的阈值，则所述控制单元可操作以维持所述外加电流阴极保护系统运行。
7.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述控制单元(313)可操作以基于所确定的电阻率来确定当前盐度值并且用以生成向用户指示所述盐度值的输出信号。
8.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述控制单元(313)可操作以监测所确定的电阻率的变化；用以将所确定的电阻率的增加与存储的电阻率值进行比较；以及用以确定所述增加是否指示电路故障。
9.根据权利要求1-5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述控制单元(313)可操作以在所述测量序列期间将每个第二电极(317)与所述电力源的负极断开连接。
10.一种船舶，其特征在于，所述船舶(100)设置有外加电流阴极保护系统，所述外加电流阴极保护系统包括根据权利要求1所述的用于测量盐度的装置。
11.一种使用在船舶上的外加电流阴极保护系统来测量水中盐度的方法，所述外加电流阴极保护系统具有电路，所述电路包括：
-来自直流电力源(310)的电力源
-至少一个第一电极(315)，所述至少一个第一电极(315)连接到所述电力源(310)的正极以充当活化阳极；
-至少一个第二电极(317)，所述至少一个第二电极(317)连接到所述电力源(310)的负极以充当阴极；
-至少一个牺牲电极，所述至少一个牺牲电极与所述电路断开连接；
-电压传感器(341)，所述电压传感器(341)检测外加在所述电路上的输出电压；
-电流传感器(342)，所述电流传感器(342)检测供应给所述电路的电流；以及
-控制单元(313)，所述控制单元(313)用于控制所述外加电流阴极保护系统；
其特征在于执行以下步骤：
-以预定间隔启动测量序列；以及
在所述测量序列期间执行以下进一步的步骤：
-将所述至少一个第一电极(315)连接到所述电力源(310)的所述负极；
-将所述至少一个牺牲电极(326)连接到所述电力源(310)的所述正极；
-记录所述输出电压；
-记录电流；
-使用所述输出电压和电流确定所述电路的电阻，以及
-基于所确定的电路电阻和至少一个存储的电极属性值来计算所述电解质的电阻率，所述电阻率与所述盐度成反比。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，基于所确定的电路电阻和所述牺牲电极的表面积Aa来计算所述电解质的电阻率。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基于所确定的电路电阻和连接到所述负极的所述第一电极(315)的表面积Ac来计算所述电解质的电阻率。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，基于所确定的电路电阻和连接到所述负极的每个电极的组合表面积Ac来计算所述电解质的电阻率。
15.根据权利要求11-14中的任一项所述的方法，其特征在于，如果所确定的电阻率高于设定的阈值，则维持所述外加电流阴极保护系统运行。
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