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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Detektion von Materialveränderungen und dessen Verwendung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Insbesondere beim Kontakt zahlreicher metallischer Werkstoffe mit Wasserstoff kommt es zu Materialveränderungen, die sich in einer Versprödung oder Materialermüdung ausdrücken. Dieser Effekt wird als sogenannte „Wasserstoffversprödung“ bezeichnet und basiert auf der Einlagerung von Wasserstoffmolekülen in den entsprechenden metallischen Werkstoffen. Dabei kann es zu Rissbildungen und auch zu einem Versagen des Materials kommen. Tritt eine derartige Wasserstoffversprödung beispielsweise bei sicherheitsrelevanten Bauteilen auf, so ist deren frühzeitige Erkennung von hoher Bedeutung. Weiterhin ist von Bedeutung, festzustellen, ob Wasserstoff in Systemkomponenten, beispielsweise von Brennstoffzellen, Pipelines oder Nuklearanlagen, auftritt. Zur Detektion von Wasserstoff ist bereits eine Vielzahl von Messprinzipien bekannt, die beispielsweise auf der Detektion mittels Farbpigmenten, der Bildung von Oxidschichten oder auch auf der Basis der Detektion von elektrischen Effekten beruhen.
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Methoden zur Detektion einer Wasserstoffversprödung sind ebenfalls bereits bekannt. So zeigt die
JP-2001 141698 A ein Verfahren, bei dem eine Impedanzänderung mittels eines Wirbelstromtestverfahrens erfasst wird. Für die Detektion selbst müssen jedoch zwei Spulen in das entsprechende Prüfobjekt eingeführt werden. Eine In-situ-Überprüfung während des Betriebs des entsprechenden Prüfobjekts ist daher nicht möglich. Eine weitere Methode zeigt die
JP-2009 145046 A , bei der ein Sensor für Hochdruckanwendungen zum Einsatz kommt, der ein Prüf-Diaphragma beinhaltet. Wenn dieses unter Wasserstoffeinwirkung versprödet, hält es dem entsprechenden Druck nicht mehr stand und gibt nach, woraufhin ein Drucksensor der Vorrichtung anspringt. Nachteile dieses Verfahrens sind jedoch, dass es nur unter hohem Druck reagiert und ein Signal erst beim Versagen des entsprechenden Diaphragmas generiert wird. Auf Basis dieser Methode ist es jedoch nicht möglich, eine kurzzeitige Beaufschlagung mit Wasserstoff, beispielsweise in einem fälschlicherweise mit Wasserstoff beschickten Rohrsystem, zu detektieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Detektion einer Materialveränderung, insbesondere unter Wasserstoffeinwirkung, vorzuschlagen, der eine Überwachung eines ggf. mit Wasserstoff beaufschlagten technischen Systems auch während des Betriebs desselben ermöglicht.
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Vorteile der Erfindung
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Sensor bzw. durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Der erfindungsgemäße Sensor zur Erfassung einer Materialveränderung eines einen gasförmigen Stoff leitenden Systems ist durch einen einfachen Aufbau gekennzeichnet, der im Wesentlichen zwei Schichten umfasst, wobei eine erste mit dem gasförmigen Stoff in Kontakt stehende Schicht in physischem Kontakt mit einer Erregerspule steht, die bei Anlegen eines Wechselstroms zu Wirbelströmen innerhalb der ersten Schicht führt. Auf der ersten Schicht ist beispielsweise vollflächig eine zweite Schicht vorgesehen, die im Wesentlichen eine Diffusion des gasförmigen Stoffs durch die zweite Schicht hindurch verhindert. Kommt es nun im Bereich der ersten Schicht zu einer Materialveränderung auf Basis des gasförmigen Stoffes, so führt dies aufgrund eines veränderten Wirbelstromverhaltens der ersten Schicht beim Anlegen eines Wechselstroms an die Erregerspule zu einer veränderten Impedanz der Erregerspule. Diese Impedanz kann auf einfachem Wege bestimmt werden. Der generelle Vorteil ist hier, dass neben einem einfachen Aufbau des Sensors weiterhin eine Überwachung eines den gasförmigen Stoff leitenden Systems auch während des Betriebs des Systems erfolgen kann und bereits frühzeitig eine Materialveränderung des den gasförmigen Stoff führenden Systems detektiert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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So ist von Vorteil, wenn die erste und die zweite Schicht beispielsweise in Form von zueinander konzentrisch positionierten Rohren ausgebildet sind und somit die erste Schicht als Innenrohr innerhalb eines die zweite Schicht bildenden Außenrohrs ausgeführt ist, da auf diese Weise der Sensor beispielsweise als Zwischenbauteil in einfacher Weise ein den gasförmigen Stoff führendes Rohrsystem integriert werden kann.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Leitungswindungen der Erregerspule des Sensors an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet sind, da auf diese Weise ein elektrisch leitender Kontakt mit dem Material der ersten Schicht gewährleistet ist, zum andern jedoch die elektrischen Leiterbahnen der Erregerspule vor dem Zutritt des zu detektierenden gasförmigen Stoffs geschützt sind.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Sensor eine zweite Erregerspule auf, die zusammen mit der ersten Erregerspule ein Spulepaar bildet und somit eine Kompensation für Temperatureffekte ermöglicht.
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Der erfindungsgemäße Sensor lässt sich vorteilhafterweise zur Detektion von Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Sauerstoff bspw. in gasführenden Pipelines, in Brennstoffzellenfahrzeugen oder in Nuklearanlagen einsetzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt:
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1: eine fotografische Aufnahme einer Materialprobe, die eine Rissbildung aufgrund von Wasserstoffversprödung zeigt gemäß Stand der Technik,
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2a: die schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Herstellungsstadium,
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2b: die schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im fertig gestellten Zustand und
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3: die schematische Darstellung eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wird anhand einer Materialveränderung erläutert, wie sie unter Einwirkung von Wasserstoff auf bestimmte metallische Materialien hin eintritt und als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird. Hierzu wird in 1 ein Schnittbild einer Materialprobe gemäß Jarmila Woodtli, Rolf Kieselbach „Damage due to hydrogen imbrittlement and stress corrosion cracking" Engineering Failure Analysis 7 (2000) 427–450 gezeigt, die eine bis zu 1 mm tiefe Rissbildung aufgrund von Wasserstoffversprödung zeigt. Der dabei auftretende Verlust an mechanischer Festigkeit des Materials kann, wenn die entsprechende Wasserstoffversprödung nicht frühzeitig detektiert wird, zu gefährlichen Sicherheitsrisiken bei insbesondere wasserstoffführenden Systemen führen.
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In 2a ist daher ein Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, der die Möglichkeit bietet, frühzeitig bereits eine Materialveränderung aufgrund der Einwirkung eines entsprechenden Gases beispielsweise in gasführenden Systemen zu detektieren.
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Der Sensor 10 umfasst beispielsweise eine erste, innere Schicht 12, die beispielsweise rohrförmig ausgeführt ist und die vorzugsweise auf ihrer Innenseite in Kontakt mit einem zu detektierenden Gas bzw. Gasgemisch steht. Der Sensor 10 umfasst vorzugsweise weiterhin eine zweite, äußere Schicht 14, die beispielsweise ebenfalls rohrförmig ausgeführt ist und die beispielsweise die erste, innere Schicht 12 umschließt.
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Dabei ist die erste, innere Schicht 12 beispielsweise aus einem Material ausgeführt, das unter Kontakt mit einem zu detektierenden Gas mit einer vorzugsweise raschen Materialveränderung reagiert. Auf diese Weise lässt sich frühzeitig feststellen, ob ein den Sensor enthaltendes gasführendes System beispielsweise unerwünschter Weise in Kontakt mit einem zu detektierenden Gas gekommen ist. Ist das zu detektierende Gas Wasserstoff, so können beispielsweise als die Materialveränderung zeigende, auf eine Wasserstoffversprödung empfindliche Materialien Aluminiumlegierungen wie bspw. AL 6065, hochfeste Stähle, kohlenstoffhaltige Mangan- bzw. Eisen-Manganlegierungen, Chrom-Molybdän- bzw. Eisen-Chrom-Molybdänlegierungen oder Titanlegierungen eingesetzt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die innere Schicht 12 beispielsweise aus einem Material ausgeführt, das beispielsweise demjenigen Material entspricht, das das den Sensor aufweisende gasführende System in Bereichen aufweist, die mit einem zu detektierenden Gas bzw. Gasgemisch in Kontakt kommen. Auf diese Weise kann exemplarisch im Bereich des Sensors 10 festgestellt werden, ob im gasführenden System insgesamt von einer Materialveränderung, insbesondere Wasserstoffversprödung, auszugehen ist.
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Vorzugsweise ist die zweite, äußere Schicht 14 aus einem Material ausgeführt, das diffusionshemmend auf ein zu detektierendes Gas wirkt. Dabei kann es sich beispielsweise in Bezug auf eine Diffusion von Wasserstoff um AL 7075 handeln. Vorzugsweise sind die erste, innere Schicht 12 und die zweite, äußere Schicht 14 als konzentrisch zueinander angeordnete, miteinander verpresste Rohrstücke ausgeführt. Dabei kann die erste, innere Schicht 12 bzw. die zweite, äußere Schicht 14 beispielsweise in ihrem rohrförmig ausgeführten endständigen Bereich jeweils einen Flansch oder ein Gewinde aufweisen (nicht dargestellt), mit dem der Sensor 10 an ein gasführendes Leitungssystem in gasleitender Weise angefügt werden kann.
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Der Sensor 10 weist darüber hinaus eine erste elektrische Zuleitung 16 sowie eine zweite elektrische Zuleitung 18 auf, die beispielsweise so ausgeführt sind, dass sie die zweite, äußere Schicht 14 in elektrisch isolierter Weise durchdringt und die elektrische Kontaktierung einer an der Grenzfläche zwischen erster, innerer Schicht 12 und zweiter, äußerer Schicht 14 positionierten Erregerspule ermöglichen. Das in 2a dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt dabei eine Erregerspule mit zwei Teilerregerspulen 20a und 20b. Diese Unterteilung ermöglicht es, Temperatureffekte, die die Signale des Sensors 10 beeinflussen, zu eliminieren. Die Erregerspulen 20a, 20b sind beispielsweise in Aussparungen der ersten, inneren Schicht 12 auf der dem zu untersuchenden Gas bzw. Gasgemisch abgewandten Großfläche der ersten inneren Schicht 12 angeordnet.
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Mittels der Erregerspulen 20a, 20b wird eine Wirbelstromprüfung der ersten, inneren Schicht 12 während des Betriebs des Sensors durchgeführt. Diese Wirbelstromprüfung beruht darauf, dass bei Beaufschlagung der Erregerspulen 20a, 20b mit einem Wechselstrom sich innerhalb des Materials der ersten inneren Schicht 12 ein sich stetig änderndes Magnetfeld einstellt. Das wechselnde Magnetfeld seinerseits induziert innerhalb des Materials der ersten, inneren Schicht 12 Wirbelströme. Die Wirbelströme bilden ein eigenes Magnetfeld aus, das dem Erregerfeld entgegenwirkt. Als Resultat verändert sich die Impedanz der Erregerspulen 20a, 20b. Da Art und Ausprägung der Wirbelströme innerhalb des Materials der ersten, inneren Schicht 12 stark mit deren Beschaffenheit zusammenhängt, lassen sich durch Impedanzmessungen an den Erregerspulen 20a, 20b Rückschlüsse auf Materialveränderungen innerhalb der ersten, inneren Schicht 12 und somit beispielsweise auf eine Versprödung des Materials ziehen. Mit Hilfe dieses Messprinzips lassen sich jedoch auch vielfältige Schäden am Material der ersten, inneren Schicht 12 wie Rissbildungen und Leitfähigkeitsveränderungen detektieren.
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Da die oben beschriebenen Wirbelströme sich räumlich nah an der Erregerspule bilden und ihre Intensität mit der Materialtiefe exponentiell abnimmt, ist die erste innere Schicht 12 ausreichend dünn ausgestaltet, um auf der dem zu untersuchenden Gas bzw. Gasgemisch zugewandten Großfläche auftretende Rissbildungen bzw. Oberflächenveränderungen mit der auf der dem zu detektierenden Gas bzw. Gasgemisch abgewandten Großfläche der ersten, inneren Schicht 12 angeordneten Erregerspule 20a, 20b detektieren zu können. Zur Berechnung der Schichtdicke der ersten, inneren Schicht 12 kann nach der folgenden Formel die Eindringtiefe des zu detektierenden Gases in Relation zur Erregerfrequenz berechnet werden. δ ≈ 1/√(πfμσ)
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Wobei δder Eindringtiefe, f der Erregerfrequenz, μ = der magnetischen Permeabilität (H/mm) und σ der elektrischen Leitfähigkeit (% IACS) entspricht.
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Während der Herstellung des Sensors 10 wird die mit den Erregerspulen 20a, 20b versehene erste, innere Schicht 12 in rohrförmiger Ausführung in das Innere der ebenfalls rohrförmig ausgeführten zweiten, äußeren Schicht 14 gemäß Pfeilrichtung 22a, 22b eingeführt und abschließend vorzugsweise verpresst. Der sich dabei ergebende Sensoraufbau ist 2b zu entnehmen. Eine zweite Ausführungsform eines Sensors gemäß vorliegender Erfindung ist in 3 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen weiterhin gleiche Vorrichtungskomponenten bezeichnen wir in den 1, 2a und 2b.
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Der Sensor 10 gemäß 3 weist auf der Außenfläche der rohrförmig ausgeführten ersten inneren Schicht 12 nur eine einzige Erregerspule 20 auf, die als Absolutspule fungiert und deren Messsignal naturgemäß temperaturabhängig ist. In diesem Fall erfolgt die Temperaturkompensation beispielsweise mittels eines nicht dargestellten Temperatursensorelements. Auch in diesem Fall erfolgt die Herstellung des Sensors 10, indem die mit der Erregerspule 20 versehene erste, innere Schicht 12 in rohrförmiger Ausführung in die ebenfalls rohrförmig ausgeführte zweite, äußere Schicht 14 in Pfeilrichtung 22a, 22b eingeführt und vorzugsweise verpresst wird.
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Der erfindungsgemäße Sensor lässt sich beispielsweise zur Detektion von Wasserstoff in Gasgemischen beispielsweise bei Brennstoffzellenfahrzeugen in Form beispielsweise einer Tanküberwachung oder zur Beobachtung von Wasserstoffübertritten in das Luftsystem des Brennstoffzellenfahrzeugs einsetzen, sowie im Rahmen von Wasserstoff-Pipelines oder in Nuklearanlagen zu Beobachtung beispielsweise von Wasserstofffreisetzung in Kühlmittel, oder in Anlagen, bei denen bedingt durch Fertigungsverfahren mit dem Auftreten von Wasserstoff und damit verbundener Korrsosionsprozesse mit Wasserstoffbildung die Gefahr nachträglicher Versprödung während des Betriebs besteht. Darüber hinaus ist jedoch eine Anwendung zur Detektion von Kohlenmonoxyd oder Sauerstoff möglich, wobei Kohlenmonoxyd beispielsweise im Falle von eisenhaltigen Werkstoffen als Material der ersten inneren Schicht 12 zur Bildung von Eisencarbonylen und somit zu einer Materialveränderung führt, und im Falle von Sauerstoff zu einer Korrosion metallischer Werkstoffe als Materialien der ersten inneren Schicht 12 und infolgedessen ebenfalls zu einer Materialermüdung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2001141698 A [0003]
- JP 2009145046 A [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jarmila Woodtli, Rolf Kieselbach „Damage due to hydrogen imbrittlement and stress corrosion cracking“ Engineering Failure Analysis 7 (2000) 427–450 [0017]
